O MAGNESACH   >   Pojęcia z magnetyzmu


Pojęcia podstawowe

Magnetyczny twardy materiał

Dla trwałych magnesów są stosowana materiały, oznaczane ogólnie terminem magnety se používají "magnetycznie twarde materiały". Ich podstawową właściwością magnetyczną jest zdolność zachowania znacznej polaryzacji magnetycznej J nawet po zakończeniu oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego. Całkowita indukcja magnetyczna B w materiale je dana stosunkiem

B = mo . H + J
(1)


gdzie: H to natężenie pola magnetycznego [ A/m ]
B to indukcja magnetyczna [ T ]
J to polaryzacja magnetyczna [ T ]
mo to przenikalność magnetyczna próżni (4p. 10-7 Tm/A)


Wielkość polaryzacji jest proporcjonalna wielkości pola magnetycznego:

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


gdzie mr to przenikalność magnetyczna względna

Stosunek (1) można potem alternatywnie zapisać w kształcie

B = mo . mr . H
(3)

Krzywa histerezy

Krzywa histerezy
Zależność J (H) albo raczej B (H) według stosunków (2) albo raczej (3) charakteryzują magnetyczny twardy materiał. Całkowity przebieg zależności od -Hmax do +Hmax i z powrotem nazywa się pętla histerezy. Jest odbiciem zmian uporządkowania domen magnetycznych (Domeny Weissa) w materiale. Rozróżniamy w sumie dwa rodzaje tych zmian : przesunięcie ścian domenowych i rotację wektorów magnetyzacji. Podczas gdy pierwszy mechanizm jest stosowany zwłaszcza w obszarze pól niższych, drugi jest ważny w obszarze nasycenia. Na rys.1 można widzieć przykłady obu typów krzywej histerezy. Różnią się od siebie składnikiem addytywnym (przyłączeniowym) mo.H z stosunku (1). Zależność B(H) jest częściej wykorzystywana w praktyce technicznej, zależność, J(H) służy raczej w dziedzinie badania materiałowego.

Charakterystyczne parametry magnesu

Trwały magnes jest z reguły charakteryzowany następującymi podstawowymi parametrami : koercją (natężeniem powściągającym) Hc remanencją Bra maksymalnym iloczynem (BH)max.

Koercja (natężenie powściągające) Hc [ A/m ] to takie natężenie pola magnetycznego, która działa przeciwko kierunkowi magnesowania spontanicznego, aż zostanie osiągnięta całkowita indukcja w materiale B = 0. Parametr Hc jest miarą odporności magnesu przed odmagnesowaniem odolnosti (polem zewnętrznym i własną demagnetyzacją). Remanencja Br [ T ] to mag. wartość indukcji, która zostanie ustalona po zmagnetyzowaniu w zamkniętym obwodzie magnesu bez oddziaływania zewnętrznego pola magnetycznego. Z rys. 1 wynika, że podczas gdy parametr Br jest dla obu typów krzywych B(H), J(H) zgodny, nie obowiązuje to samo dla parametru Hc. Dlatego rozróżniamy koercję (natężenie powściągające) HcJ i koercję (natężenie powściągające) HcB. Iloczyn maksymalny (BH)max [ kJ/m3 ] (czasami też zwany maksymalny iloczyn energetyczny) jest proporcjonalny energii magnetycznej, ułożonej w magnesie optymalnego kształtu. Parametr (BH)max odpowiada sile interakcyjnej magnesu wobec innym ferromagnetycznym przedmiotom (najczęściej żelazu).

Wielkość Jednostka Konwersja
SI cgs
Natężenie pola mag. H A/m Oersted (Oe) 1 A/m = 12,57.10E-3 Oe
1 kA/m = 12,57 Oe
Indukcja magnetyczna B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 1 Vs/m2 = 10E4 G
1 mT = 10 G
Polaryzacja magnetyczna J Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 10E4 G
1 mT = 10 G
Strumień magnetyczny 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
Przenikalność magnetyczna próżni m0 T / (A/m) G / Oe m0 = 1,257.E-6 T / (A/m)
      = 1,257.E-6 Vs / (Am)
      = 1 G/Oe


Obwód magnetyczny

Magnes trwały jest często używany w obwodzie magnetycznym, który składa się z magnesu i nabiegunników z magnetycznie miękkiego materiału, najczęściej z żelaza. Przez to zostanie osiągnięte maksymalne kształtowanie biegunów i szczeliny powietrznej.

Obliczenie złożonego obwodu magnetycznego jest znacznie skomplikowane. Wychodzi z aplikacji prawa Biota-Savarta i prawa zachowania strumienia magnetycznego. W wypadku obwodu na rys. 3 je wyżej podane prawa można przepisać do równań

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


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


Obwód magnetyczny
gdzie: Hm, Bm to natężenie pola albo raczej indukcja w magnesie
lm, Am to długość albo raczej przekrój magnesu
Hg, Bg to natężenie pola albo raczej indukcja w szczelinie
lg, Ag to długość albo raczej przekrój szczeliny
g to współczynnik reluktancji
s to współczynnik zaniku


Współczynnik g wyraża magnetyczny opór wszystkich magnetycznie miękkich i niemagnetycznych części obwodu (np. powierzchni styku). W wypadku jakościowego obwodu jego wartość zbliża się do 1. Aby określić współczynnik s , który wyraża miarę zaniku strumienia magnetycznego z szczeliny, nie są do dyspozycji dokładne metody analityczne obliczenia. Z reguły postępuje się metodami numerycznymi, przy których obwód zostanie rozdzielony na ilość obszarów z różnymi punktami roboczymi.



Demagnetyzacja

Jak już sama nazwa mówi, chodzi o proces, przy którym obniża się całkowita polaryzacja magnetyczna w magnecie. Tak może zostać działaniem zewn. pola magnetycznego odwrotnego kierunku do kierunku polaryzacji. Ten proces nazywa się odmagnetyzowanie. Oprócz tego owszem każdy magnes jest wystawiony na działanie wewnętrznego pola demagnetyzacyjnego Hd, którego powstanie połączone jest z zasadą obniżania jego wewnętrznej energii. Wielkość Hd jest dana stosunkiem :

Hd = - Kd . J / mo
(3)


gdzie Kd to faktor demagnetyzacyjny

Faktor Kd zależny jest od kształtu magnesu i kierunku magnesowania i jego dokładne obliczenie w ogólnym przypadku jest skomplikowane. Prosty wzór obowiązuje tylko dla rotacyjnych vzorec platí elipsoid, który owszem nie pojawia się w praktyce. Dlatego są wykorzystywane wartości tabelkowe lub różne matematyczne aproksymacje (przybliżenia). Ogólnie obowiązuje, że im większy stosunek rozmiaru magnesu w kierunku magnesowania wobec jego pionowym rozmiarom (czasami nazywany stosunek smukłości magnesu), tym mniejszy jest jego faktor demagnetyzacyjny. Zależność ma charakter hiperboli, tj. zmniejszenie stosunku na połowę np. może oznaczać zmniejszenie Kd o dziesiętną, ale także o dziesięć razy.

Sposoby magnesowania

Aby trwały magnes spełniał swoją funkcję, dla jego produkcji trzeba go koniecznie zmagnetyzować. Natężenie pola magnesowania powinno osiągnąć minimalnie 3-krotność koercji danego materiału. Materiały z mniejszą wartością Hc można magnesować aż po ustawieniu całego obwodu. Tak bowiem można osiągnąć optymalizację roboczego punktu magnesu.

Magnesy z mniejszą koercją łatwiej magnesować samodzielnie, ponieważ nie jest konieczne konstruowanie specjalnego przygotowania i eliminować siły, które powstają podczas magnesowania.

Dla magnesowania trwałych magnesów są w większości stosowane specjalne magnetyzery na zasadzie elektromagnesu, którego cewki są zasilane prądem tętniącym wielkiej wartości, uzyskane przez wyładowanie baterii kondensatorów z specjalnie zaprojektowanego źródła tętniącego.

Czasami trzeba, aby wszystkie magnesy serii miały zgodnie ustawiony punkt roboczy. Tego można osiągnąć powtarzanym działaniem rosnącego pola magnetycznego odwrotnej polaryzacji do pola magnesowania po zmagnetyzowaniu. Wielkość tego pola odmagnesowania jest zależna od rzeczywiście mierzonej pozycji punktu roboczego w przerwach odmagnesowania.

Charakterystyka temperaturowa i czasowa

Charakterystyka temperaturowa i czasowa

Temperatura Curie

Magnetyzacja wszelkich ferromagnetycznych materiałów z rosnącą temperaturą opada aż do zera, to samo obowiązuje także dla trwałych magnesów. Zależność temperaturowa jest charakteryzowana tzw. Temperaturą Curie Tc, która jest linią przecięcia wytycznej opadającej krzywej z osią temperaturową opadającej części krzywej z osią temperatury (rys. 4). Przy zastosowaniu trwałych magnesów trzeba dbać na to, by temperatura robocza nie zbliżyła się do Tc, bezpieczna odległość wynosi około do 0,4 krotności Tc.

Stop termo-kondensacyjny

Zależnościom temperaturowym parametrów magnesów nie można uniknąć. Przy zastosowaniu w skomplikowanych obwodach magnetycznych można tą nieprzyjemną właściwość usunąć z zastosowaniem termo-kompensacyjnego bocznika magnetycznego, który znajduje się paralelnie do temperaturowej szczeliny magnesu. Stopy termo-kondensacyjne mają stromo opadającą charakterystykę J (T). Przy rosnącej temperaturze jest strumień magnetyczny wyciskany przez bocznicę do szczeliny powietrznej i tak kompensuje obniżenie/spadek strumienia pod wpływem charakterystyki temperaturowej własnego magnesu.

Nieodwracalne zmiany

Zmiany temperaturowe i czasowe magnetyzacji są dziełem odwracalnym i nieodwracalnym. Nieodwracalne zmiany mają swe pochodzenie w mikrostrukturze i mechanizmie magnetyzowania materiału. Pod wpływem czasu i temperatury dochodzi do procesów relaksacyjnych, które prowadzą do obniżenia energii wewnętrznej. Makroskopowo te zmiany przejawiają się obniżeniem/spadkiem magnetyzacji, ewentualnie dalszych parametrów magnesu. W większości owszem spadek nie jest znaczący . Tam, gdzie potrzeba wielką czasową stałość/niezmienność właściwości , magnes jest poddany sztucznemu starzeniu się, ewent. stabilizacji temperaturowej (zmiana temperatur). Przed końcowym magnesowaniem jest potem magnes poddany działaniu zmiennego pola magnetycznego z opadającą/malejącą amplitudą.

GDZIE NAS MOŻNA ZNALEŹĆ?

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