Terminologia magnetyczna

A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U W Z
A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U W Z
A
Anizotropowe magnesy
Anizotropowe magnesy są to magnesy, których własności magnetyczne są najwyższe w wyróżnionym kierunku. Mikrostrukturę tych magnesów cechuje wyraźne uporządkowanie osi łatwego namagnesowania poszczególnych ziaren (mikrokryształów). Uporządkowanie to uzyskuje się w trakcie produkcji magnesów, poprzez zastosowanie odpowiednich zabiegów technologicznych, na przykład prasowania w polu magnetycznym. Dzięki temu magnesy anizotropowe osiągają znacznie wyższe wartości podstawowych parametrów magnetycznych niż magnesy izotropowe, wykonane z materiału o tym samym składzie. Ze względu na bardziej skomplikowany proces wytwarzania, magnesy anizotropowe są droższe od izotropowych i mogą być efektywnie magnesowane tylko w jednym, wyróżnionym w trakcie produkcji kierunku.
B
BHmax
Bieguny magnesu
Br
C
Curie temperatura

Curie temperatura patrz: Temperatura Curie

D
Domeny magnetyczne
Domeny magnetyczne są to obszary w mikrostrukturze materiału ferromagnetycznego, posiadające jednakowo ukierunkowane momenty magnetyczne poszczególnych atomów.
E
F
Ferromagnetyk

Ferromagnetyk jest to ciało, w którym momenty magnetyczne atomów ustawiają się w pewnych obszarach w sposób uporządkowany.  Obszary te nazywa się domenami magnetycznymi. Ferromagnetyk wykazuje własności magnetyczne, czyli przyciąga inny ferromagnetyk lub jest przyciągany. Tak więc ferromagnetykiem jest zarówno sam magnes jak i blacha żelazna, którą przyciąga magnes.

G
Gęstość energii

Gęstość energii magnetycznej patrz: iloczyn B·H

H
Histereza magnetyczna

Histereza magnetyczna patrz: pętla histerezy magnetycznej

I
Iloczyn BH
Iloczyn B·H (gęstość energii magnetycznej) jest iloczynem indukcji magnetycznej B i natężeniem pola magnetycznego odmagnesowującego -H w danym punkcie krzywej odmagnesowania magnesu. Iloczyn ten ma wymiar gęstości energii [J/m3] w układzie SI oraz [Gs·Oe] w układzie CGSM, a jego wartość decyduje o energii zewnętrznego pola magnetycznego, jakie może wytworzyć jednostka objętości magnesu w danym stanie odmagnesowania.
Indukcja magnetyczna B
Indukcja magnetyczna Bs
Indukcja remanencji Br
Izotropowe magnesy
J
K
Koercja
Koercja (siła koercji, pole koercji, natężenie powściągające) jest wskaźnikiem przeciwdziałania, odporności materiału na rozmagnesowanie (patrz: mechanizmy koercji).
Koercja bHc
Koercja jHc
Krzywa odmagnesowania
Kształty magnesów
L
Linie sił pola magnetycznego

Linie sił pola magnetycznego (linie indukcji magnetycznej, linie sił magnetycznych) są to zamknięte linie przedstawiające kierunek pola magnetycznego.
Dla magnesów trwałych przyjmuje się, że linie sił pola wychodzą z bieguna "N" (tak zwanego "północnego"), a wchodzą do bieguna "S" ("południowego") magnesu.

Linie sił pola magnetycznego

M
Magnes
Magnes wytwarza pole magnetyczne. W pewnych ferromagnetykach wzajemne uporządkowanie momentów domen magnetycznych, wywołane zewnętrznym polem magnetycznym, nie znika nawet po usunięciu tego pola. Takie  ferromagnetyki nazywamy materiałami twardymi magnetycznie lub magnesami. Magnes to ciało wytwarzające stałe pole magnetyczne.
Z lekcji fizyki wiemy, że atom składa się z jądra i otaczającej go chmury elektronów – podstawowych nośników ładunków elektrycznych. Elektrony w atomie wykonują dwa ruchy jeden po orbicie wokół jądra atomu i drugi obrotowy wokół własnej osi (z angielska spin). Oba te ruchy można traktować analogicznie jak  przepływ ładunku elektrycznego w przewodniku i są one niczym innym jak przepływem elementarnych prądów, wokół których wytwarza się pole magnetyczne. Pole magnetyczne związane z ruchem elektronu po orbicie jest słabe i jego istnienie ujawnia się dopiero w silnych, zewnętrznych polach. Wielokrotnie silniejszym jest pole związane z ruchem obrotowym czyli ze spinem elektronu. Okazuje się, że  pojedynczy elektron można traktować jako elementarny magnes. Spiny  elektronów  przyjmują dwa przeciwstawne kierunki.
W większości pierwiastków atomy posiadają na orbitach wokół jądrowych parzystą wielokrotność elektronów o przeciwnie skierowanych spinach co powoduje, że pochodzące od nich pole magnetyczne wzajemnie się znosi i w związku z tym atomy tych pierwiastków nie wykazują na zewnątrz żadnego pola magnetycznego. Istnieje jednak grupa tzw. metali przejściowych, w których pewne orbity są obsadzone przez nieparzystą liczbę elektronów - w nomenklaturze fizycznej nazywa się to niesparowanymi spinami. W konsekwencji atomy metali przejściowych charakteryzują się trwałymi momentami magnetycznymi (będącymi odpowiednikami dipoli elektrycznych), a więc są źródłem pola magnetycznego. Do metali tych zaliczamy żelazo, kobalt, nikiel i metale grupy lantanu, np. samar Sm, neodym Nd, gadolin Gd.
Jednak sam fakt, że atomy niektórych metali wykazują trwały moment magnetyczny nie wystarcza do tego, aby np. sztabka wykonana z tego metalu wytwarzała wokół siebie pole magnetyczne. Potrzebne są jeszcze co najmniej dwa czynniki. Pierwszy to uporządkowanie momentów magnetycznych pochodzących od poszczególnych atomów takie, aby ich kierunek i zwrot był jednakowy. Zjawisko to zachodzi w ferromagnetykach, do których zaliczają się wszelkiego rodzaju kształtki wykonane np. z żelaza, niklu, kobaltu i ich stopów. Jednak  na zewnątrz tych kształtek pole magnetyczne jest nadal zerowe. Dzieje się tak dlatego, że obszary pełnego uporządkowania są przypadkowo rozrzucone w całej objętości kształtek co powoduje wzajemne znoszenie się pochodzących od nich pól. Obszary jednakowego ustawienia momentów nazywane są domenami magnetycznymi. Zastosowanie zewnętrznego, silnego pola magnetycznego powoduje uporządkowanie momentów magnetycznych w całej objętości kształtki, rys. 1a) i1b). Dla pewnej grupy materiałów uporządkowanie to pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola. Do tych materiałów zalicza się takie stopy jak alnico, neodym-żelazo-bor czy samar-kobalt oraz materiały ceramiczne jak ferryt baru lub strontu. Kształtki wykonane z wymienionych materiałów (zwanych także materiałami twardymi magnetycznie) to magnesy. W zależności od rodzaju materiału, z którego zostały wykonane, dzieli się je na: magnesy alnico; magnesy neodymowe; samarowo-kobaltowe lub ferrytowe barowe i strontowe.

a)

b)

 

 

Rys. 1. Rozkład domen magnetycznych w ferromagnetyku: a) bez zewnętrznego pola magnetycznego; b) w zewnętrznym polu magnetycznym.
Przedstawiony ferromagnetyk jest materiałem polikrystalicznym, w którym obszary pojedynczych ziaren pokrywają się z obszarami domen magnetycznych.
Magnes jest źródłem pola magnetycznego. Na rys. 2a). przedstawiony jest magnes w postaci prostopadłościennej sztabki, tak zwany magnes sztabkowy. Pole magnetyczne jest to przestrzeń wokół tego magnesu, w której magnes oddziałuje na ferromagnetyk określoną siłą. Siła oddziaływania jest stała wzdłuż pewnych linii zwanych liniami sił pola magnetycznego. Dobrą ilustracją obecności linii sił pola są tzw. figury proszkowe uzyskiwane w wyniku rozsypania drobnego proszku żelaza na kartkę papieru umieszczoną nad magnesem, rys. 2b).

Rys. 2. Schematyczny rysunek  linii sił pola magnetycznego wokół magnesu sztabkowego, (a) i ich ilustracja przy pomocy tzw. figur proszkowych, (b).
Pole magnetyczne może być stałe lub zmienne. Z polem stałym mamy do czynienia, gdy magnes stanowiący jego źródło znajduje się w spoczynku (stanowi element nieruchomego obwodu magnetycznego), zaś liczba linii sił tego pola przechodzących przez ustaloną powierzchnię jest stała i niezmienna w czasie. Jak uzyskać pole zmienne za pomocą magnesu stałego? Można magnes wprowadzić w ruch. Często używa się sformułowania magnes stały lub magnes trwały. Skąd pochodzą te określenia? No właśnie, magnes stały to konsekwencja tego, że jest źródłem stałego pola magnetycznego a magnes trwały to sugestia, że pole magnetyczne jest trwałe, nie zmienia się w czasie, w odróżnieniu od elektromagnesu, w którym wytwarzane pole magnetyczne można wyłączyć lub włączyć a także nim sterować w czasie zmniejszając lub zwiększają jego wartość.  Pola magnetycznego magnesu nie można wyłączyć nawet na chwilę.  Pole magnetyczne magnesu można usunąć jedynie w sposób trwały, rozmagnesowując go termicznie (podgrzewając powyżej pewnej temperatury) lub przy pomocy szybkozmiennego pola magnetycznego o zanikającej amplitudzie - wytwarzanego przez elektromagnes. Magnesowanie lub rozmagnesowanie magnetyków przebiega w magnetykach w sposób nieliniowy i podlega zjawisku tzw. histerezy (po grecku -  opóźnienie). Na rys. 3 przedstawiona jest przykładowa pętla histerezy magnetycznej.

 

Pętla histerezy magnetycznej
Rys.3. Przykładowa pętla histerezy magnetycznej ilustrująca magnesowanie ferromagnetyka, B = f(H).
Przedstawiony na rys. 3 przebieg magnesowania materiału magnetycznego, który po raz pierwszy został poddany temu procesowi pokazuje, że startując od zerowego pola magnetycznego poruszamy się po tzw. pierwotnej krzywej magnesowania, aż do namagnesowania nasycenia. Uważa się, że nasycenie techniczne osiąga się dla pola magnetycznego równego minimum Hs = 5 x Hc. Gdy od tego momentu zaczynamy zmniejszać pole stwierdzamy, że namagnesowanie nie spada do zera lecz dla H = 0 przyjmuje określoną wartość zwaną namagnesowaniem resztkowym lub indukcją remanencji, Br. Aby zmniejszyć namagnesowanie do zera należy magnesować materiał w kierunku przeciwnym aż do pewnej wartości pola magnetycznego zwanego polem powściągającym lub polem koercji – Hc. Dalsze magnesowanie prowadzi do namagnesowania do nasycenia lecz o zwrocie przeciwnym do poprzedniego.
Namagnesowanie magnetyka (materiału magnetycznego) można przedstawić w dwojaki sposób.
a) Pierwszy jako magnetyzację M czyli moment magnetyczny na jednostkę objętości magnetyka
M= μcałk/V
gdzie: M -magnetyzacja magnetyka mierzona w [kA/m] w układzie SI lub [Gs] w CGS;
μcałk -całkowity moment magnetyczny magnetyka;
V -objętość magnetyka.
Magnetyzacja jest wielkością materiałową, czyli taką która nie zależy od kształtu oraz wymiarów magnetyka i ma określoną wartość jedynie wewnątrz materiału. Poza nim jej równa  zero. Historycznie przyjęło się, że dla magnesów magnetyzację nazywa się polaryzacją i oznacza literą J.
 b) Drugi sposób jako indukcję magnetyczną B, która w układzieSI wyraża się wzorem
B= μ0H + M
gdzie: B-indukcja magnetyczna;
m0 -przenikalność magnetyczna próżni;
 H-pole magnetyczne magnesujące magnetyk;
 M-magnetyzacja magnetyka.
Magnes neodymowy
Magnes trwały
Magnesy izotropowe i anizotropowe
Maksymalna gęstość energii
Maksymalna temperatura pracy
Materiał magnetycznie twardy i magnetycznie miękki
Mechanizmy koercji
Moment magnetyczny
N
Namagnesowanie nasycenia
Namagnesowanie nasycenia (polaryzacja magnetyczna nasycenia) Js jest maksymalną wartością polaryzacji magnetycznej J, uzyskiwaną gdy wzrastające natężenie zewnętrznego, magnesującego pola H osiąga lub przekracza wartość natężenia pola nasycenia Hs (dalsze zwiększanie natężenia pola nie powoduje zauważalnego wzrostu stanu namagnesowania).
Nasycenie magnetyczne
Natężenie pola magnetycznego H
Nd2Fe14B
O
Obwód magnetyczny
Punkt pracy magnesu można podnieść wyżej magnesując magnes razem z obwodem magnetycznym. Obwód magnetyczny niejako „przedłuża” magnes dlatego punkt pracy ustala się wyżej.
Obwód magnetyczny jest wykonany z materiału twardego magnetycznie, czyli magnesu i materiału miękkiego magnetycznie, czyli najczęściej żelaznej blachy. Klasyczny obwód magnetyczny ma kształt litery C. Jest to obwód magnetyczny zamknięty. Sam magnes też jest obwodem magnetycznym, tylko otwartym. Samo przyłożenie magnesu do blachy to stworzenie obwodu magnetycznego, tylko nie zamkniętego. Po takim przyłożeniu magnesu do blachy punkt pracy magnesu nie zmienia się. Jeżeli namagnesujemy magnes razem z blachą i wyjmiemy razem z blachą z magneśnicy, to punkt pracy dla magnesu będzie wyższy. Magnes będzie trzymał się blachy z większą siłą. Jeżeli oderwiemy magnes od tej blachy i przyłożymy go po raz drugi, to siła z jaką będzie się trzymał magnes blachy będzie mniejsza ponieważ magnes rozmagnesował się własnym polem i punkt pracy ustalił się niżej.

Przykład obwodu magnetycznego ze szczeliną składający się z magnesu (kolor szary)
i nabiegunników wykonanych z materiału miękkiego magnetycznie (kolor niebieski).
Pole magnetyczne w szczelinie oblicza się ze wzoru:
gdzie:        m0– przenikalność próżni
Vm – objętość magnesu
Vs – objętość szczeliny
B×H – gęstość energii magnesu w punkcie pracy
 
Odmagnesowywanie się magnesu własnym polem i ustalanie się punktu pracy dla magnesu nie jest niczym nadzwyczajnym, jest to naturalne zjawisko fizyczne, właściwe dla wszystkich magnesów stałych, zbadane dawno temu, nie wywołujące niezdrowych emocji ponieważ nie przebiega w dłuższym okresie czasu tylko zdarza się jednorazowo tuż po namagnesowaniu magnesu.
Kształt magnesu ma także wpływ na wytrzymałość temperaturową magnesu.
Oś łatwego namagnesowania
P
Paramagnetyk

Paramagnetyk (materiał paramagnetyczny) jest to materiał, w którym bez zewnętrznego pola magnetycznego nie występuje uporządkowanie momentów magnetycznych poszczególnych atomów (momenty magnetyczne zorientowane są przypadkowo i nie tworzą samoistnie struktury domenowej).

Pętla histerezy magnetycznej
Podstawowe parametry magnetyczne
Polaryzacja magnetyczna J
Pole magnetyczne
Pole nasycenia Hs
Pole odmagnesowania krytyczne Hkr
Przenikalność powrotu (rewersyjna) mr
Punkt pracy
R
Remanencja Br

Remanencja Br (indukcja remanencji, indukcja szczątkowa, strumień resztkowy, pozostałość magnetyczna) jest wartością indukcji magnetycznej, jaką osiąga materiał magnetyczny namagnesowany do nasycenia (Bs), po usunięciu pól magnesujących (H; -H). Praktycznie stan bliski remanencji uzyskuje się w magnesie, po umieszczeniu go w zamkniętym obwodzie magnetycznym wykonanym z materiałów o najwyższej indukcji nasycenia Bs, na przykład z żelaza armco czy stopów kobaltu.

 

 

 

Remanencja polaryzacji Jr
S
Siła koercji

Siła koercji patrz: koercja

T
Temperatura Curie (Tc)

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.

Trwałość magnesów w czasie
U
Układy jednostek
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
 
Użytkowe własności magnesów
W
Własności magnetyczne materiału
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.
koer
Współczynnik odmagnesowania N
Współczynniki temperaturowe TK(Br) i TK(jHc)
Z
Ziemie rzadkie (metale ziem rzadkich)
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).

Informacje kontaktowe

Copyright © 2005 - 2023 ENES MAGNESY PAWEŁ ZIENTEK Sp. k. ROK. ZAŁ. 1997 Wszelkie prawa zastrzeżone