Лекция Феромагнитни материали. Основни свойства и приложения

• 
  Запис и обработка на данни
  
• 
  Генериране на електрическа енергия
  
• 
  Телекомуникации
  
• 
  Преобразователи (актуатори и синсори) в интелигентни системи
  

Поради доменната си структура феромагнетиците са силно нелинейни, с ярко изразени хистерезисни зависимости. Подобно на пиезоелектриците, те могат да се разглеждат в линейно приближение и да се получат пиезомагнитни съотношения подобни на пиезоелектричните. Основните приложения на фероелектриците, обаче са в нелинеен режим и затова ще се интересуваме главно от нелинейните модели.

Първата теория за феромагнетизма е била постулирана от Пиер Вайс през 1907 г. базираща се на две основни хипотези:

• 
  Феромагнитните материали съдържат домени, в които магнитните моменти са подредени в една посока така че да има спонтанна намагнитеност М.
  
• 
  Подреждането на магнитните моменти в домените се дължи на локално магнитно поле Н, което е пропорционално на намагнитеноста т.е. Н=αМ
  

Първата теория на Вайс е била феноменологична и макроскопична. За да се обясни феромагнитезма на микроскопично ниво е необходимо да се приложи квантовата механика. Наличието на магнитен момент в атомите на магнитните материали, както са показали Паули и Дирак, се дължи на два квантовомеханични фактора:

1. 
   Съществуването на магнитен момент (спин) на електрона, който може да има две положения-нагоре и надолу.
   
2. 
   Съществуването на магнитен момент на ядрото, който се дължи на движението на електроните в орбита около ядрото както е показано на фиг.1.
   

фиг.1 Орбитален магнитен момент на ядрото и спинов магнитен момент на електрона

Видяхме че минимизирането на обменната енергия подрежда моментите в една посока на близки разстояния. Общата магнитна енергия се състои от три компонента:

• 
  Обменна енергия
  
• 
  Магнитостатична енергия
  
• 
  Магнитокристална енергия
  

Фиг.2 (a) Единичен домен с максимална магнитостатична енергия при напълно магнетизиран монокристал (b) Два вида домени (180⁰ домени и 90⁰ домени) подредени да минимизират магнитостатичната енергия в демагнетизиран материал.

На фиг. 2 са представени доменните структури за напълно магнетизирано (а) и немагнетизирано състояние (б). При немагнетизирано състояние възникват съседни домени с противоположна намагнитеноста (180⁰ домени), които минимизират магнитостатичната енергия. Те са разделени с преходни области наречени доменни стени. Освен това възникват 90⁰ домени, които затварят пътя на магнитния поток. Както и при фероелектриците тези домени реагират на механични сили в посока на полето.

Закон на Кюри-Вайс

Над определена критична температура, наречена температура на Кюри Т_С, феромагнитните материали преминават в парамагнитна фаза, понеже топлинната енергия става достатъчно голяма за да разруши структурите с подредени в една посока магнитни моменти. Магнитната възприемчивост на материала определя как намагнитеноста М расте с приложеното могнитно поле Н и се дава от отношението:

χ= М/Н (1)

Намагнитеноста на материала се определя като магнитния момент на единица обем или на единица маса и зависи от магнитните диполи на атомите на материала и от тяхното взаимодействие.

Над точката на Кюри възприемчивоста на материала се променя тъй като материала преминава в парамагнитна фаза и се дава от следната формула на Вайс:

Възприемчивоста нараства когато температурата намалява и достига максимум в точката на Кюри както се вижда от (2). Това е представено графично на фиг. 3 за никел. Експериментално е установено, че под точката на Кюри намагнитеноста намалява с температурата и достига нула в точката на Кюри тъй като материалът преминава в парамагнитна фаза. Това съответства на фазов преход от втори род, както е показано на фиг.4 за никел.

фиг.3 Възприемчивост над точката на Кюри

Феромагнетиците имат вътрешна анизотропия, която се проявява в промяна на вътрешната енергия в различни направления на измерване на намагнитеноста, и външна или индуцирана анизотропия, която се проявява в различна деформация поради магнитноеластични взаимодействия. Монокристалите като никел имат пренебрежима изотропия и се считат за изотропни. При други материали като желязо и Terfenol-D анизотропията е съществена и трябва да се отчита в моделите. При поликристалните материали анизотропията се усреднява , което води до изотропия в обема.

Има разлика в енергиите на намагнетизиране в направление на лесна ос и в направление на трудна ос, която се определя от разликата в площите под съответните (М, Н) криви на фиг.5. Тази енергия, която се дължи на взаимодействие на магнитните моменти с кристалната решетка ще наричаме магнитокристална или енергия на анизотропията.

Фиг.4 Намагнитеност от температурата при TC

Фиг.5 Различна намагнитеност в направления на лесна и трудна ос

На фиг.6 са показани едноосната ориентация на магнитните моменти в кобалт, който има хексагонална структура и в желязо, което има кубична структура. Показани са също съответните доменни структури, които минимизират магнитокристалната енергия.

Количествено магнитокристалната енергия се определя от работата необходима да се се завърти намагнитеноста на определен ъгъл ф спрямо лесната ос:

За кубичен кристал магнитокристалната енергия се дава от формулата:

където θ_i са ъглите между намагнитването и осите на кристала, а α_i са съответните косинус директории. Вижда се че магнитокристалната енергия се минимизира когато се образуват домени насочени по лесните кристалографски оси.

Фиг.6 (а) Кристалографско насочване на магнитните моменти

(в) съответни доменни структури

Магнитокристалната енергията е важна понеже чрез нея се определя дебелината на доменните стени, като баланс между обменната и магнитокристалната енергия. Обменната енергия се стреми да направи стените по-дебели понеже успоредните моменти са енергетически изгодни, докато магнитокристалната енергията намалява дебелината на стените понеже тази енергия е минимална когато моментите са насочени по лесната ос.

На фиг.7 са сравнени доменни стени за (а) феромагнитен и (b) фероелектричен материал.

Фиг. 7 Доменни стени за (а) феромагнитен и (b) фероелектричен материал

Магнитния хистерезис е важно свайства на феромагнитите и се отнася до необратимоста в процесите на намагнитване и размагнитване на материала. Основните процеси в хистерезиса се обяснават с движение, промяна и въртене на домените.

Фиг.8 Хистерезисна крива за феромагнитни материали

Ако един размагнитен феромагнетик се постави в магнитно поле домените, които са насочени в направление на полето ща нарастват за сметка на останалите домени, които се свиват. Това нарастване става чрез движение стените на домените. Първоначално, при слабо външно поле нарастването е обратимо т.е. няма хистерезис.Когато доменните стени се разширяват те срещат дефекти в кристалната структура, които имат магнитостатична енергия. За да се минимизира локалната магнетостатична енергия доменът образува затворена структура около дефекта, която го фиксира в локален енергетичен минимум и не му позволява да се движи повече. Доменът може само да се разтяга и да се деформира. При отстраняване на външното поле домените остават заковани от дефектите в кристала и материалът остава постоянно намагнитен. Ако полето продължи да нараства доменната стена се откъсва рязко от задържащият я дефект и продължава да се движи свободно. При това намагнитеноста нараства със скок и евентуално може да се чуе пукане. Това е ефекта на Баркхаузен. Когато полето Н нараства се образува монодомен насочен по лесна ос, която евентуално се отличава от посоката на външното поле. Ако полето още се увеличи то завърта посоката на монодомена от направление на лесна ос в направление на полето. Достига се положение на пълно насищане на намагнитеноста В_s, която повече не може да нараства. При изключване на външното поле монодомена ще се завърти по посока на лесна ос, а магнитостатичното поле ще разруши монодомена като се образуват и домени с обратна насоченост. Това поле обаче е недостатъчно за да могат движещите се доменни стени да преодолеят задържащото действие на кристалните дефекти затова материалът остава намагнитен с остатъчна намагнитеност B_r. Необходимо е прилагането на обратно поле, което да нулира намагнитеноста. Това поле се нарича коерцитивно магнитно поле Н_с. Хистерезисните процеси са представени графично на фиг. 8.

Магнитострикционни материали

В магнитострикционните материали съществува силно магнитоеластично взаимодействие. Това са феромагнитни материали със голяма магнитокристална анизотропия и много силни спин-орбитални взаимодействия. В обикновенните феромагнетици доминират спин-спиновите взаимодействия. Спиновите взаимодействия не зависят от кристалната решетка докато орбитата е силно свързана с решетката. По тази причина приложеното външно магнитно поле завърта спиновете, които поради силното спин-орбитално взаимодействие завъртат орбиталните моменти и магнитострикционния материал се деформира. Тази деформация минимизира магнитокристалната енергия. Редкоземните елементи имат силно спин-орбитално взаимодействие. Най-рaзпространеният магнитострикционен материал (Terfenol-D) е сплав от три елемента-тербии, диспрозии и желязо както следва: Tb_0.3Dy_0.7Fe_1.9.

Основните предимства на магнитострикционните материали са: голяма относителна деформация (магнитострикция) 0.2%; генерират големи сили

500-600МРа; добро бързодействие 10^-6 сек.; възможност за безконтактно подаване на енергия; нисък импеданс и съответно ниско захранващо напрежение. Недостатъци са: скъпи материали; податливи на корозия; загряване на намотките; индуциране токове на Фуко при високи честоти.

Магнитострикцията е резултат от въртене на малки магнитни домени, което предизвиква вътрешни деформации в материала. Тези деформации се сумират и водят до разтягане в посока на магнитното поле. При нарастване на полето все повече домени се завъртат в посока на полето и деформацията нараства докато всички домени се ориентират и се достига насищане. Ако полето смени посоката домените сменят посоката, но резултата отново е в разтягане на материала. Концепцията на магнитострикционния ефект е представена схематично на фиг.9., където е показана магнитострикционната деформация S=Δl/l като функция на полето Н=nI, където n е броя на намотките в соленоида, а I е токът през соленоида. Вижда се че ефектът е квадратичен понеже и двете посоки на тока (полето) води до положително разтягане. Така механичното разтягане е на удвоената честота на входния ток. Това може да се избегне ако се използва постоянна компонента на магнитното поле Н₀ от постоянен магнит или от втора намотка с постоянен ток. Магнитострикционните материали имат слаб хистерезис, който обаче трябва да се отчита в някои приложения, примерно при точно позициониране. В линейно приближение, подобно на пиезоелектриците, зависимостите на деформацията S и магнитната индукция B като функции на магнитното поле H и на механичната сила σ се дават от следните, в общия случай тензорни, зависимости:

(5)

Фиг. 9 Магнитострикционна деформация като функция на магнитното поле Н

Където μ^σ е възприемчивост при постоянна сила, s^H е еластичен модул (обратен модул на Юнг) при постоянно поле. От линейните зависимости (5) може да се направи оценка за правия магнитострикционен ефект, наричан ефект на Джаул, и на обратния ефект , наричан ефект на Вилари. Правият ефект се използва за превръщане на електричната енергия в механична и се използва за направа на актуатори. От първото уравнение (5) при липса на външна сила (σ=0) получаваме за правия ефект на Джаул:

(6)

където N е брой намотки на дължина l.

При ефекта на Вилари механичната енергия се превръща в електрична и се използва за направата на механични сенсори. От второто уравнение (5) при липса на външно магнитно поле (Н=0) получаваме:

(7)

Ако искаме да измерим синусоидална механична сила F=F₀sinωt, действаща върху магнитострикционна пръчка за напрежението V в намотката, ндуцирано от магнитен поток ф имаме:

Вижда се че чувствителноста на измерваното напрежение е пропорционална на броя намотки на единица дължина n и на обема на пръчката (Axl).

Магнитострикционните материали могат да се използват също за превръщане на механична сила в ток, вместо в напрежение. В този случай изхода на намотката е на късо или върху малък импеданс така че от второто уравнение в (5), при В=0, получаваме:

(9)

Подобно на пиезоелектриците може да се въведе мярка за ефективноста на превръщане на електричната енергия в механична, наречена електромеханичен фактор к, дефиниран както следва:

Основните химични елементи с феромагнитни свойства са желязо и никел, с кубична структура, и кобалт с хексагонална структура. В таблицата са сравнени някои магнитни материали според следните параметри: магнитна индукция на насищане В_s, която показва как се преориентират магнитните маменти при определено поле, линеен коефициент на електромеханична връзка к, температура на Кюри Т_С, еластичен модул Y, който определя твърдоста на материала и съгласуването на актуатора със средата.

Магнитнострикционните преобразователи реализират по-голяма деформация от пиезоелектрическите. Максималното преместване е пропорционално на дължината на магнитострикционната пръчка, а силата е пропорционална на сечението на пръчката. Следователно работата на актуатора, която е равна на силата по разстоянието е пропорционална на обема на материала.

• 
  Линейно позициониращо устройство. На фиг.11 е показано позициониращо устройство използвано за управление положението на ножа на резец за фино гравиране на надписи. Общият ход на преместване е 40 микрона, с разделителна способност 3 нанометра. Притискаща пружина служи за прилагане на постоянен натиск, а постоянен магнит осигурява постянно магнитно поле.
  

Фиг. 10 Позициониращо устройство

• 
  Умно крило. На фиг.11 е показано крило, чиято форма на профила може да се променя така че да се оптимизира за различни аеродинамични условия. Линейната деформация на терфеноловите ребра може да променя контролирано профила на крилото и оттам на аеродинамичните му свойства.
  

Фиг. 11 Крило с променлив профил

фиг.12 Магнитострикционна помпа

• 
  Помпа. Разработени са магнитострикционни помпи, за медицински и биологически цели, с микролитров поток на течноста. Те превръщат постъпателното действие на магнитострикционната пръчка в последователни засмуквания и изхвърляне на течноста, както е показано на фиг.12
  

• 
  Излъчвател на вибрации. Магнитострикционните излъчватели се отличават с голяма амплитуда (десетки микрони) на трептене в резонанс и намират приложение в медицината (хирургични и стоматологични инструменти), подводна акустична визуализация, системи за контрол и подтискане на шум и вибрации и т.н.
  

• 
  Сенсор на вибрации или на ускорение. За да работи феромагнитът като сенсор е необходимо да се подава както постоянно магнитно поле така и постоянна мехнична сила, с помощта на пружина или притискащ болт. Сенсорите регистрират напрежение или ток в намотката и се описват от равенства (6) или (7)
  
• 
  Сенсор на сила или налягане. При регистриране на постоянна сила или налягане σ₀ не се индуцира променлив магнитен поток, съответно не се индуцира напрежение. Затова се подава помощен променлив ток през намотката. Тогава индуцираното напрежение зависи от разликата във възприемчивоста без приложена постоянна сила и с постоянна сила както се вижда от формулата:
  

• 
  Сенсор на усукване. Конструкцията се базира на обратния ефект на Видеман, при който ако към магнитострикционен пръстен се приложи усукваща сила в намотката около пръстена се индуцира напрежение, пропорционално на силата.