zastosowania elektromagnetyzmu w nowoczesnych ... - PTZE

50
XVIII Sympozjum PTZE, Zamość 2008
jako całość ma namagnesowanie M = 0. Pomiędzy domenami powstają ściany domenowe –
obszary przejściowe, w których następuje stopniowy obrót momentów magnetycznych od
kierunku jaki jest w jednej domenie do kierunku w domenie sąsiedniej. Dla żelaza przeciętny
rozmiar domen jest rzędu 10 -6 m, a szerokość ściany domenowej rzędu 10 -8 m.
Proces namagnesowania (przemagnesowania) polega na przyłożeniu do próbki zewnętrznego
pola magnetycznego H, o dostatecznie dużym natężeniu, co powoduje zmiany w strukturze
domenowej: domeny o kierunkach M zgodnych i zbliżonych do kierunku pola zewnętrznego
rozrastają się kosztem innych domen. W ten sposób powstaje namagnesowanie
całej próbki. Po usunięciu pola zewnętrznego pozostaje M ≠ 0, gdyż najważniejsze mikroskopowe
procesy przemagnesowania nie są odwracalne. Zauważmy, że zmiana wielkości domen
polega na przemieszczaniu się ścian domenowych, które jest wywołane przez zewnętrzne
pole magnetyczne H. Energia (potencjalna) ściany domenowej E zależy od jej położenia x
w danym punkcie próbki i jest funkcją posiadającą wiele lokalnych minimów i maksimów
o charakterze barier potencjału. Pole H zmienia położenie ściany domenowej i przeprowadza
ścianę przez te bariery potencjalne. Usunięcie pola powoduje tylko lokalne cofnięcie ściany
do pobliskiego minimum energetycznego, natomiast ze względu na duże bariery potencjału,
powrót ścian domenowych na poprzednie miejsca jest niemożliwy. Dla dostatecznie dużych
pól magnetycznych jest więc to proces nieodwracalny. Warto zauważyć, że dla małych pól
zewnętrznych ściany przemieszczają się nieznacznie, ich przesunięcia są odwracalne i stan
niewielkiego namagnesowania w małym polu zewnętrznym zanika po usunięciu pola. Oprócz
opisanego wyżej najważniejszego procesu występują też i inne procesy przemagnesowania -
są one związane z obrotem wektorów M w domenach. Mają one większe znaczenie silnych
polach magnetycznych i zależą od struktury krystalicznej materiału; mogę mieć również charakter
odwracalny i nieodwracalny.
Magnesy trwałe są to elementy posiadające możliwie największe namagnesowanie MS,
które jest stabilne w czasie i jest mało podatne na wpływ czynników zewnętrznych np. niezbyt
wielkich pól magnetycznych. Wynika stąd, że kluczem do uzyskanie tej właściwości jest
utrudnienie w danym materiale ruchu ścian domenowych. Odpowiednia struktura i skład materiału
powiększa bariery energii potencjalnej i utrudnia ruch ścian, czyli przemagnesowanie
próbki. Takie właściwości powinien mieć właśnie materiał na magnesy trwałe, nazywa się on
magnetykiem twardym (w odróżnieniu od magnetyków miękkich, które przemagnesowują się
łatwo). Czynnikami utrudniającymi ruch ścian domenowych jest np. stworzenie struktury
krystalicznej materiału z krystalitami o odpowiednich rozmiarach (granice ziaren są centrami
hamującymi ruch ścian), stosowanie różnego typu domieszek i stopów, odpowiednie procesy
technologiczne.
Obrazem omówionych wyżej procesów przemagnesowywania jest krzywa zwana pętlą
histerezy, otrzymywana przy pomiarze namagnesowania w funkcji pola magnetycznego. Na
pętli przyjęto definiować charakterystyczne wartości: pole remanencji HC i namagnesowanie
nasycenia MS. Przy dostatecznie dokładnych pomiarach na pętli histerezy można zarejestrować
tzw. skoki Barkhausena, które świadczą o wyżej omówionych przeskokach ścian domenowych
między dolinami potencjalnymi. W zależności od rodzaju materiału pętle histerezy
mogą mieć rozmaite kształty. Ponieważ pole powierzchni zawarte wewnątrz pętli histerezy
jest proporcjonalne do energii przemagnesowania próbki, to w przypadku magnetyka twardego
typowa pętla ma duże wartości HC i MS. Iloczyn MSHC jest podstawowym parametrem
charakteryzującym jakość magnesu trwałego.
Jak już wspomnieliśmy osiągnięty został wielki postęp w produkcji magnesów trwałych,
będący wynikiem rozwoju inżynierii materiałowej. Ważnym krokiem w rozwoju technologii
produkcji magnesów trwałych było w 1920 odkrycie Kotaru Hondy (Tohoku Univ., Sendai,
Japonia), że bardzo dobrymi domieszkami do żelaza jest kobalt. Dalsze prace w tym kierunku
doprowadziły do opracowania materiałów na bazie żelaza domieszkowanych glinem, niklem