O MAGNETECH   >   Pojmy v magnetismu


Základní pojmy

Magneticky tvrdý materiál

Pro trvalé magnety se používají materiály, označované souhrnně termínem "magneticky tvrdé materiály". Jejich základní magnetickou vlastností je schopnost zachovat značnou magnetickou polarizaci J i po ukončení působení vnějšího magnetického pole. Celková magnetická indukce B v materiálu je dána vztahem

B = mo . H + J
(1)


kde: H je intenzita magnetického pole [ A/m ]
B je magnetická indukce [ T ]
J je magnetická polarizace [ T ]
mo je permeabilita vakua (4p. 10-7 Tm/A)


Velikost polarizace je úměrná velikosti magnetického pole:

J = mo . (mr - 1) . H
(2)


kde mr je relativní permeabilita

Vztah (1) je pak možno alternativně zapsat ve tvaru

B = mo . mr . H
(3)

Hysterezní křivka

Hysterezní křivka
Závislosti J (H) resp. B (H) podle vztahů (2) resp. (3) charakterizují magneticky tvrdý materiál. Úplný průběh závislosti od -Hmax do +Hmax a zpět se nazývá hysterezní smyčka. Je odrazem změn uspořádání magnetických domén (Weissovy domény) v materiálu. Rozeznáváme v zásadě dva druhy těchto změn : posun doménových stěn a rotaci vektorů magnetizace. Zatímco první mechanismus se uplatňuje zejména v oblasti nižších polí, druhý je významný v oblasti nasycení. Na obr.1 jsou vidět příklady obou typů hysterezní křivky. Liší se od sebe o aditivní složku mo.H ze vztahu (1). Závislost B(H) se častěji využívá v technické praxi, závislost J(H) slouží spíše v oblasti materiálového výzkumu.

Charakteristické parametry magnetu

Trvalý magnet je zpravidla charakterizován těmito základními parametry : koercivitou Hc remanencí Bra maximálním součinem (BH)max.

Koercivita Hc [ A/m ] je taková intenzita mag. pole, která působí proti směru spontánní magnetizace, až dosáhne celkové indukce v materiálu B = 0 . Parametr Hc je mírou odolnosti magnetu proti odmagnetování (vnějším polem i vlastní demagnetizací). Remanence Br [ T ] je hodnota mag. indukce, která se ustálí po zmagnetování v  uzavřeném obvodu magnetu bez působení vnějšího magnetického pole. Z obr. 1 vyplývá, že zatímco parametr Br je pro oba typy křivek B(H), J(H) shodný, neplatí totéž pro parametr Hc . Proto rozlišujeme koercivitu HcJ a koercivitu HcB. Maximální součin (BH)max [  kJ/m3 ] (někdy též nazývaný maximální energetický součin) je úměrný magnetické energii, uložené v magnetu optimálního tvaru. Parametr (BH)max odpovídá interakční síle magnetu vůči jiným feromagnetickým předmětům (nejčastěji železe).

Veličina Jednotka Převod
SI cgs
Intenzita mag. pole H A/m Oersted (Oe) 1 A/m = 12,57.10E-3 Oe
1 kA/m = 12,57 Oe
Magnetická indukce B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 1 Vs/m2 = 10E4 G
1 mT = 10 G
Magnetická polarizace J Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 10E4 G
1 mT = 10 G
Magnetický tok F Weber (Wb) Maxwell (Mx) 1 Wb = 1 Vs = 10E8 Mx
1 mWb = 10E 5 Mx
Hustota mag. energie w J/m3 G.Oe 1 J/m3 = 1 Vs/m2.
1 A/m = 1 T.A/m
1 J/m3 = 0,1257.E3 GOe
1 kJ/m3 = 0,1257.E6 GOe
Permeabilita vakua m0 T / (A/m) G / Oe m0 = 1,257.E-6 T / (A/m)
      = 1,257.E-6 Vs / (Am)
      = 1 G/Oe


Magnetický obvod

Trvalý magnet se často používá v magnetickém obvodu, složeném z magnetu a z pólových nástavců z magneticky měkkého materiálu, nejčastěji železa. Dosahuje se tím optimálního tvarování pólů a vzduchové mezery.

Výpočet složeného magnetického obvodu je značně komplikovaný. Vychází z aplikace Biot-Savartova zákona a zákona zachování magnetického toku. V případě obvodu na obr.3 je možno výše uvedené zákony přepsat na rovnice

Hm . lm = g . Hg .lg
(4)


Bm . Am = s . Bg .Ag
(5)


Magnetický obvod
kde: Hm, Bm je intenzita pole resp. indukce v magnetu
lm, Am je délka resp. průřez magnetu
Hg, Bg je intenzita pole resp. indukce v mezeře
lg, Ag je délka resp. průřez mezery
g je koeficient reluktance
s je koeficient úniku


Koeficient g vyjadřuje magnetický odpor všech magneticky měkkých a nemagnetických částí obvodu (např. styčných ploch). V případě kvalitního obvodu se jeho hodnota blíží 1. Pro určení koeficientu s , který vyjadřuje míru úniku mag. toku z mezery, nejsou k dispozici přesné analytické metody výpočtu. Zpravidla se postupuje numerickými metodami, při kterých se obvod rozdělí na množství oblastí s různými pracovními body.



Demagnetizace

Jak už název napovídá, jedná se o proces, při kterém se snižuje celková magnetická polarizace v magnetu. Může se tak stát působením vnějšího mag. pole opačného směru ke směru polarizace. Tento proces se nazývá odmagnetování. Kromě toho je však každý magnet podroben působení vnitřního demagnetizačního pole Hd, jehož vznik souvisí s principem snižováním jeho vnitřní energie. Velikost Hdje dáno vztahem :

Hd = - Kd . J / mo
(3)


kde Kd je demagnetizační faktor

Faktor Kd závisí na tvaru magnetu a směru magnetování a jeho přesný výpočet je v obecném případě komplikovaný. Jednoduchý vzorec platí pouze pro rotační elipsoid, který se však v praxi nevyskytuje. Proto se využívá tabulkových hodnot nebo různých matematických aproximací. Obecně platí, že čím je větší poměr rozměru magnetu ve směru magnetování vůči jeho kolmým rozměrům (někdy nazývaný poměrem štíhlosti magnetu), tím menší je jeho demagnetizační faktor. Závislost má charakter hyperboly, tj zmenšení poměru na polovinu např. může znamenat zmenšení Kd o desetinu, ale také desetkrát.

Způsoby magnetování

Aby trvalý magnet plnil svoji funkci, je nutno jej po vyrobení zmagnetovat. Intenzita magnetovacího pole by měla dosáhnout minimálně 3-násobku koercivity daného materiálu. Materiály s menší hodnotou Hc lze magnetovat až po sestavení celého obvodu. Tím lze totiž dosáhnout optimalizaci pracovního bodu magnetu.

Magnety s velkou koercivitou je snazší magnetovat samostatně, protože není nutno konstruovat speciální přípravky a eliminovat síly, které při magnetování vznikají.

Pro magnetování trvalých magnetů se používají většinou speciální magnetizéry na principu elektromagnetu, jehož cívky jsou napájeny pulzním proudem velké hodnoty, získané vybitím baterie kondenzátorů nebo ze speciálně navrženého pulzního zdroje.

Někdy je potřeba, aby všechny magnety série měly shodně nastaveny pracovní bod . Toho se dosahuje opakovaným působením vzrůstajícího mag. pole opačné polarity k magnetovacímu poli po zmagnetování. Velikost tohoto odmagnetovacího pole je závislá na skutečně měřené poloze prac. bodu magnetu v přestávkách odmagnetování.

Teplotní a časová charakteristika

Teplotní a časová charakteristika

Curieova teplota

Magnetizace veškerých feromagnetických materiálů se vzrůstající teplotou klesá až k nule, totéž platí i pro trvalé magnety. Teplotní závislost je charakterizována tzv. Curieovou teplotou Tc, která je průsečíkem směrnice sestupné části křivky s teplotní osou (obr. 4). Při použití trvalých magnetů je třeba dbát na to, aby se pracovní teplota nepřiblížila Tc , bezpečná vzdálenost je cca do 0,4 násobku Tc.

Termokompenzační slitiny

Teplotní závislosti parametrů magnetů se nelze vyhnout. Při použití ve složených magnetických obvodech lze tuto nepříjemnou vlastnost odstranit použitím termokompenzačního magnetického shuntu, umístěného paralelně ke vzduchové mezeře magnetu. Termokompenzační slitiny mají strmě klesající charakteristiku J (T). Při vzrůstající teplotě je mag. tok shuntem vytlačován do vzduchové mezery a kompenzuje tak úbytek toku vlivem teplotní charakteristiky vlastního magnetu.

Nevratné změny

Teplotní a časové změny magnetizace jsou dílem vratné a dílem nevratné. Nevratné změny mají svůj původ v mikrostruktuře a mechanismu magnetování materiálu. Vlivem času a teploty dochází k relaxačním pochodům, které vedou ke snížení vnitřní energie. Makroskopicky se tyto změny projevují snížením magnetizace, případně dalších parametrů magnetu. Pokles je však většinou nevýznamný. Tam, kde je potřeba velké časové stálosti vlastností , je magnet podroben umělému stárnutí, příp. teplotní stabilizaci (střídáním teplot). Před závěrečným magnetováním je pak magnet vystaven působení střídavého magnetického pole s klesající amplitudou.

KDE NÁS NAJDETE?

ABC MAGNET s.r.o.
Areál Big box, hala B10
Ve Žlíbku 1800
193 00  PRAHA 9 - Horní Počernice