2.3 Magnetmaterjalid

          Peaaegu kõik magnetmaterjalid sisaldavad rauda (Fe). Magnetmaterjale liigitatakse pehmeteks ja kõvadeks.
Pehmed magnetmaterjalid on suure magnetilise läbitavusega aga nendest ei saa valmistada püsimagneteid.
Pehmed magnetmaterjalid sisaldavad põhiliselt rauda, räni, mangaani. Elektrotehniline teras sisaldab 4% räni,
permalloi sisaldab 50% või isegi rohkem niklit. Pehmetest magnetmaterjalidest valmistatakse trafode
südamikke, elektrimootorite staatoreid- rootoreid, alalisvoolumasinate ankruid jne.
 Kõvad magnetmaterjalid magneetuvad tugevasti ja säilitavad püsimagneti omadused.
Tugevad püsimagnetid valmistatakse sulamitest, mis peale raua sisaldavad 8…15% alumiiniumi,
15…30% niklit, 8…12% vaske, 1…24% koobaltit. Kasutatakse ka materjale mis rauda ei
sisalda näiteks koosnevad Mn, Cu ja Si või Cr ja Pt.
 
Magnetiliste materjalide liigid ja parameetrid
 
Magnetilisteks materjalideks nimetatakse materjale millised magnetvälja toimel magneetuvad st. omandavad erilised omadused, milliseid nimetatakse magnetilisteks omadusteks. Neid materjale kasutatakse magnetahelates, millised on paljude elektriseadmete oluliseks osaks. Magnetahelatega on võimalik suunata mähise ümber voolu toimel tekkivat magnetvälja.
Põhilisteks magnetilisteks materjalideks on raud, nikkel, koobalt ja mõned raua sulamid.

Magnetiliste materjalide omadusi iseloomustatakse magnetiliste parameetritega millised on järgmised:


Magnetiline läbitavus (ehk täpsemalt suhteline magnetiline läbitavus) μ (müü) on dimensioonita suurus, mis tuleneb täieliku magnetilise läbitavuse valemist
 
                                       μa = μ μH
                      
         kus μH  on magnetiline tegur suurusega  1,26 10-6 H/m.
          Magnetiline läbitavus iseloomustab materjali magneetumist: mida suurem on  μ väärtus, seda kergemini magneetub materjal ja mida väiksem ta on seda raskemini magneetub materjal.
           Magnetiline läbitavus iseloomutab aine magneetumist võrreldes vaakumiga. μ väärtuse poolest on kolme liiki materjale.
diamagneetikutel    μ < 1
paramagneetikutel  μ > 1
ferromagneetikutel μ >> 1.

Diamagneetikud on  hõbe ja vask.  Paramagneetik alumiinium. Ferromagneetikud raud, nikkel, koobalt. Paigutades induktiivpooli diamagneetilise südamiku,
 tema induktiivsus väheneb, paramagneetilise südamiku toimel induktiivsus suureneb, ferromagneetilise südamiku korral aga suureneb induktiivsus sadu ja tuhandeid kordi.
 Magnetiline läbitavus sõltub küllalt oluliselt mõjuvast magnetvälja tugevusest H(henri) .

          Igasugune magnetiline materjal säilitab oma magnetilised omadused kuni teatud temperatuurini, mida nimetatakse Curie  temperatuuriks. Curie temperatuuri ületamisel materjali magnetilised omadused kaovad st. teda pole võimalik magneetida. See seletub aine siseste magnetiliste doomenite  orientatsiooni kadumisega kuna aatomite ja molekulide soojuslikud liikumised muutuvad väga intensiivseks. Eri materjalide Curie temperatuurid on erinevad.

Küllastusinduktsioon 
selgub magneetimiskõveralt mis kajastab materjali magnetilise induktsiooni  muutumist magnetvälja tugevuse  muutumisel. Algul magnetiline induktsioon suureneb, seejärel kasv aeglustub ja enam ei muutu kui saavutatakse teatud induktsiooni väärtus . Seejuures räägitakse, et materjal on saavutanud küllastuse. Mida suurem on küllastusinduktsiooni väärtus seda paremate omadustega on antud materjal. Magnetilise induktsiooni ühikuks on tesla (T).

Jääkinduktsioon  ja  koertsitiivjõud
  iseloomustavad samuti materjali magnetilisi omadusi. Kui magneetida materjali pidevalt suurendades magnetvälja tugevust , siis suureneb vastavalt magneetimiskõverale ka induktsioon . Seejuures algab magneetimiskõver 0 punktis ja lõppeb küllastusinduktsiooni  saavutamisega. Magnetväljatugevuse vähendamisel väheneb ka magnetiline induktsioon, kuid alates punktist  ei kulge induktsiooni muutus enam kooskõlas magneetimiskõverale vaid sellest kõrgemalt. Kui magnetvälja tugevus muutub nulliks, osutub materjal magneedituks jääkinduktsiooni väärtusel

Jääkinduktsioon  ja koertsitiivjõud  iseloomustavad samuti materjali magnetilisi omadusi. Kui magneetida materjali pidevalt suurendades magnetvälja tugevust , siis suureneb vastavalt magneetimiskõverale ka induktsioon . Seejuures algab magneetimiskõver 0 punktis ja lõppeb küllastusinduktsiooni  saavutamisega. Magnetväljatugevuse vähendamisel väheneb ka magnetiline induktsioon, kuid alates punktist  ei kulge induktsiooni muutus enam kooskõlas magneetimiskõverale vaid sellest kõrgemalt. Kui magnetvälja tugevus muutub nu          Materjali demagneetimiseks (lahtimagneetimiseks), tuleb muuta magnetvälja suunda vastupidiseks (- ). Magnetvälja tugevust mille juures magnetiline induktsioon muutub nulliks nimetatakse koertsitiivjõuks .
           Kui hakata seejärel materjali magneetima vastassuunas, siis ilmneb uuesti küllastusinduktsioon . Järgneval magnetväljatugevuse vähendamisel kuni H = 0 ja edasisel suurendamisel esialgses suunas suureneb induktsioon uuesti küllastusinduktsioonini . Tulemusena moodustub suletud silmus, mida nimetatakse hüstereesisilmuseks.


Hüstereesisilmuse ristkülikulisus on oluline materjalidel, milliseid kasutatakse arvutite mäluseadmeis.
            Sõltuvalt materjali käitumisele magnetväljas liigitatakse magnetilisi materjale magnetiliselt pehmeteks ja magnetiliselt kõvadeks.

Magnetiliselt pehmed materjalid
 
Magnetiliselt pehmetel materjalidel on suur alg- ja maksimaalne magnetiline läbitavus ja väike koertsitiivjõud.
 Need materjalid magneetuvad ja demagneetuvad kergesti ja neile on iseloomulik väikesed hüstereesikaod, millele vastab kitsas hüstereesisilmus.

       Magnetiliste parameetrite väärtused sõltuvad magnetiliselt pehmetel materjalidel aine keemilisest puhtusest ja kristallvõre kujunemisest. Mida vähem on magnetiliselt pehmetes materjalides lisandeid, seda paremad on nende magnetilised parameetrid.Nimetatud põhjustel üritatakse eemaldada materjalist enamkahjulikud lisandid nagu süsinik, fosfor, väävel, lämmastik ja mitmesugused oksiidid. Samaaegselt püütakse mitte deformeerida kristallvõret.
       Magnetiliselt pehmeid materjale kasutatakse trafode südamikena, elektrimasinate ja releede magnetahelates jm.

    Elektrotehniline lehtteras  on väikese süsinikusisaldusega (süsinikku mitte üle 0,04%) teras millesse on viidud lisandina 0.8…4,8% räni.
          Räni lisand suurendab terase eritakistust ja see omakorda vähendab pöörisvoolukadusid. Räni suurendab ka terase kristalle, millega kaasneb kõigi magnetiliste omaduste paranemine. Suur räni sisaldus muudab aga terase hapramaks mis takistab stantsitud detailide valmistamist ja seepärast on ränilisandi praktiliseks piiriks 4.8%.

       Elektrotehnilist terast valmistatakse lehtedena ja lindina.
       Lehti valmistatakse kas kuum- või külmvaltsimise meetodil. Vastavalt kasutatud meetodile on seetõttu olemas
kuumvaltsitud ja külmvaltsitud elektrotehnilist terast.
        Lindina valmistatakse südamike materjali külmvaltsituna.
 Südamikud valmistatakse nii, et ühtiksid magnetvoo ja valtsimise suund,
 kuna valtsimise sihis on materjali magnetilised omadused paremad.


        Trafo südamikes kasutatakse reeglina külmvaltsitud terast, elektrimasinate magnetahelates aga enamasti kuumvaltsitud terast.
            Elektrotehniline lehtteras on laialt levinud odav materjal, mida valmistatakse paksusega 0,05 …1mm.
            Elektrotehnilise lehtterase parmeetrid on μo = 300…900, μmaks = 6000…35000, Hc = 10…30 A/m.
Seejuures on külmvaltsterase omadused paremad kui kuumvaltsterasel.

   Permalloi on väga heade magnetiliste parameetritega raua ja nikli sulam, mis sisaldab 36…80 % niklit. Peale selle lisatakse omaduste parendamiseks veel molübdeeni, kroomi või vaske. Permalloid valmistatakse mitmeid sorte mis jagatakse kahte gruppi:  madala niklisisaldusega, kus on niklit kuni 36…50% ja kõrge niklisisaldusega, kus on niklit 60…80%.
           Permalloi magnetilised parameetrid on orienteeruvalt järgmised- μo = 2000…25000;
       μmaks = 50000…200000; Hc = 0,7…9 A/m.

            Permalloi on küll väga heade magnetiliste omadustega  materjal, kuid ta on tehniloogiliselt väga tundlik ja ka kallis materjal, mistõttu teda kasutatakse siis kui odavamat võimalust pole.
           Tehnoloogilised probleemid tulenevad sellest, et mehaanilisel töötlemisel (näiteks stantsimisel) magnetilised parameetrid järsult halvenevad ja nende taastamiseks on vaja küllalt keerulist ja pikka termilist töötlemist.
           Permalloid valmistatakse lehtedena paksusega 1…2,5 mm ja lindina paksusega 0,002…2,5 mm ning ka varrastena läbimõõduga 8…60 mm.
           Madala niklisisaldusega permalloid kasutatakse drosselite ja väiketrafode südamikena kui on oluline väikesed gabariidid ja mass. Suure niklisisaldusega permalloid kasutatakse helisagedusest kõrgematel sagedustel ja ka magnetiliste varjetena. Permalloi omadused on stabiilsed temperatuurivahemikus -60…+60˚C.

    Alsiferid
on raua, alumiiniumi ja räni sulamid, kus alumiiniumi on 5,5…13%, räni 9…10%, ülejäänud raud. Alsiferide magnetilised parameetrid on järgmised- μo = 6000…7000; μmaks = 30 000…35 000; Hc = 2,2 A/m.
       Alsifere kasutatakse valatud südamike valmistamiseks, mille töösagedus ei ületa 20 kHz ja kui detaili seina paksus ei ole väiksem kui 2 mm, kuna alsiferid on mehaaniliselt haprad.


Magnetiliselt kõvad materjalid

 
Magnetiliselt kõvadel materjalid on suure koertsitiivjõuga ja suure jääkinduktsiooniga . Neid materjale on raske magneetida ja kui nad on magneeditud, siis võivad nad säilitada magnevälja energiat mitu aastat, st. neid kasutatakse püsimagnetites.

           Püsimagneti magnetvoog aja jooksul väheneb. Sellist nähtust nimetatakse  magneti vananemiseks. Kui vananemine tekib vibratsiooni, löökide või järskude temperatuuri muutuste toimel, siis on võimalik püsimagneti omadusi korduva magneetimisega taastada. Kui aga vananemise põhjuseks on aine struktuuri muutused, siis ei ole võimalik püsimagneti  omadusi taastada. On ilmne, et magnetiliselt kõvad materjalid peavad olema võimalikult väikese vananemisega.
            Magnetiliselt kõvu materjale on mitmeid, millistest enamlevinud on suure süsinikusisaldusega terased, raud-alumiinium-nikkel sulamid, sulamid muldmetallide (iitrium, samaarium) ning väärismetallidega (plaatina, hõbe) ja metallkeraamilised materjalid nende baasil.


Suure süsinikusisaldusega terased
on odavad püsimagnetite materjalid mille süsinikusisaldus on 0,9…1,1%. Omaduste parendamiseks lisatakse terasele kroomi,
volframit või koobaltit. Vastavalt kasutatavale lisandile nimetatakse neid kroom-, volfram-, või koobaltteraseks.
,         Süsinikteraste omadused on järgmised- kroomterastel  Br = 0,95 T; Hc = 4800 A/m, volframterastel Br = 1 T; Hc = 4800 A/m,
koobaltterastel Br = 0,8…0,9 T; Hc = 11 000…13 000 A/m.

Raud-nikkel-alumiinium sulamid on legeeritud  koobalti, titaani või nioobiumiga. Nad on omadustelt oluliselt paremad: Br = 0,5…1,4 T; Hc = 40 000…150 000 A/m.
         Nende materjalide puuduseks on tänu haprusele ja kõvadusele raskesti mehaaniliselt töödeldavad, kuna neid saab töödelda ainult lihvimisega.

Metallkeraamilised püsimagnetid
võivad olla väga väikesed ja täpsete mõõtmetega. Metallkeraamilised materjalid saadakse sobivate metallide ( raud, nikkel, alumiinium, koobalt) pulbritest millistest pressitakse tooted (magnetid) ja paagutatakse järgnevalt kõrgel temperatuuril. Komponendid jahvatatakse pulbriks osakeste mõõtmeteni 10…75 μm ja seejärel pressitakse tooted rõhuga 1…2 MPa, järgneb paagutamine inertgaasi  keskkonnas või vaakumis temperatuuril 1100…1300 ˚C. Valminud magnetid karastatakse jahutatades määratud kiirusega. Koobaltit sisaldavad magnetid töödeldakse termiliselt samaaegse magnetvälja toimega, mille tulemusel paranevad magnetilised omadused.

           Valmis kujul on keraamilised magnetid mõnevõrra poorsed (2…5%) ja seetõttu on nende omadused mõnevõrra sulamitest halvemad. Eeliseks on taoliste magnetite täpsed mõõtmed ja hea pinna siledus. Vajadusel saab keraamilisi magneteid töödelda ainult lihvimisega.


Ferriidid
Ferriidid on magnetsüdamikud mis valmistatakse pulbrite segudest paagutamisega kõrgel temperatuuril. Ferriidid võivad olla nii magnetiliselt pehmed kui ka kõvad materjalid.
 Ferriidi nimetuse määrab kahe või ühevalentne metall, mille oksiid kuulub ferriidi koostisse. Nii näiteks kui ferriidi koostisse kuulub tsinkoksiid ZnO, siis nimetatakse seda ferriiti tsinkferriidiks, kui aga lisatavaks oksiidiks on NiO, siis nikkelferriidiks jne.

           Parimate magnetiliste omadustega on keerulised ehk segatud ferriidid, mis kujutavad  endast ühe lihtsa ferriidi tahket lahust teises. Nii näiteks annab tsinkja nikkelferriidi tahke lahus nikkel –tsinkferriidi.
           Ferriitsüdamikke valmistatakse keraamika tehnoloogiaga st. sobivas vahekorras võetud metallide oksiidid jahvatatakse kuulveskites ja seejärel pressitakse pulbritest briketid, millised allutatakse termilisele töötlemisele. Paakunud briketid jahvatatakse uuesti ja lisatakse plastifikaatorit, milleks võib olla näiteks plüvinüülpiirituse lahus. Saadud massist pressitakse tooted (mitmesuguse kujuga südamikud) millised paagutatakse temperatuuril 1000…1400 ˚C. Saadakse haprad tumehallid või mustad tooted milliseid saab töödelda ainult lihvimisega.

             Magnetiliselt pehmete materjalidena on levinud nikkel-tsink, mangaan-tsink ja liitium-tsink ferriidid.
           Nikkel-tsink ferriitidel: μo = 80…2400; μmaks = 850…3000; Hc = 20…54 A/m, Bj = 0.11…0,29 T. Mangaan-tsink ferriitidel: μo = 550…25000; μmaks = 2000…35000; Hc = 2…24 A/m; Bj = 0.09…0,13 T.

           Ferriitide olulisemaks eriomaduseks on suur eritakistus, mille poolest ferridid kuuluvad eritakistuse poolest pooljuhtide hulka ja tänu sellele omadusele on ferriidid kasutatavad märksa kõrgematel sagedustel kui elektrotehniline teras kuna ferriitides on tänu suurele eritakistusele väikesed pöörisvoolu kaod.
            Magnetiliselt kõvadest ferriitidest  on levinumad baariumferriidid BaO 6Fe2O3, milliseid nimetatakse ka baariummagnetiteks. Baariumferriitidel Bj = 125…220 kA/m, Bj = 0,2…0,38 T.

      Nii nagu teised magnetilised materjalid nii säilitavad ka ferriidid oma magnetilisi omadusi Curie temperatuurini, mis sõltuvalt ferriidid liigist võib olla küllalt erinev, vahemikus 70…450 ˚C. Ferriitide takistuse temperatuuritegur on sarnaselt pooljuhtidega negatiivne. Seega temperatuuri tõustes nende takistus väheneb ja pöörisvoolu kaod suurenevad.



Comments