Materiale Magnetice

4.1 Materiale magnetice

După cum se cunoaşte, există două tipuri de magnetizaţie, permanentă (existentă în stare pură în natură) şi temporară (dependentă de existanţa unui câmp magnetic exterior).

Relaţia de mai sus este valabilă pentru medii liniare, omogene şi izotrope, constanta (adimensională) care apare fiind denumită susceptibilitate sau susceptivitate magnetică.

Pentru medii neliniare, această mărime este funcţie de intensitatea câmpului magnetic.

În cazul materialelor anizotrope, mărimea respectivă devine un tensor.

Altfel spus, pentru materialele anizotrope, magnetizaţia temporară este dependentă de direcţia pe de aplicare a câmpului magnetic. De exemplu, poate apărea o magnetizaţie pe o anume direcţie (de exemplu x în coordonate carteziene) deşi câmpul este aplicat pe direcţia z.

În funcţie de mărimea susceptivităţii magnetice, materialele magnetice se pot împărţi în diamagnetice, paramagnetice, feromagnetice, ferimagnetice şi antiferomagnetice.

4.1.1 Materialele diamagnetice au susceptivitatea magnetică foarte mică şi negativă, de ordinul 10 –3 – 10 –5 . În consecinţă, permeabilitatea magnetică  a acestor materiale este mai mică decât cea a vidului, dar rămâne foarte apropiată de aceasta.

Exemple: argint, cupru, zinc. sulf, fosfor, siliciu.

Acest gen de materiale sunt respinse atunci când sunt introduse într-un câmp magnetic.

4.1.2 Materialele paramagnetice se caracterizează printr-o susceptivitate magnetică foarte mică, dar pozitivă, de ordinul 10 –3 – 10 –5 . Permeabilitatea lor magnetică este supraunitară, dar rămâne totuşi apropiată de unitate.

Acest gen de materiale sunt atrase atunci când sunt introduse într-un câmp magnetic mai intens.

Exemple: oxigen, oxid de azot, seleniu, titan, vanadiu, crom, mangan, pământuri rare.

4.1.3 Materialele feromagnetice sunt acele materiale la care susceptivitatea magnetică (şi deci şi permeabilitatea) nu mai sunt constante, depinzând de intensitatea câmpului magnetic stabilit în interiorul lor şi are valori mult mai mari decât la materialele magnetice liniare. La foarte multe materiale utilizate azi în tehnică,  = (10 4 – 10 5 ) o .

De asemenea, permeabilitatea magnetică a acestor materiale nu depinde doar de factorii fizici de mediu şi de structură dar şi, paradoxal, de procesul tehnologic de obţinere a acestor materiale precum şi de antecedentele (istoria trecută) stării de magnetizare a corpului.

La materialele feromagnetice, dependenţa reciprocă a inducţiei magnetice B şi a intensităţii câmpului magnetic H are forma unui aşa-numit ciclu de histerezis, prezentat în figura de mai sus.

Presupunând iniţial materialul nemagnetizat ( H = 0 ), la aplicarea unui câmp magnetic de direcţie constantă a cărei intensitate creşte progresiv, se poate observa că inducţia magnetică creşte, urmând ramura OABC care este denumită curbă de primă magnetizare. Pe această curbă există o primă porţiune OA, neliniară, dar de lungime mică, o porţiune AB liniară, iar apoi o porţiune BC puternic neliniară şi de dimensiune ceva mai mare.

Dacă la o anumită valoare H1 câmpul magnetic începe să descrească, inducţia scade şi ea, dar de aşa manieră încât atunci când valoarea intensităţii câmpului magnetic devine nulă, inducţia magnetică B nu se anulează. Valoarea rămasă a acesteia se numeşte inducţie remanentă (Br). Pentru anularea acestei valori trebuie aplicat în sens invers un câmp magnetic denumit coercitiv Hc .

Dacă se variază în continuare ciclic intensitatea câmpului magnetic, se descrie curba denumită ciclu de histerezis.

Forma şi aria acestui acestui ciclu este importantă deoarece se arată că această arie es6te direct proporţională cu energia necesară parcurgerii stărilor succesive de magnetizare ce alcătuiesc punctele ciclului (teorema lui Warburg). Energia se dezvoltă în corp sub formă de căldură.

La un acelaşi corp, aria ciclului de histerezis este cu atât mai mare cu cât este mai mare valoarea câmpului ce corespunde punctului maxim ( C1 ) al ciclului. Ciclul cel mai larg de histerezis corespunde unui punct C, dincolo de care materialul se găseşte în stare de saturare magnetică, inducţia magnetică variind liniar şi foarte lent cu intensitatea câmpului magnetic. Altfel zis, la saturaţie, la o creştere a câmpului magnetic, nu se mai înregistrează practic o creştere a inducţiei magnetice.

După forma şi mărimea ciclului de histerezis, materialele se împart în două mari categorii: moi şi dure.

Materialele magnetic moi sunt acele materiale care feromagnetice care se pot magnetiza şi demagnetiza relativ uşor, având în vedere valoarea relativ redusă a câmpului coercitiv şi deci un ciclu de histerezis îngust, inducţia magnetică având totuşi valori ridicate.

Din punctul de vedere al proprietăţilor, aceste materiale au permeabilitatea magnetică destul de ridicată şi pierderile prin magnetizare relativ reduse.

La acest tip de materiale, în practică se utilizează curba tehnică de magnetizare, trasată ca loc geometric al vârfurilor ciclurilor de histerezis, corespunzătoare diferitelor valori maxime ale intensităţii câmpului magnetic aplicat (figura 2).

Din categoria materialelor magnetic moi fac parte fierul tehnic, fonta, oţelul, aliajele de Fe-Si, Fe-Ni, Fe-Co cu eventuale adaosuri.

Deoarece pierderile de putere necesare magnetizării sunt mici, materialele magnetic moi se utilizează, în electrotehnică, în special la realizarea circuitului magnetic (miezurilor magnetice) al maşinilor, aparatelor şi transformatoarelor electrice.

Materialele magnetic dure se caracterizează prin faptul că ciclul lor de histerezis este larg, ele magnetizându-se şi demagnetizându-se foarte greu şi avînd un câmp magnetic coercitiv foarte mare (inducţia remanentă, deşi mai mică, fiind însă comparabilă cu cea a materialelor magnetic moi). Din acest motiv, aceste materiale sunt utilizate la fabricarea magneţilor permanenţi, aceştia având o utilizare largă : inductoare ale generatoarelor de medie şi mică putere, elemente de excitaţie ale ale micromaşinilor electrice, elemente componente de bază în unele dispozitive de prindere şi ridicare a greutăţilor metalice, în echipamente electronice, în construcţia unor aparate de măsurat.

Din categoria acestor materiale fac parte unele oţeluri aliate şi oţeluri-carbon, diferite aliaje pe bază de Fe-Ni-Al , V-Cr sau metale preţioase.

La baza explicării fenomenului de magnetizare stă momentul magnetic de spin. Astfel, mişcarea electronului pe orbită în jurul nucleului (asemeni unui curent electric) produce un câmp magnetic propriu al atomului. La unele materiale (printre care preponderent fierul, nichelul şi cobaltul precum şi aliajele acestora) momentul magnetic de spin este mult mai mare decât la altele, astfel că şi fenomenele legate de magnetizarea propriu-zisă sunt mai importante.

Procesul de magnetizare poate fi explicat prin existenţa unei magnetizări spontane în interiorul unor domenii în care este împărţit materialul. Pe ansamblu însă materialul apare ca fiind nemagnetizat, datorită orientării haotice a a magnetizaţiei din interiorul domeniilor. Atunci când este introdus într-un câmp magnetic, materialul se magnetizează prin reorientarea magnetizaţiei în sensul cîmpului aplicat, pe de o parte, şi, pe de altă parte, datorită măririi volumului domeniilor cu magnetizarea orientată în sensul câmpului, în detrimentul celor cu magnetizaţia orientată altfel. În figura de mai jos este prezentată evoluţia unui eşantion dintr-un astfel de material, pe măsură ce câmpul magnetic creşte progresiv, într-o anume direcţie.

Curba prezentată mai sus, identică cu porţiunea OABC1 din figura 1 este curba de primă magnetizare a materialului. Se observă cum, pe măsură ce creşte intensitatea câmpului magnetic, domeniile cu magnetizaţia orientată în sensul câmpului îşi măresc volumul iar magnetizaţia din interiorul domeniilor (marcată prin săgeată) îşi schimbă orientarea până la o aproximativă coincidenţă cu câmpul aplicat.

4.1.4 Materialele ferimagnetice (ferite) au proprietăţi comparabile cu cele ale materialelor foromagnetice, dar se deosebesc de acestea printr-un pronunţat caracter semiconductor.

Feritele sunt de regulă compuşi ai unor metale bivalente cu oxidul de fier. Ele se realizează atât ca materiale magnetic moi (feritele de zinc, cadmiu, mangan, magneziu, etc) dar şi ca materiale magnetic dure (bariu, cobalt, plumb).

Deoarece conductivitatea lor este mică în comparaţie cu materialele feromagnetice, la ferite, pierderile prin curenţi turbionari devin neglijabile. (Curenţii turbionari sunt acei curenţi care apar în miezurile magnetice ca urmare a inducerii în acestea a unor tensiuni electromotoare, în condiţiile unei variaţii în timp a fluxului magnetic – legea inducţiei electromagnetice). Din acest motiv, feritele pot substitui materialele feromagnetice în construcţia miezurilor micromaşinilor electrice. Ele sunt singurele materiale utilizate în construcţia unor echipamente care lucrează în înalta frecvenţă: antenele magnetice ale releelor, capetele magnetice de înregistrare, bobine de şoc şi de inductanţă, generatoare de impuls, multiplicatoare de frecvenţă, etc.

Un neajuns al feritelor îl constituie sensibilitatea lor mare în raport cu temperatura.

În cazul feritelor, în locul unei singure reţele cristaline (ca la materialele feromagnetice), există două subreţele, cu momentele magnetice orientate antiparalel. Magnetizaţiile spontane ale subreţelelor se compensează parţial, rezultând o magnetizaţie nenulă, dar mai mică decât la substanţele feromagnetice.