Magnesy - terminologia

Temperatura Curie (Tc) jest temperaturą, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne, stając się paramagnetykiem. Rozmagnesowany termicznie magnes można ponownie namagnesować w temperaturze poniżej Tc.

Jak do tej pory nie stwierdzono wpływu czasu na własności magnetyczne magnesów stałych. Naukowcy zajmują się magnetyzmem już przez szereg lat. Warto zwrócić uwagę na fakt, że jednostki używane w magnetyzmie są podawane między innymi w układzie CGS, czyli centymetr, gram, sekunda. Żadna z jednostek nie jest wyrażona w czasie. Istnieją takie miary jak [Gs] czyli gausy, [Oe] czyli ersztedy, ale nie [Gs/s], czyli gausy na sekundę, i tak dalej. Własności magnetyczne magnesów stałych są zależne od wielu czynników, ale nie od czasu. Obecna ludzka wiedza nie pozwala nie stwierdzenie, że własności magnetyczne magnesów stałych zależą od upływu czasu.

Parametry magnetyczne są podawane w dwóch układach jednostek: SI (T, A/m, J/m3) oraz CGS (Gs, Oe, GsOe).

Układ jednostek SI stosowany jest powszechnie jako układ obowiązujący urzędowo w wielu krajach. Ponadto jest to układ bardzo wygodny w przypadku projektowych obliczeń obwodów magnetycznych, w których występują elementy elektromagnetyczne (silniki, przetworniki czy mierniki), gdyż pole magnetyczne wyrażane jest w nim w A/m, co pozwala na łatwe porównanie z amperozwojami części elektromagnetycznej obwodu.

Układ CGS stosowany jest często do obliczeń projektowych obwodów magnetycznych, w których nie występują elementy elektromagnetyczne (uchwyty magnetyczne czy separatory). W układzie tym wartość przenikalności magnetycznej próżni (powietrza) wynosi m0 = 1Gs/Oe. Ułatwia to szereg obliczeń, gdyż występują następujące związki:

  • B ~ Br – 1.07× H dla magnesu;
  • B = H dla przestrzeni poza magnesem i magnetowodami.

W tabeli poniżej podano parametry i ich jednostki w obu układach oraz relacje pomiędzy jednostkami:

Parametr
Symbole
Jednostka w SI
Jednostka w CGS
Relacja SI do CGS
Relacja CGS do SI
Indukcja magnetyczna
B, Br, Bs Tesla [T] Gauss [Gs] 1 T = 10 kGs
1 mT = 10 Gs
1 Gs = 10-4 T
1 kGS = 10-1 T
Namagnesowanie
J, Jr, Js Tesla [T] A/cm 1 T = 10 kGs
1 mT = 10 Gs
1 A/cm = 1/4π mT
1 kA/cm = 1/4π mT
Natężenie pola magnetycznego
H, HcB, HcJ, Hs Amper na metr [A/m] Oersted [Oe] 1 A/m = 4π10-3 Oe
1 kA/m = 4π Oe
1 Oe = (103/4π) A/m
1 kOe = 103/4π kA/m
Gęstość energii
BHmax J/m3 GsOe 1 J/m3 = 40 πGsOe
1 kJ/m3 = 4 π10-2MGsOe
1 GsOe = 1/40π J/m3
1 MGsOe = 102/4π kJ/m3

 

Bardzo często istotne jest jaki udźwig ma dany magnes. Na siłę oderwania magnesu od żelaznej blachy ma wpływ wiele czynników. Im większa zawartość żelaza, tym siła oderwania będzie większa. Zauważymy różnicę także wtedy, jeżeli spróbujemy oderwać ten sam magnes od cieniutkiej blaszki i od blachy o grubości kilkanaście milimetrów. Zawsze od grubszej blachy będzie trudniej oderwać magnes. Tak samo jak przy indukcji mierzonej na powierzchni magnesu, proporcje wymiarów magnesu mają bardzo duże znaczenie, ale tym razem wpływ na udźwig ma także wielkość magnesu, a w przypadku cienkich blach - powierzchnia magnesu. Jeżeli chodzi o własności samego materiału, z którego wykonano magnes, to najważniejsza będzie remanencja i koercja HcB oraz kształt pętli histerezy. Są to parametry praktycznie użyteczne. Koercja HcJ jest parametrem materiałowym (fizycznym), nie ma bezpośredniego wpływu na udźwig magnesu.

Innym użytkowym parametrem magnesu jest indukcja mierzona na powierzchni magnesu lub w zadanej odległości od magnesu. Wartość indukcji magnetycznej mierzonej na powierzchni magnesu zależy od kształtu magnesu. Im wyższy magnes, tym wyższa indukcja magnetyczna na jego powierzchni. Zależy ona także od remanencji, koercji i kształtu krzywej odmagnesowania. Koercja HcJ nie ma tutaj znaczenia, tak samo jak przy udźwigu magnesu. Ma ona natomiast znaczenie jeżeli magnes jest wykorzystywany w obecności innych silnych pól i dosyć często jest powiązana z maksymalną temperatura pracy, zwłaszcza przy magnesach neodymowych.

Wracając do indukcji, spróbujmy przyłożyć sondę do powierzchni magnesu i przesuwać ją po powierzchni. Okaże się, że w każdym punkcie będzie inna wartość. Dlaczego? Odpowiedź jest prosta. Linie sił pola magnetycznego zakrzywiają się wokół magnesu, raz przechodzą prostopadle przez sondę, innym razem pod innym kątem. Na środku powierzchni bieguna magnetycznego linie sił pola wychodzą z magnesu prostopadle, w innych miejscach na powierzchni bieguna linie sił pola od razu zakrzywiają się. Tak jest blisko krawędzi magnesu. Właśnie blisko krawędzi magnesu jest największą ilość linii sił pola, które zakrzywiają się i biegną w kierunku bieguna przeciwnego. Badając w ten sposób płaski magnes stwierdzimy, że największa indukcja będzie blisko krawędzi magnesu, na obrzeżach powierzchni bieguna magnetycznego. Badając wysoki magnes stwierdzimy, że wysoka indukcja będzie zarówno na środku powierzchni bieguna jak i blisko krawędzi magnesu. To dlatego, że magnes jest już tak bardzo wysoki, że linie sił pola z całej powierzchni magnesu strzelają prostopadle do góry i dopiero ponad magnesem zakrzywiają się.

A co z indukcją magnetyczną wokół magnesu? Będę ją nazywał natężeniem pola magnetycznego. Natężenie pola magnetycznego wokół magnesu też jest różne w zależności od punktu, w którym wykonamy pomiar. Jest to już oczywiste, że natężenie pola magnetycznego w odległości np. 1 cm od magnesu wysokiego będzie dużo większe niż natężenie pola magnetycznego w odległości 1 cm od płaskiego magnesu. A co zrobić żeby pole było jednorodne? Jednorodne czyli wartość natężenia pola magnetycznego powinna być taka sama na jakiejś określonej przestrzeni. W tym celu należy zbudować obwód magnetyczny. Pole wokół samego magnesu nigdy nie będzie jednorodne.

Jest bardzo wiele parametrów magnetycznych określających dany materiał magnetyczny. Najbardziej znanym jest remanencja Br czy też inaczej indukcja remanencji lub też inaczej namagnesowanie szczątkowe, pozostałość magnetyczna. Jest to taka wartość indukcji magnetycznej, która pozostaje w materiale magnetycznym po namagnesowaniu. Indukcja remanencji jest często mylona z indukcją magnetyczną mierzoną na powierzchni magnesu. Indukcja remanencji zawsze jest dużo wyższa od indukcji mierzonej na powierzchni magnesu. Wyjątkiem jest sytuacja, w której umieścimy magnes w dobrze skonstruowanym obwodzie magnetycznym. Wtedy wartość natężenia pola magnetycznego mierzonego w szczelinie pomiędzy magnesami zamontowanymi w obwodzie magnetycznym może się zbliżyć do wartości indukcji remanencji materiału, z którego wykonano magnesy.

Kolejnym ważnym parametrem jest koercja HcB (natężenie powściągające) i koercja HcJ. Koercja HcB określa jakiego przeciwnego pola należy użyć żeby sprowadzić wartość remanencji do zera. Oznacza to, że na magnes będziemy działali takim polem magnetycznym, które spowoduje, że magnes znajdujący się pod wpływem takiego pola nie będzie źródłem pola magnetycznego. Nie oznacza to, że po odjęciu tego pola rozmagnesujemy magnes. Właśnie koercja HcJ określa wartość pola, którym rozmagnesujemy całkowicie magnes. Magnes można także rozmagnesować termicznie, o czym była mowa, lub za pomocą zmiennego pola magnetycznego gasnącego w czasie, o różnej wartości w zależności od koercji materiału magnetycznego. Pole potrzebne do namagnesowania magnesu jest najczęściej około pięciokrotnie większe od wartości koercji HcJ. Magnes można namagnesować mniejszym polem nie do nasycenia. W takim przypadku nie wykorzysta się wszystkich własności materiału, magnes będzie „słabszy” i niestabilny.

Dla remanencji i koercji określa się współczynniki temperaturowe. Zgodnie z definicją współczynnik temperaturowy dowolnego parametru,  w tym także indukcji remanencji Br, można zapisać wzorem:

gdzie: T2> T1; Br(Tot) – indukcja w temperaturze otoczenia.

Dla różnych materiałów magnetycznych wartości tych współczynników są różne. Mogą być dodatnie lub ujemne i potrafią być zmienne w zależności od konkretnego przedziału temperaturowego. Najkrócej mówiąc dzięki współczynnikom temperaturowym można oszacować o ile będzie „słabszy” dany magnes poddany wysokiej temperaturze, a konkretniej jaka będzie wartość remanencji i koercji w konkretnej temperaturze.

Warto jeszcze powiedzieć o energii magnetycznej inaczej o gęstości energii magnetycznej (BH)max. To taka wartość umowna, zależna od innych wartości, stworzona po to by pełniej opisać liczbami parametry materiału magnetycznego bez konieczności patrzenia na kształt pętli histerezy. Zależy ona nie tylko od wartości remanencji Br i koercji HcB ale i od kształtu krzywej odmagnesowania czyli II ćwiartki pętli histerezy magnetycznej. (BH)max  jest to największy iloczyn indukcji magnetycznej B i natężenia pola magnetycznego H jaki można wykreślić pod krzywą odmagnesowania HcB. Gęstość energii magnetycznej jest powszechnie używana do porównywania magnesów, choć nie zawsze słusznie. Należy pamiętać,
że jednostką (BH)max jest zarówno [GsOe] jak i [kJ/m3]. Zwracam uwagę na tą drugą jednostkę. Mowa jest tutaj o kilodżulach i objętości. Chodzi o objętość magnesu. Można więc porównać dwa magnesy o różnych wielkościach i wykonane z materiału o różnej gęstości energii. Porównując w ten sposób magnesy neodymowe wykonane z różnych materiałów łatwo szybko zauważyć, że wielkość magnesu będzie miała decydujące znaczenie a nie sama gęstość energii magnetycznej. Nie należy porównywać w ten sposób magnesów alnico z innymi magnesami, ferrytowymi czy neodymowymi, itd., ponieważ punkt pracy magnesów alnico zazwyczaj jest bardzo oddalony od wartości remanencji materiału i bardzo zależy od kształtu. Ta wyjątkowość magnesów alnico to efekt bardzo niskiej koercji.

Jeżeli już ktoś chciałby porównywać ze sobą magnesy to proponuje raczej patrzeć na użytkowe własności magnesu i użytkowe własności magnetyczne a właściwie na moment magnetyczny konkretnego magnesu a nie na gęstość energii magnetycznej materiału, z którego wykonano magnes.

Współczynnik odmagnesowania N określa stan odmagnesowania (punkt pracy) wynikający z proporcji wymiarów magnesu, właściwości obwodu magnetycznego, w którym został on umieszczony oraz oddziaływania zewnętrznych pól magnetycznych.

 

Współczynniki temperaturowe TK(Br) i TK(jHc) są względnymi zmianami wartości, odpowiednio Br i Hc pod wpływem zmian temperatury wyrażonymi w %/°K (w %/°C). Ich wartości są stałe w szerokim zakresie temperatury dla danego typu materiału.

Współczynniki temperaturowe najpopularniejszych materiałów magnetycznie twardych przedstawiono w poniższej tabeli:

Typ magnesu TK(Br) TK(jHc)
 ferrytowy -0,19 +0,4
spiekany NdFeB -0,10...-0,12 -0,6
wiązany NdFeB 0,07...-0,13 -0,4
SmCo5 -0,05 -0,3
Sm2Co17 -0,03 -0,2
AlNiCo izotropowy -0,03 -0,02
AlNiCo anizotropowy -0,02...-0,025 +0,02

 

Ziemie rzadkie (metale ziem rzadkich): Rodzina pierwiastków chemicznych o liczbach atomowych od 57 do 71 oraz 21 i 39. Do grupy tej należą:

  • lantanowce (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu);
  • Skand (Sc)
  • Itr (Y).