MAGNETSKI MATERIJALI

1. MAGNETSKI MATERIJALI

2. Pitanja za ponavljanje • Zajedničke karakteristike i priroda feromagnetskih materijala. • Zajedničke karakteristike i priroda ferimagnetskih materijala. • Željezo (elektrolitsko, karbonilno, armko). • Alsiferi, perminvar. • -metal, radiometal. • Alni, alniko i kuniko slitine. • Histereza, krivulja prvog magnetiziranja. • Priroda magnetizma, Weissove domene, Blochove stijenke, Curieva temperatura i njena uloga kod prvog magnetiziranja.

3. MAGNETSKA SVOJSTVA MATERIJALA Magnetska svojstva materijala moguće je objasniti međudjelovanjem vanjskog magnetskog polja i magnetskih momenata atoma i molekula. Svaki kružeći elektron može se nadomjestiti ekvivalentnom malom strujnom petljom koja omeđuje površinu dS, a električna struja I petlje teče suprotno od smjera kruženja elektrona. Magnetsko polje male petlje električne struje na većoj udaljenosti jednako je polju magnetskog dipola. Magnetski moment dipola je: gdje je vektor normale na površinu dS. Rotacija električnog naboja oko vlastite osi (spin) može se smatrati graničnim slučajem strujne petlje čija površina teži nuli. Zato je elektronu pored magnetskog momenta zbog kružnog gibanja pridružen i magnetski moment zbog spina.

4. I jezgra atoma ima magnetski moment zbog spina, ali znatno manjeg iznosa od magnetskih momenata elektrona. Ukupni magnetski moment atoma ili molekule rezultanta je, po pravilima kvantne mehanike, spomenutih magnetskih momenata elektrona i jezgre. materijali dijamagnetski - bizmut, - zlato, - bakar, - srebro, - germanij, - silicij, - grafit, - aluminijev oksid, itd. paramagnetski feromagnetski Ekvivalentna mala strujna petlja antiferomagnetski ferimagnetski

5. PODJELA MATERIJALA S OBZIROM NA MAGNETSKA SVOJSTVA materijali Nije standardna podjela, ali kao odvojene vrste spominju neki izvori. Ovdje se odvojeno neće razmatrati. dijamagnetski - bizmut, - zlato, - bakar, - srebro, - germanij, - silicij, - grafit, - aluminijev oksid, itd. paramagnetski parazitski feromagnetski feromagnetski metamagnetski antiferomagnetski ferimagnetski

6. Nastanak magnetizma – atomska razina objašnjenja I jezgra atoma ima magnetski moment zbog spina, ali znatno manjeg iznosa od magnetskih momenata elektrona. Ukupni magnetski moment atoma ili molekule rezultanta je, po pravilima kvantne mehanike, spomenutih magnetskih momenata elektrona i jezgre. Magnetski dipolni moment elektrona zbog kružnog gibanja: Ekvivalentna mala strujna petlja Prisjetiti se prvog predavanja o strukturi materije!!!

7. Nastanak magnetizma – atomska razina objašnjenja Magnetsko polje može nastati: • ako kroz vodič teče električna struja, magnetsko polje nastat će zbog gibanja elektrona, • zbog orbitalnog momenta elektrona koji stvara magnetski dipol (prisjetiti se kvantnih brojeva!) • zbog spinskog magnetskog momenta elektrona Zbog Paulijevog načela isključenja dolazi do sparivanja samo suprotno orijentiranih spinova pa zatvorene podljuske i ljuske ne pokazuju nikakav magnetski moment. Prisjetiti se da Paulijevo načelo kaže da se dva elektrona ne mogu naći u istom kvantnom stanju! Popunjena ljuska ne pridonosi magnetskom polju, jer je zbroj momenata = 0! Stoga periodni sustav elemenata može pomoći pri proučavanju magnetskih svojstava materije.

8. Nastanak magnetizma – atomska razina objašnjenja Razmotrimo najvažniji (fero)magnetski materijal: Značajna karakteristika željeza je smještanje elektrona u N ljusku, prije no što je M-ljuska u cijelosti popunjena (pogledajte u 1. predavanju redosljed popunjavanja ljuski, slide 14). Šesti elektron u 3d podljusci, suprotno je orijentiran i stoga najslabije vezan za atom. Spinovi svih vodljivih elektrona međusobno su paralelni i suprotno orijentirani od spinova ostalih elektrona u 3d podljusci. Posljedica je permanentni magnetski dipol! Hundova pravila to detaljnije objašnjavaju – pronađite u Literaturi ili na web-u.

9. Dijamagnetski materijali Nemagnetski su materijali, jer svaki atom nema magnetski dioplni moment. Dijamagnetski materijali imaju male i negativne vrijednosti magnetske susceptibilnosti (npr. za bizmut -10-4). Negativna susceptibilnost znači da je indukcija magnetskog polja u materijalu manja nego da nema materijala. Kod dijamagnetskih materijala promjenjivo vanjsko magnetsko polje inducira električno polje koje ubrzava ili usporava elektron koji kruži u svojoj orbiti, u ovisnosti o vanjskom magnetskom polju tako da ukupni rezultat bude opadanje magnetskog polja. Kod dijamagnetskih materijala magnetski je moment atoma ili molekula jednak nuli kad nisu izloženi djelovanju vanjskog magnetskog polja. Narinuto vanjsko magnetsko polje u atomima ili molekulama ovih materijala inducira magnetski moment. Prolaskom kroz dijamagnetske materijale silnice magnetskog polja se šire, r < 1.

10. Paramagnetski materijali Kod paramagnetskih materijala (npr. zrak, aluminij, kromov klorid i oksid, paladij, željezni oksid, željezni klorid, itd.) međusobni utjecaj magnetskih momenata atoma je zanemariv pa su oni proizvoljno orijentirani. Djelovanjem vanjskog magnetskog polja magnetski momenti (magnetski dipoli) se zakreću u pravcu polja i materijal se magnetizira (magnetski polarizira). Pojava je istovjetna zakretanju električnih dipola dielektričnih materijala izloženih djelovanju električnog polja. Silnice magnetskog polja kontinuirano prolaze kroz kroz paramagnetske materijale,r  1.

11. Feromagnetski materijali Kod feromagnetskih materijala međusobni utjecaj magnetskih momenata susjednih atoma je takav da su oni jednakih iznosa, paralelni i istog smjera. Prolaskom kroz feromagnetske materijale silnice magnetskog polja se skupljaju, r > 1.

12. Kod dijamagnetskih materijala magnetski je moment atoma ili molekula jednak nuli kad nisu izloženi djelovanju vanjskog magnetskog polja. Narinuto vanjsko magnetsko polje u atomima ili molekulama ovih materijala inducira magnetski moment. Drugu skupinu tvore materijali čiji atomi ili molekule imaju magnetski moment različit od nule i bez vanjskog magnetskog polja. Kod paramagnetskih materijala (na primjer zrak, aluminij kromov klorid, kromov oksid, paladij, željezni oksid, željezni klorid, itd.) međusobni utjecaj magnetskih momenata atoma je zanemariv pa su oni proizvoljno orijentirani. Djelovanjem vanjskog magnetskog polja magnetski momenti (magnetski dipoli) se zakreću u pravcu polja i materijal se magnetizira (magnetski polarizira). Pojava je istovjetna zakretanju električnih dipola dielektričnih materijala izloženih djelovanju električnog polja. Kod feromagnetskih materijala međusobni utjecaj magnetskih momenata susjednih atoma je takav da su oni jednakih iznosa, paralelni i istog smjera.

13. Magnetski momenti susjednih atoma kod antiferomagnetskih materijala (na primjer manganov fluorid, manganov dioksid, manganov oksid, nikalfluorid, itd.) su jednakih iznosa, paralelni i suprotnog smjera, a kod ferimagnetskih materijala su različitog iznosa, paralelni i suprotnog smjera. Prema ovako pojednostavljenom prikazu može se zaključiti da je spontana magnetizacija kod feromagnetskih materijala izrazita, kod antiferomagnetskih je jednaka nuli, a kod ferimagnetskih je različita od nule. Treba upozoriti da se i kod atoma para, fero, antifero i feri- magnetskih materijala inducira magnetski moment, zanemarivo malog iznosa, kad na njih djeluje vanjsko magnetsko polje. Zbog toga su svi spomenuti materijali istodobno i dijamagnetski u širem značenju. Prazan prostor (vakuum) je jedino stvarno nemagnetsko sredstvo. U primjenama su posebno značajni feromagnetski i ferimagnetski materijali.

15. Makroskopska veličina koja opisuje stupanj magnetizacije materijala je vektor magnetizacije definiran omjerom vektorskog zbroja magnetskih momenata i elementarnog obujma V: Vektori jakosti magnetskog polja , magnetske indukcije (gustoće magnetskog toka) i magnetizacije povezani su relacijom: gdje je 0 permeabilnost vakuuma (0 = 410-7 H/m). Za linearne magnetske materijale, kao što su dijamagnetski (u užem značenju) i paramagnetski, između vektora magnetizacije i vektora jakosti magnetskog polja vrijedi linearna ovisnost: gdje je m magnetska susceptibilnost.

16. Uvrštavanjem slijedi: gdje je r relativna permeabilnost. Za fero, antifero i ferimagnetske materijale ovisnost između magnetske indukcije i magnetskog polja te magnetizacije i magnetskog polja nije linearna, pa im relativna permeabilnost nije konstantna.

17. FEROMAGNETSKI MATERIJALI Među feromagnetske materijale pripadaju željezo Fe, kobalt Co, nikal Ni, gadolinij Gd, disprozij Dy, terbij Tb, holmij Ho, erbij Er i njihove slitine. Od pobrojenih elemenata najizrazitija feromagnetska svojstva imaju Fe, Co, Ni i Gd (osnovni feromagnetski materijali). Feromagnetska svojstva ima slitina mangana, bakra i aluminija te slitina mangana, srebra i aluminija. Svaki feromagnetski materijal karakterizira Curieva feromagnetska temperatura Tcf. Na temperaturama nižim i višim od Tcf magnetska svojstva feromagnetskih materijala se bitno razlikuju. Na nižim temperaturama od Tcf, po klasičnom pristupu u materijalu postoje domene dimenzija 10 do 100 m. Magnetski momenti atoma u jednoj domeni (1015 i više atoma), zbog jakog međudjelovanja, usmjereni su u jednom pravcu (spontana magnetizacija). Bez narinutog vanjskog magnetskog polja magnetski momenti pojedinih domena (Weisove domene) proizvoljno su orijentirani pa je ukupna magnetiziranost materijala jednaka nuli.

18. Između susjednih domena, različito usmjerenih magnetskih momenata, postoje prijelazni slojevi debljine oko 0,1 m (Blochove stijenke). Porastom temperature, zbog termičkog gibanja atoma oko ravnotežnog položaja, slabi magnetiziranost domena. Može se smatrati da su na temperaturama bliskim Tcf domene razorene, a na još višim temperaturama feromagnetski materijal ima svojstva paramagnetskog. Curieva feromagnetska temperatura Tcf željeza je 1043C, kobalta 1393C i nikla 631 C. Neka je feromagnetski materijal na temperaturi nižoj od Tcf izložen djelovanju vanjskog magnetskog polja čija se jakost postupno povećava od nule. Pri malim jakostima narinutog magnetskog polja pomiču se granice domena, odnosno povećavaju se domene čiji magnetski momenti tvore najmanji kut s vektorom jakosti magnetskog polja. Pomak granica domena pri malim jakostima magnetskog polja je reverzibilan jer se prestankom djelovanja granice domena vraćaju u prvobitni položaj. Povećanjem jakosti magnetskog polja pomicanje granica domena se nastavlja svedok neke domene ne iščeznu. Pri ovim jakostima magnetskog polja pojave u feromagnetskom materijalu su ireverzibilne.

19. Ako se jakost magnetskog polja i dalje povećava vektori magnetizacije preostalih domena se zakreću u pravcu vektora jakosti vanjskog magnetskog polja. Konačno pri još jačim magnetskim poljima iščezavaju granice svih domena, svi su magnetski momenti u pravcu vanjskog magnetskog polja, a uzorak feromagnetskog materijala je magnetiziran do zasićenja. Opisani nelinearni proces prikazuje krivulja magnetiziranja. Uočavaju se područja krivulje magnetiziranja: OA - područje reverzibilnog pomaka granica domena, AC - područje ireverzibilnog pomaka granica domena, iznad C - područje zakretanja magnetskih momenata. Krivulja magnetiziranja

20. Valja upozoriti da je proces magnetiziranja feromagnetika prikazan neovisno o tome je li uzorak materijala monokristalične ili polikristalične strukture. Kod monokristala magnetska svojstva materijala su anizotropna pa oblik krivulje magnetiziranja ovisi i o pravcu magnetiziranja, odnosno o pravcu vanjskog magnetskog polja. Najčešće se primjenjuju materijali koji nisu monokristalične strukture. Zbog spomenutih ireverzibilnih pojava pri magnetiziranju feromagnetskog materijala nelinearna ovisnost magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja tvori petlju histereze. Remanentna magnetska indukcija Br je vrijednost za , a koercitivna jakost magnetskog polja Hc je vrijednost za . Feromagnetski materijali se po obliku petlje histereze dijele na meke i tvrde. Prvi su uske petlje histereze i male vrijednosti koercitivne jakosti magnetskog polja (Hc<800 A/m). Tvrdi imaju široku petlju histereze i veliku vrijednost koercitivne jakosti magnetskog polja. Vrijednost magnetske indukcije zasićenja je Bs.

21. Histereza magnetskih materijala

22. U području demagnetizacije na petlji histereze tvrdih magnetskih materijala (drugi kvadrant) moguće je odrediti umnožak iznosa magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja B|H|. Na slici je prikazana ovisnost ovog umnoška o iznosu magnetske indukcije. Veličina (B|H|)max praktična je mjera “snage” stalnih magneta. Vektori magnetske indukcije i jakosti magnetskog polja povezani su relacijom: Pri magnetiziranju fero-magnetskog materijala javljaju se gubici; to je onaj dio energije vanjskog magnetskog polja koji se u jedinici vremena nepovratno pretvori u feromagnetskom materijalu u druge oblike energije, prete-žito u toplinu.

23. Gubici u feromagnetskom materijalu nastaju zbog histereze i vrtložnih struja. Gubici zbog histereze razmjerni su površini petlje histereze. Zato se prije spomenuti meki feromagnetski materijali rabe za magnetske krugove izložene djelovanju izmjeničnih magnetskih polja. Tvrdi feromagnetski materijali koriste se za izradu stalnih (permanentnih) magneta. Gubici zbog vrtložnih struja razmjerni su kvadratu frekvencije, debljini uzorka feromagnetika, električnoj provodnosti i magnetskoj indukciji. Da bi se ovi gubici smanjili magnetski krugovi se izrađuju od limova ili traka feromagnetskog materijala međusobno elektroizoliranih svilastim papirom, uljnosmolastim lakovima, oksidacijom ili fosfatiranjem površine. Gubici zbog histereze se povećavaju smanjivanjem debljine feromagnetskog materijala pa je optimalna debljina limova u pogledu ukupnih gubitaka od 0,35 do 0,5 mm za izmjenična magnetska polja frekvencije 50 Hz.

24. Kompleksna relativna permeabilnost određena je izrazom: Realni dio permeabilnosti mjera je pohranjene energije vanjskog magnetskog polja. Imaginarni dio permeabilnosti mjera je gubitaka u feromagnetiku pod utjecajem vanjskog magnetskog polja. Tangens kuta gubitaka u feromagnetskom materijalu:

25. Od ferimagnetskih materijala u elektrotehnici su najznačajniji feriti. To su smjese oksida nekih metala. Općenita kemijska formula jednostavnijih ferita je MeOFe2O3, gdje Me označava dvovalentni ion metala (na primjer željeza, kobalta, mangana, cinka, kadmija, magnezija, itd). Po magnetskim svojstvima feriti su između fero i antiferomagnetskih materijala. Prema iznosu električne provodnosti feriti pripadaju poluvodičima. Zato su gubici zbog vrtložnih struja kod ferita znatno manji nego kod feromagnetskih materijala pa se mogu koristiti na visokim frekvencijama. Još je jedna značajna razlika između feri i feromagnetskih materijala; feriti imaju znatno manji iznos magnetske indukcije zasićenja Bs od feromagnetika. FERIMAGNETSKI MATERIJALI

26. Po obliku histerezne petlje feriti se dijele na meke i tvrde materijale. Opisuju se jednakim parametrima (Curieva temperatura, magnetska indukcija zasićenja, koercitivna jakost magnetskog polja, početna i maksimalna permeabilnost, itd) kao i feromagnetski materijali. Mekim feromagnetskim materijalima pripadaju i granati; najčešće se za mikrovalne komponente rabi itrij – željezo granat Y3Fe5O12 (YIG). Tvrdim feritnim materijalima po strukturi su slični materijali za magnetsko zapisivanje. Obično je fini prah željeznog oksida  - Fe2O3 (kristaliziranog u  obliku), zajedno s vezivima, nanesen u tankom sloju na poliestersku traku ili podlogu gipkog ili tvrdog diska. Neki materijali za magnetsko zapisivanje imaju i dodatak kobalta Co, a umjesto željeznog oksida rabi se i kromov dioksid CrO2.

27. MEKI FEROMAGNETSKI MATERIJALI Osnovna svojstva mekih feromagnetskih materijala su: - uska petlja histereze, - mali iznos koercitivne jakosti magnetskog polja, - mali gubici zbog histereze, - veliki iznos maksimalne relativne permeabilnosti. Ova i druga svojstva mekih feromagnetskih materijala ovise o: - kemijskom sastavu i sadržaju nečistoća, - mehaničkoj i termičkoj obradi, - radnoj temperaturi i - frekvenciji magnetskog polja.

28. U ovu skupinu pripadaju: • čisto željezo • meki čelik • slitine željeza i silicija • slitine željeza i nikla • slitine željeza, silicija i aluminija • slitine željeza i kobalta • slitine željeza, nikla i kobalta • slitine željeza, nikla i molibdena • slitine željeza, nikla i kroma • slitine željeza, nikla, molibdena i mangana • slitine željeza, nikla, bakra i kroma • slitine željeza, nikla, molibdena i bakra, itd.

29. Čisto željezo (tehnički čisto željezo) sadrži manje od 0,1% ugljika i male količine sumpora, kisika, dušika, silicija, mangana, itd. Tehnički čisto željezo najčešće sadrži od 99,95 do 99,98% elementarnog željeza. Nečistoće, a naročito ugljik i kisik, nepovoljno utječu na magnetska svojstva željeza (na primjer povećanjem sadržaja ugljika povećava se koercitivna jakost magnetskog polja i gubici zbog histereze). Prema sadržaju primjesa tehnički čisto željezo dijeli se na: - armko (ukupno 0,08 do 0,1% primjesa), - elektrolitsko i - karbonilno (manje od 0,05% primjesa). Od svih vrsta tehnički čistog željeza elektrolitsko ima najveći iznos magnetske indukcije zasićenja (Bs oko 2,2 T). Visoka proizvodna cijena ograničava njegovu širu primjenu. Karbonilno željezo se dobiva u obliku finog praha. Pored nečistoća na magnetska svojstva tehnički čistog željeza utječe i termička obrada (na primjer žarenjem se smanjuje vrijednost Hc).

30. Svaka mehanička obrada izaziva naprezanja u materijalu koja degradiraju magnetska svojstva mekih feromagnetskih materijala. Zato se poslije svake mehaničke obrade vrši žarenje (zagrijavanje, držanje na određenoj temperaturi, postepeno hlađenje). Gubici zbog histereze u tehnički čistom željezu, pri maksimalnoj magnetskoj indukciji 1 T, su od nekoliko desetaka do nekoliko stotina J/m3. Čisto željezo ima malu električnu otpornost pa su gubici zbog vrtložnih struja veliki. Zato se čisto željezo (najčešće armko) primjenjuje samo u vremenski stalnim ili sporo promjenjivim magnetskim poljima. Armko se u obliku lima debljine 0,2 do 0,4 mm koristi za izradu jezgri elektromagneta i releja za istosmjernu struju, za magnetske krugove mjernog pribora, za membrane u telefoniji, za magnetske zaslone i sl.

31. Meki čelik sadrži oko 0,3% ugljika i manje količine silicija, sumpora, fosfora, kisika, dušika, itd. Povećanjem sadržaja silicija povećava se električna otpornost, odnosno smanjuju gubici zbog vrtložnih struja u mekom čeliku. Silicij u malim količinama povećava magnetsku permeabilnost mekog čelika pri malim, a smanjuje pri velikim iznosima jakosti magnetskog polja. Feromagnetska svojstva mekog čelika s malim postotkom silicija su slična svojstvima elektrolitskog željeza. Mangan u malim količinama malo utječe na magnetska svojstva mekog čelika, ali u većem postotku izaziva gubitak feromagnetskih svojstava. Sumpor, fosfor, kisik i dušik vrlo nepovoljno djeluju na magnetska svojstva mekog čelika. Termička obrada znatno utječe na feromagnetska svojstva: žarenje mekog čelika od 600 do 800 C povećava permeabilnost i smanjuje gubitke; kaljenje povećava koercitivnu jakost magnetskog polja, smanjuje remanentnu magnetsku indukciju i povećava gubitke zbog histereze.

32. Pored mekog čelika kao meki feromagnetski materijal koriste se lijevani i kovani čelik. Lijevani čeliksadrži do 0,5% ugljika, a dobiva se lijevanjem u kalupu. Magnetska indukcija zasićenja lijevanog čelika Bs je od 1,6 do 1,8 T. Upotrebljava se za izradu dijelova magnetskih krugova električnih strojeva. Kovani čelikima vrlo stabilna feromagnetska svojstva. Magnetska indukcija zasićenja mu je od 1,8 do 2 T, a permeabilnost veća nego kod lijevanog čelika. Proizvodnja kovanog čelika je skupa, pa se rabi samo za dijelove električnih strojeva izloženih velikim mehaničkim naprezanjima. Slitine željeza i silicijačesto se nazivaju elektrotehnički čelik, jer se dobivaju od mekog čelika s manje od 0,1% ugljika. Ukupni gubici u elektrotehničkom čeliku kao funkcija postotka silicija imaju izražen minimum. Povećanjem sadržaja silicija u elektrotehničkom čeliku se smanjuje iznos koercitivne jakosti magnetskog polja, permeabilnost se povećava pri malim jakostima magnetskog polja, magnetska indukcija zasićenja i Curieva temperatura se smanjuju, a materijal postaje krhak i teže se obrađuje. Prema postotku silicija elektrotehnički čelik se dijeli na dinamo lim (do 2% Si) i transformatorski lim (od 2 do 4,7% Si).

33. Valjanje limova se vrši u hladnom i toplom stanju, a magnetska im svojstva postaju anizotropna. Pravac lakog magnetiziranja ovih limova je u pravcu valjanja. Pri maksimalnoj magnetskoj indukciji 1 T i frekvenciji 50 Hz ukupni gubici u dinamo limu su od 2 do 10 W/kg, a u transformatorskom limu od 1 do 2 W/kg. Elektrotehnički čelik je u elektrotehnici najviše korišteni feromagnetski materijal. Upotrebljava se u obliku traka i limova debljina 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 i 1 mm za magnetske jezgre električnih strojeva i energetskih transformatora, za jezgre releja, malih mrežnih transformatora i prigušnica koje rade na nižim frekvencijama. Slitine željeza i nikla dijele se u tri grupe prema sadržaju nikla: 1. E grupa s oko 80%, 2. F grupa s oko 50% i 3. D grupa s 30 do 40% nikla. Svaka skupina ima neke posebnosti i neke najpoznatije slitine. Grupu E predstavlja 78-permaloj,grupi F pripadaju permaloj F, permenorm 5000, hiperm 50T, deltamaks, ortonol, ortonik, a slitine iz D grupe su rometal, anhister A i anhister B.

34. Radi dobivanja boljih svojstava limovi od slitine željeza i nikla se poslije valjanja i termički obrađuju. Slitine željeza i nikla se izrađuju u obliku traka i limova debljine 0,01; 0,025; 0,05; 0,1; 0,2 i 0,35 mm. Slitine s 30 do 40% Ni se koriste za jezgre malih transformatora, prigušnica i releja. Slitine s 50% Ni rabe se za jezgre impulsnih transformatora i jezgre elemenata koji rade na zvučnim i višim frekvencijama. Od slitina s 80% Ni izrađuju se magnetski oklopi te jezgre releja, malih transformatora, impulsnih transformatora i magnetskih pojačala. Ove slitine se upotrebljavaju i za magnetske memorije. Slitine željeza, silicija i aluminija su poznate pod nazivom alsiferi. Najbolja magnetska svojstva ima slitina sastava 5,6% Al, 9,5% Si i ostatak Fe. Alsiferi imaju veliku tvrdoću i krhkost pa se ne mogu valjati u tanke trake i limove. Oblici od ovih slitina se lijevaju. Alsiferi se koriste pri izradi magnetskih oklopa, pri izradi kućišta strojeva i uređaja te za magnetske krugove u sporo promjenjivim magnetskim poljima.

35. Slitine željeza i kobalta nazivaju se pemendur (50% Fe, 50% Co), supermendur (49% Fe, 49% Co, 2% V), hiperm Co35, hiperm Co50, vakofluks 50, hiperko, itd. Najvažnija svojstva permendura su velika magnetska indukcija zasićenja (BS 2,4 T), velika maksimalna permeabilnost, mala električna otpornost (0,06 m) i velika krtost. Zbog dodatka vanadija supermendur se, za razliku od permendura, lako valja u limove. Slitine željeza i kobalta su feromagnetici s najvećom magnetskom indukcijom zasićenja. Supermendur se koristi za izradu jezgri prigušnica koje rade u zasićenju, magnetskih pojačala, relea i telefonskih membrana. Rabi se i za magnetske jezgre generatora i elektromotora koji se koriste u satelitima. Slitine željeza, nikla i kobalta poznate su pod nazivom perminvar (npr., 45-perminvar sadrži 30% Fe, 45% Ni, 25% Co). Pri malim jakostima magnetskog polja permeabilnost perminvara je gotovo konstantna, a različita je od jedinice i pri vrlo velikim jakostima magnetskog polja.

36. Osnovni nedostatak perminvara je mala električna otpornost (oko 0,18 m). Zato se češće koristi slitina Mo-perminvar sastava 45% Ni, 25% Co, 23% Fe i 7% Mo, koja ima električnu otpornost 0,8 m. Mo-perminvar nema tako konstantnu permeabilnost pri malim jakostima magnetskog polja kao 45-perminvar, ali mu je maksimalna permeabilnost većeg iznosa. Perminvar se koristi za izradu jezgri u telefoniji i za prigušnice stalne induktivnosti. Slitine željeza, nikla i molibdenasu proizvedene u nakani da se poveća električna otpornost slitinama željeza i nikla. Povećanjem sadržaja molibdena u slitini s željezom i niklom povećava se električna otpornost, smanjuje se iznos magnetske indukcije zasićenja, početne permeabilnosti i Curieve temperature. Od ovih slitina najčešće se koristi 4 Mo-permaloj ili permaloj C s oko 4% molibdena. Primjenjuje se za izradu jezgri prigušnica i transformatora u radio uređajima, jezgri osjetljivih releja, zaštitnih oklopa transformatora i katodnih cijevi, itd.

37. Slitine željeza, nikla i kroma poznate su pod nazivom krompermaloj ili 4 Cr-permaloj (približno 78% Ni, 4% Cr, ostalo Fe). Ova slitina ima električnu otpornost 0,65 m, magnetsku indukciju zasićenja 0,75 T i početnu permeabilnost oko 12500. Slitina 4 Cr-permaloj je sličnih svojstava kao i 4 Mo-permaloj pa se tako i primjenjuje. Slitina željeza, nikla, molibdena i mangana poznatija je pod nazivom supermaloj (približno 15% Fe, 79% Ni, 5% Mo i 0,5% Mn). Proizvodi se u obliku traka male debljine. Magnetska svojstva supermaloja znatno ovise o debljini uzorka. Supermaloj je feromagnetik s najvećim iznosom maksimalne permeabilnosti (600 000 do 1 200 000). Gubici zbog petlje histereze su približno 50 puta manji nego kod 4 Mo-permaloja (slitina Fe+Ni+Mb). Posebnom termičkom obradom može se dobiti supermaloj s histerezom pravokutnog oblika. Slitina željeza, nikla, molibdena i mangana je i dinamaks (oko 33% Fe, 65% Ni, 2% Mo i 0,3% Mn).

38. Slitina željeza, nikla, bakra i kroma poznata je kao -metal (mumetal, približno 18% Fe, 75% Ni, 5% Cu i 2% Cr). Ima veću električnu otpornost i lakše se mehanički obrađuje od permaloja. Slitina -metal proizvodi se u obliku traka debljine 0,05; 0,125 i 0,35 mm, a koristi se za izradu jezgri telefonskih, telegrafskih i posebnih brzih releja te jezgri prigušnica i transformatora u elektronici. Od -metala se izrađuju i magnetski oklopi. U ovu skupinu pripadaju i slitine -metal 40, supermimetal-50 i supermimetal-100. Slitina željeza, nikla, molibdena i bakra obično se označava M1040 (približno 11% Fe, 72% Ni, 3% Mo i 14% Cu). Ima nešto nižu vrijednost Br i Hc, a po ostalim svojstvima i primjeni odgovara -metalu. Slitina željeza, nikla i bakra naziva se radiometal (50% Fe, 45% Ni i 5% Cu). Proizvodi se u obliku tankih traka debljine 0,05; 0,125 i 0,35 mm. Upotrebljava se za izradu jezgri prigušnica, releja i transformatora te kao magnetski oklop.

39. Tvrdi feromagnetski materijali pretežito se koriste za izradu permanentnih magneta. Važno svojstvo stalnih magneta je maksimalni iznos umnoška (BH)max (energijski umnožak). Materijali koji imaju veliku vrijednost ovog umnoška moraju imati veliki iznos remanentne magnetske indukcije i koercitivne jakosti magnetskog polja. • U skupinu tvrdih feromagnetskih materijala pripadaju: • martenzitni čelici; • slitine željeza, aluminija i nikla; • slitine željeza, aluminija, nikla i kobalta; • slitine bakra, nikla i kobalta; • slitine bakra, nikla i željeza; • slitine željeza, kobalta i vanadija; • slitine željeza, kobalta i molibdena; • slitine platine i željeza, te platine i kobalta; • slitine srebra, mangana i aluminija; • slitine mangana i bizmuta, te mangana i aluminija; • slitine metala rijetkih zemalja. TVRDI FEROMAGNETSKI MATERIJALI

40. Martenzitni čelici su najstariji materijali koji se rabe za izradu stalnih magneta. Danas su to najlošiji tvrdi feromagnetici, ali se još uvijek rabe jer su jeftini, lako dostupni i mogu se strojno obrađivati. Zbog poboljšanja magnetskih svojstava redovito im se dodaju volfram, krom, molibden i kobalt. Slitine željeza, aluminija i nikla nazivaju se alni (Al-Ni). Najveći iznos koercitivne jakosti magnetskog polja (44 kA/m) ima alni slitina sastava 58% Fe, 13% Al i 20% Ni, najveću remanentnu magnetsku indukciju (0,725 T) slitina sastava 65% Fe, 13% Al i 20% Ni, a najveći iznos umnoška (BH)max (10,8 kJ/m3) slitina sastava 60% Fe, 13% Al i 27% Ni.Slitinama alni često se dodaje bakar koji im poboljšava magnetska i mehanička svojstva. Posebna svojstva postižu se dodavanjem titana, sumpora, niobija ili silicija, a sadržaj ugljika je nepoželjan. Glavni nedostatak alni slitina je što se zbog krhkosti i tvrdoće ne mogu izrađivati magneti preciznih dimenzija. Magneti od alni slitina mogu se obrađivati samo brušenjem.

41. Slitine željeza, aluminija, nikla i kobalta su poznate pod nazivom alniko (Al-Ni-Co). S velikim sadržajem kobalta nazivaju se magniko. Slitine alniko pored osnovnih sadrže i dodatne elemente: bakar, titan, niobij, sumpor, itd. Permanentni magneti od slitine alniko, kao i od ostalih tvrdih feromagnetskih materijala, proizvode se lijevanjem, sinter-postupkom ili prešanjem s vezivnim smolama. Lijevanje je najstariji način izrade magneta. Osnovni nedostatak je velika tvrdoća i krhkost magneta, te površinske pore zbog oslobađanja plinova pri očvršćivanju. Zatose magneti lijevanjem proizvode u oblicima koji ne iziskuju mehaničku obradu, a hrapavost površine se otklanja brušenjem. Sinter-postupkom se izrađuju magneti malih i točnih dimenzija posebnog oblika. Ovaj tehnološki postupak se sastoji od: priprave praha tvrdog feromagnetskog materijala; dodavanja plastifikatora i drugih dodataka prahu; prešanja smjese praha i dodataka pod visokim tlakom u željene oblike; pečenja oblika na visokim temperaturama. Magneti proizvedeni sinter-postupkom su homogeniji, veće mehaničke čvrstoće, glatke površine i lakše se obrađuju brušenjem od magneta dobivenih lijevanjem. Nedostatak sinter-postupka je visoka cijena.Svojstva magneta istog sastava izrađenog lijevanjem i sinter-postupkom se razlikuju.

42. Postupak proizvodnje magneta prešanjem s vezivnom smolom sadrži: granuliranje feromagnetskog materijala mljevenjem; dodavanje veziva (bakelit, smola, kaučuk) granulama; prešanje pod visokim tlakom u željeni oblik. Magneti dobiveni prešanjem imaju glatku površinu, temperaturno radno područje im je do 50 0C, a vrijednosti magnetskih svojstava su niže nego kod magneta izrađenih lijevanjem. Imaju veću električnu otpornost pa su primjenjivi i u izmjeničnim magnetskim poljima. Ovim tehnološkim postupkom se izrađuju veće serije malih magneta. Slitine bakra, nikla i kobalta nazivaju se kuniko (Cu-Ni-Co). Najčešće se koristi slitina kuniko II sastava 35% Cu, 24% Ni i 41% Co (kuniko I je sastava 50% Cu, 21% Ni i 29% Co). Ova slitina je izotropna i od nje se izrađuju magneti u obliku žica, traka ili složenog oblika. Od slitina kuniko magneti se proizvode lijevanjem ili sinter-postupkom. Iako slitine kuniko nemaju tako dobra magnetska svojstva kao slitine alniko lakše se obrađuju.

43. Slitine bakra, nikla i željeza poznate su pod nazivom kunife (Cu-Ni-Fe), a najčešće se rabe kunife I (60% Cu, 20% Ni i 20% Fe) i kunife II (50% Cu, 20% Ni, 2,5% Co, ostalo Fe). Slično kuniko slitinama i kunife imaju nešto slabija magnetska svojstva od slitina alniko, ali se lakše proizvode i obrađuju. Slitine kunife su izotropne, a najboljih magnetskih svojstava su žice promjera manjeg od 5 mm. Pored žica od slitina kunife se proizvode trake i limovi. Postoje i anizotropne slitine kunife koje se lako magnetiziraju u prvcu valjanja. Slitine željeza, kobalta i vanadija nazivaju se vikaloj. Najboljih magnetskih svojstava je vikaloj I (38% Fe, 52% Co i 10% V), a rabi se i vikaloj II (34% Fe, 52% Co i 14% V). Slitina vikaloj I je izotropnih svojstava, a proizvodi se kao žica, trake i složeni oblici. Magneti izrađeni od slitine vikaloj I rabe se za magnetsko snimanje zvuka, za izradu rotora posebnih električnih strojeva, za igle kompasa, itd. Remanentna magnetska indukcija vikaloj II slitine određenog sastava može biti i do 1,8 T što je najveća vrijednost kod tvrdih feromagnetika. Dodavanjem kroma slitini željeza, kobalta i vanadija nastaje koercit T i koercit N koji se rabe za izradu igala kompasa, magnetskih mjernih mehanizama, minijaturnih magneta, itd.

44. Od slitina željeza, kobalta i molibdenanajčešće se primjenjuje kamaloj sastava 71% Fe, 12% Co i 17% Mo. Slitine platine i željeza te platine i kobaltaimaju vrlo veliku vrijednost koercitivne jakosti magnetskog polja. Slična svojstva ovim slitinama ima oerstit 900 koji se koristi u elektromotorima satnih mehanizama, minijaturnim mikrofonima i slušnim uređajima. U ovu skupinu pripadaju i slitine platine i nikla. Među slitinama srebra, mangana i aluminijanajpoznatiji je silmanol sastava 86,7% Ag, 8,8% Mn i 4,5% Al. Ova slitina se dobro mehanički obrađuje pa se od nje izrađuju tanke folije. Služe za izradu pločastih magneta u instrumentima za mjerenje magnetskih polja. Slitine mangana i bizmuta, te mangana i aluminija,bez obzira na relativno dobra magnetska svojstva, rijetko se primjenjuju zbog visoke cijene, male otpornosti na koroziju i promjena svojstava s temperaturom. Iz skupine slitina metala rijetkih zemaljanajbolja svojstva tvrdog feromagnetskog materijala ima spoj sastava RzCo5, gdje Rz označava metal rijetke zemlje (samarij, cerij, praseodim, itd.). Proizvode se i višekomponentne slitine na bazi kobalta, bakra, željeza i metala rijetkih zemalja koje imaju najveće iznose koercitivne jakosti magnetskog polja (do 560 kA/m).

45. SVOJSTVA I PRIMJENA FERITA • Feriti se, kako je već istaknuto, prema obliku petlje histereze i veličini koercitivne jakosti magnetskog polja dijele na meke i tvrde. • S motrišta praktične primjene najznačajniji meki feriti su: • mangan-cink, • nikal-cink, • litij-cink i • magnezij feriti. • Tvrdi feriti su: • barij, • kobalt, • olovo i • stroncij feriti. • Spomenuto je zajedničko svojstvo ferita: velika električna otpornost koja je na sobnoj temperaturi 106 do 1013 puta veća od električne otpornosti željeza i drugih feromagnetskih materijala.

46. Meki feriti Traženi oblici od mekih ferita proizvode se sinter-postupkom: priprava feritnog praha, dodavanje plastifikatora (polivinilni špirit ili parafin), prešanje ove smjese pod tlakom od 100 do 300 MPa u željene oblike, pečenje (zagrijavanje, pečenje, hlađenje) na temperaturi od 1100 do 1400 0C. Mangan - cink feriti se koriste u izmjeničnim magnetskim poljima frekvencije do nekoliko MHz. To su feriti s najvećom permeabilnošću (ri do 22000 i rm do 40000). Na višim frekvencijama početna permeabilnost im se smanjuje. Od mangan-cink ferita se proizvode lončaste jezgre s prorezom i oklopljene jezgre za svitke s velikim Q faktorom (od 0,1 do 1,6 MHz); lončaste i E jezgre za transformatore s konstantnom permeabilnošću (do 0,3 MHz); lončaste, torusne i E jezgre za širokopojasne transformatore (do 5 MHz). Curieva temperatura ovih ferita je relativno niska (od 105 0C do 220 0C). Na magnetska svojstva mangan-cink ferita utječu tehnološki uvjeti proizvodnje, ali i radna temperatura znatno više nego kod feromagnetika.

47. Nikal - cink feriti se lakše proizvode od mangan-cink ferita. Obično se svrstavaju u četiri skupine. Feriti iz prve skupine se primjenjuju na frekvencijama do nekoliko stotina kHz, iz druge do nekoliko MHz, iz treće do nekoliko desetaka MHz, a iz četvrte do nekoliko stotina MHz. Od nikal-cink ferita se proizvode lončaste jezgre s prorezom za svitke s velikim Q faktorom (od 0,2 do 1,6 MHz); štapići, cjevčice i jezgre s navojem za svitke s velikim Q faktorom i antene (od 0,2 do 220 MHz); lončaste i jezgre s dva otvora, cjevčice i štapići za širokopojasne transformatore (do 100 MHz); štapići za transformatore snage (do 0,1 MHz); štapići i cjevčice za jezgre prigušnica (do 500 MHz).

48. Tvrdi feriti Tvrdi feriti se rabe za proizvodnju stalnih magneta, a najčešće se upotrebljavaju barij i kobalt feriti. Stalni magneti od barij ferita izrađuju se sličnim postupkom kao i oblici od mekih ferita. Barij ferit može imati izotropna ili anizotropna svojstva ovisno o tehnološkim uvjetima pri proizvodnji. Ima veću koercitivnu jakost magnetskog polja, manju remanentnu magnetsku indukciju i oko 10 puta veću električnu otpornost od tvrdih feromagnetskih materijala proizvedenih lijevanjem. Magneti od barij ferita su jeftiniji. Glavni nedostatak barij ferita su loša mehanička svojstva, odnosno tvrdoća i krhkost pa se mogu obrađivati samo brušenjem.

49. Boljih mehaničkih svojstava je barij ferit s dodatkom vezivnog materijala kao što je kaučuk ili plastične mase; to su ferielasti koji se u obliku magnetskih traka koriste na primjer na vratima hladnjaka. Svojstva barij ferita znatno ovise o temperaturi.Od ovog ferita se izrađuju: prstenasti, šipkasti i potkovičasti magneti za linearnu korekciju u televizorima; šipkasti magneti za otklonski sustav u televizorima; prstenasti magneti za slušalice; magneti za bravice; segmenti i magneti za rotore i statore električnih motora; torusni magneti za zvučnike, itd. Kobalt feriti imaju temperaturno stabilnija svojstva od barij ferita, a proizvode se sličnim postupkom (razlikuje se samo termička obrada). Glavni nedostatak je visoka cijena.

50. Keramički magnetski materijali • Kroz posljednjih 60 godina keramički magneti postali su etablirani u elektrotehnici i elektronici. Većina sadrži željezo kao glavni sastojak i spadaju u ferite. Počeli su se razvijati kad je objašnjeno neočekivano otkriće da nemagnetski cink ferit (ZnFe2O4) dodan nekom magnetskom feritu pojačava magnetska svojstva. Za razliku od klasičnih magnetskih materijala, koji su vodiči, keramički magnetski materijali su poluvodiči i izolatori, što je povoljno, jer se sprječavaju vrtložne struje te se stoga koriste u induktorima i jezgrama transformatora kod viših frekvencija. • Da bi se mogla objasniti pojava magnetizma u keramičkim materijalima, potrebno je proučiti njihovu mikrostrukturu. Samo elektron sa spinom, slobodan od svih veza, može se poravnati s narinutim poljem. Takav slučaj doveo bi do beskonačne perimtivnost materijala. Čak i lagana veza vodi na konačnu permitivnost u magnetskom materijalu uzrokovanu spregom između spinova i kristalne rešetke. Takva sprega rezultira orijentacijom spinova relativno prema kristalnoj rešetki u smjeru minimalne energije, što se još naziva lakim smjerom magnetizacije. Poravnavanje spinova u suprotnom smjeru traži povećanu uloženu energiju. Zbog promjena u smjeru spina, koji rezultira u promjeni orijentacije orbita, dolazi do sitne promjene u dimenzijama kristalne rešetke. Ovaj učinak se naziva magnetostrikcijom. • Barij titanid je prvi keramički materijal s feroelektričnim ponašanjem. BaTiO3 je izostrukturni mineral i s mineralom kalcijevog titanida (CaTiO3) se također naziva pervskitom. Barijev-titanid - izgled površine (magnetske domene snimljene elektronskim mikroskopom)