Materiale magnetice

    Pentru ca lumea in care traim este un “camp magnetic" dar pentru ca nu exista o definitie clara ,pentru a intelege mai bine acest termen incepem prin a explica prin ochii energetici,electrotehnici si tehnologiei avansate tehnicile prin care campul magnetic este produs de magneti permanenti si de conductoare care sunt parcurse de curent electric.
    Materiale magnetice moi
    Corespunzator destinatiei lor,la elaborarea materialelor magnetic moi se urmareste sa se obtina:
-inductie remanenta mica;
-camp coercitiv mic;
-inductie la saturatie cat mai ridicata;
-suprafat mica a ciclului de histerezis;
-pierderi mici prin histerezis.si curenti turbionari.
    Caracteristicile magnetice ale materialelor magnetic moi sunt influentate de :compozitia chimica,incluziuni ,marimea particulelor ,metode de elaborare ,tratamente termice ,solicitari mecanice etc.Prelucrarile mecanice (taiere,stantare,gaurire ,presare etc.) inrautatesc proprietetile magetice,iar pentru eliminarea efectelor daunatoare ale acestor prelucrari,materialele magnetic moi se supun unor tratamente termice. Cele mai utilizate materiale magnetic moi sunt:fierul ,fonta ,otelul ,aliaje fier-siliciu ,aliaje fier-siliciu-aluminiu (alsifer) ,aliaje fier-nichel ,aliaje fier-cobalt ,ferit moi,peleicule feromagnetice ,aliaje termocompensatoare ,aliaje magnetostrictive si materiale magnetice speciale.
    FIERUL
    Fierul constituie baza celor mai multe materiale magnetice. Se disting mai multe sorturi de fier si anume:fierul tehnic pur,fierul electrolitic ,fierul carbonil.
    Fierul tehnic pur are puritatea 99,50-99,90% si este cunoscut sub denumirea de :fier Armco, “fier suedez", fier magnetic.fier moale. Intre 815 si 1050 ⁰C ,precum si intre 200 si 430⁰C,materialul este fragil si in aceste domenii critice solicitarile trebuiesc evitate. Dupa prelucrari mecanice se recomanda un tratament special in atmosfera de hidrogen ,avand ca rezultat o sporire a permeabilitatii si o miscare a campului coercitiv. Fierul tehnic pur se foloseste la realizarea miezurilor massive ale circuitelor magetice care functioneaza in current continuu. Fierul electrolitic este obtinut prin electrolia si are un grad ridicat de puritate (contine mai putin de 0,05% impuritati). El se foloseste la fabricarea aliajelor alni si alnico sinterizate. Fierul carbonil este produs dupa metoda de rafinare Carbonil care necesita instalatii speciale, fiind un fiind un procedeu de rafinare destul de complicat. Acest material are puritate mrae si prezinta avantajul. Fata de fierul electrolytic,de a avea particule sferice, ceea ce il face utilizabil la fabricarea miezurilor sau torurilor folosite la frecvente inalte, cu pierderi magnetice mici.Se utilizeaza, de asemenea,la fabricarea magneto-dielectricilor (material compus dintr-un material izolant - de exemplu o rasina – in care este inglobata pulbere feromagnetica), folositi pentru aparatura de inalta frecventa. Magneto-dielectricii au rezistiviate electrica ridicata,datorita prezentei dielectricului in compozitia lor,si ca urmare, pierderile prin curenti turbionari, sunt reduse. Fierul electrolitic si fierul carbonil au proprietati magnetice superioare fierului tehnic pur ,datorita puritati lor ridicate.

    FONTA
    Fonta este un aliaj de fier cu carbon, avand procentul cel mai ridicat de carbon (intre 2,06 si 4%). Caracteristicile mecanice si magnetice ale fontei sunt net inferioare celor ale otelului. Fontele se utilizeaza la indicatii pana la 1 T, in circuite magnetice de current continuu (de exemplu, carcase de masinile ectrice de curent continuu).

    OTELUL
    Otelul se elaboreaza din fonta prin reducerea procentului de carbon (intre 0,04% si 2,06%).    Otelurile se folosesc in circuitele magnetice supuse la solicitari mecanice pronuntate , in special unde se cere elasticitate mare. Avand proprietati magnetice net superioare fata de fonta ,otelul se utilizeaza cu precadere chiar si la piesele strabatute de fluxul magnetic, dar care u sunt solicitate mechanic in mod deosebit ,deoarece astfel se realizeaza piesele de dimensiuni mult mai mici,deci constructii mai economice.

    ALIAJE FIER-SILICIU
    Aliajele fier-siliciu sunt materiale magnetice cala mai utilizate in domeniu electrotehnic, deoarece au proprietati magnetice bune si cost redus. Siliciu contribuie la marirea rezistivitatii aliajului si implicit la reducerea pierderilor prin curenti turbionari.Cu un procent de 6-7%siliciu s-ar obtine un aliaj magnetic ideal ,dar fragilitatea aliajului nu permite o prelucrare la cald decat pentru un continut de cel mult 4,5% siliciu si pentru prelucrarea la rece la cel mult 3,3% siliciu. Un dezavantaj al siliciului in aliaj consta in reducerea inductiei la saturatie cu 0,057%-0,058% T pentru fiecare procent de siliciu. Pentru realizarea circuitelor magnetice care functioneaza in current alternative, la frecventa industriala, se utilizaeaza table (tole) subtiri realizate din tabla silicioasa laminate la cald sau la rece. Tabla silicioasa laminate la cald are grosimi de 0,3 ; 0,35 ; 0,5 mm.Tolele se izoleaza intre ele prin oxidare ,prin lacuire sau prin printr-un strat de hartie. Tabla silicioasa laminate la rece, cunoscuta sub denumirea de tabla texturata ,are in directia laminarii caracteristice magnetice sperioare tablei laminate la cald si are o suprafata mai neteda. Tabla texturata prezinta proprietati magnetice superioare (permeabilitate magnetica mare si pierderi in fier mici) numai in cazul in care directia fluxului magnetic in material coincide cu directia laminarii. Grosimea acestor table sunt de 0,35 ; 0,30 ; 0,20 ; 0,10 ; 0,05 ; mm. Izolatia acestor table este de tip ceramic (oxid de calciu numit carlit ) sau pe baza de fosfati.

    ALIAJE FIER-SILICIU-ALUMINIU
    Acest aliaj cunoscut sub denumirea de alsifer,se obtine prin sinterizarea pulberilor si contine 9.5% siliciu , 5,5% aluminiu si restul fier. Are caracteristici magnetice foarte bune si este utilizat la fabricarea de ecrane magnetice,de carcase pentru masini si aparate electricie.

    ALIAJE FIER-NICHEL
    Aceste aliaje sunt cunoscute sub denumirea de permalloy si s caracterizeaza prin permaeabilitate magnetica foarte mare , camp coercitiv si pierderi magnetice mici. Caracteristicile magnetice ale acestor aliaje depinde de compozitia ,puritatea elementelor componente ,tehnologia de elaborare , precum si de tratamentectermice la care au fost supuse. Aceste aliaje contin nichel intre 35 si 80% si , in functie de procentul de nichel si de tratamentul termic aplicat se deosebesc:
-aliaje fier-nichel cu permeabilitate mare(cu denumiri comerciale ca superamalloy , 79-permalloy, permalloy C) a caraor permaeabilitate maxima μmax atinge valori de 800000-1200000
-aliaje cu ciclu de hiserezis dreptunghiular, avand 50% nichel si la care prin laminari la rece si tratamente termice se obtine raport Br/Bs egal cu 0,80-0,95 (sunt cunoscute sub denumirile comerciale deltamax,premalloy G,permenorom 5000 Z etc.);
-aliaje cu permeabilitate consatanta(cunoscuta sub denumirea de perminvar-permeabilitate invariabila) au in general permeabilitate mica,dar care ramane constanta in domeniul campurilor magnetice slabe.
La aliajele perminvar campurile magnetice maxime prescrise un trebuie depasite,altfel materialul se degradeaza din punct de vedere magnetic.

    ALIAJE FIER-COBALT
    Aceste aliaje au inductie de saturatie mare,datorita procentului ridicat de cobalt (intre 35 si 50%). Aliajul fiind foarte casant se prelucreaza greu; de aceea , i se adauga 2% vanadium,care faciliteaza prelucrarile mecanice. Aliajel fier-cobalt sunt cunoscute sub denumirile comerciale de: permendur , hyperco,hyperm,vacodur etc.

    8.FERITE MAGNETIC MOI
    Aceste aliaje sunt folosite cu precadere la frecvente inalte ,deoarece au rezistivitate mare ajungand pana la 10Ω cm. Feritele au avantajul ca pot fi folosite la realizarea pieselor compacte,cu pierderi prin curenti turbionari acceptabile. Feritele se compun din oxizi de fier cu oxizi ai altor metale ca mangan,nichel,zinc,magneziu,cobalt,litiu etc. In comparatie cu materialele maetalice,feritele au permeabilitate si inductie reduse.

    FERITE MAGNETIC MOI
    Aceste aliaje sunt folosite cu precadere la frecvente inalte ,deoarece au rezistivitate mare ajungand pana la 10Ω cm. Dupa realizarea peliculelor cu grosimi extreme de mici,avand ca rezultat micsorarea substantiala a curentilor turbionali,sunt magnetizate. Se utilizeaza la frecvente inalte.

    ALIAJE TERMOCOMPENSATOARE
    Aliaje termocompensatoare sunt caracerizate prin permeabilitae creste cu scaderea temperaturii. Aceste alaije sunt folosite la compenasatoare erorilor de temperatura a magnetilor permanenti,la care fluxul creste cu scaderea temperaturii.Prin suntarea magnetului (aplicarea pe magnetde benzzi termcompensatoare pe diferite grosimi) cu o banda termocompensatoare se regleaza fluxul,pentru a fi mentinut constant,in anumite zone ale circuitului magnetic,pentru un anumit domeniu de temperature.  Aliajele termocompensatoare sunt pe baza de nichel-fier (cele mai des folosite), nichel-crom-fier-fier,nichel-cupru,nichel-siliciu-fier.
  Oxidul feric (Fe2O3) este cel mai comun oxid al fierului si se gaseste in natura sub forma de minereu de fier numit hematina.El se formeaza si prin actioune lenta a agentilor atmosferici asupra fierului metalic. Chimic pur se prepara prin calcinare precipitatului de hidroxid feric   Fe(OH)3,iar industrial prin cacinarea sarurilor de fier cu usoara tendinta de  decosompunere. Oxidul feric este opac p 24224e416y entru radiatii ultraviolete si infrarosii, proprietate ce isi  gaseste aplicatii la fabricarea geamurilor termoabsorbante.

    Oxidul de fier se gaseste sub doua forme polimorfe:
-a-Fe2O3,care este forma cristalina pentru temperaturi inalte; cristalizeaza romboedric.La temperaturi inalte (650 C) se descompune in oxid feroferic (magnetic) Fe3O4 si oxigen, cu mare degajare de caldura:
    La temperaturi inalte (1100-1200 C) reactioneaza cu CaO si Al2O3,dind feriti si feritialuminati de calciu, cpmpusi intilniti in ciment si materiale refractare.
-g-Fe2O3,care reprezinta modificatia cubica a oxidului feric,se obtine prin dehidratarea lenta a Fe(OH)3.Pastrat mai mult timp la temperatura ordinara,forma g-Fe2O3 trece in forma a-Fe2O3.Aceasta trecere se face mult mai usor la 500 C.De mentionat ca forma g prezinta propeietatea magnetice ca si Fe4O3.
    Fierul este un metal de culoare cenusie, relativ greu (7860 kg/m3),moale (duritate 60..70 HB),cu rezistenta  mecanica medie (Rm=200..250 N/mm2) plasticitate buna(As=50%) si rezilienta buna (KCU=200..250 J/cm2).Temperatura de topire a fierului este de 1539 C si cea de fierbere de 2880 C. La tempertura ambianta, fierul are reteaua cristalina de tipul cub cu volum centrat si este feromagnetic. Prin incalzire la 910 C, fierul isi modifica reteaua cristalina din cub cu volum centrat in cub cu fete centrate, iar la 1400 C reteaua fierului devine iarasi cubica cu volum centrat. Acest fenomen de modificare a tipului de retea cristalina la acelasi metal poarta numele de polimorfism (mai multe forme cristaline), iar fiecare dintre starile cristaline prezentate se numeste modificatie polimorfica. Fierul are trei modificatii polimorfice, existente in trei domenii de temperatura diferite si care se trasnforma una in cealalta, atit la racire cit si la incalzire Temperaturile de transformare dintr-o stare in alta sint notate cu litere si anume A3=910 C si A4=1400 C. Fierul isi pierde feromagnetismul cind este incalzit la 770 C (punctul Curie), devenind paramagnetic.

    Fier –Carbon
    Carbonul este un element nemetalic. Se gaseste in natura sub forma cristalina, ca diamant sau ca grafit. El se comporta fata de fier in mod diferit, in functie de temperatura. In fierul lichid, carbonul se dizolva usor, formind solutii lichide. In aliajele fier-carbon solidificate, carbonul se gaseste fie dizolvat in fier (solutii solide), fie legat de aceasta in compusul definit Fe3C numit cementina, care are
o retea cristalina complicata si corespunde aliajului cu 6,67% C, fie ca atare, sub foma de grafit.

    Elaborarea aliajelor feroase
    Aliajele  feroase se obtin din minereuri de fier, care contin fierul sub forma de oxizi sau carbonati: hematitul si limonitul (Fe2O3), magnetitul (Fe3O4) si (FeCO3).Continutul de fier din aceste minereuri este de 30-60%, iar sterilul lor este silicios (SiO2) sau silicoaluminos (SiO2,Al2O3).
    Procesul de baza in obtinerea aliajelor il reprezinta reducerea oxizilor de fier din minereu cu ajutorul cocsului si al oxidului de carbon, la temperaturaturi foarte inalte, intr-un cuptor inalt de tip special numit furnal. In furnal se introduc: minereu (care contine fier); cocs (care indeplineste mai multe roluri: este combustibillul necesar obtinerii temperaturilor inalte, contribuie la formarea oxidului de carbon care este agentul reducator de baza al oxizilor de fier, reduce  direct la o parte din oxizi si carbureaza fierul topit transformandu-l in fonta topita); fondanti (materiale auxiliare necesare pentru a usura topirea sterilului si a-l indeparta sub forma de zgura; pentru sterilul silicios se foloseste calcarul, iar pentru cel silicoaluminos calcarul si dolomita): aer incalzit in instalatii speciale numite caupere (necesar arderi cocsului combustibil).
    In urma reactilor care au loc in furnal intre materialele incarcate rezulta urmatoarele produse:
- Fonta topita (numita si fonta bruta sau fonta de prima fuziune, care este produsul principal al furnalului);
- Zgura topita;
- Gaze de furnal (care se folosesc partial pentru preincalzirea aerului in caupere, partial in alte scopuri in cadrul combinatului siderurgic).

    Caracteristici Generale
    O incadrare precisa a turor elementelor existente in categoria de metal sau nemetal nu este posibila, doarece exista o serie de elemente la care structura invelisului electronic, despre care s-a aratat ca este sediul proprietatilor fizico-chimice ale elementelor respective, permite comportarea acestora in unele cazuri similar metalelor tipice, iar in altele- asemanator nemetalelor. Aceste elemente, care se manifesta proprietati intermediare intre cele doua categorii poarta numele de semimetale si dupa cum este normal, se afla amplasate in sistemul periodic la granita dintre elementele metalice si cele nemetalice. Metalele se gasesc atit in stare nativa, cit sub forma de compusi, functie de activitatea lor chimica. In stare nativa se afla un numar mic de metale (aur, argint, mercur, etc.) a caror activitate este mai mica decit a hidrogenului, marea majoritate a elementelor existand sub forma de compusi minerali: oxizi, silicati, sulfati, cloruri, carbonati, etc. Compusi minerali, mineralele, a caror compozitie procentuala contine un procent ridicat de unul sau mai multe metale sint cunoscuti sub numele de minereuri si sint utilizati pentru extractia acestor elemente.In cazul minereurilor complexe, formate din metale si nemetale, se efectueaza o valoricare complexa a acestora. In conditii normale, metalele sint solide, singura exceptie fiind mercurul care este lichid. Datorita fortei mici de atractie dintre electronii periferici ai atomilor metalelor si nucleelor acestora, este posibila desprinderea electonilor de stratul exterior sub forma de electroni mobili, care nu apartin unui anumit atom, ci intregului metal, ceea ce genereaza formarea benzilor de energie, la fiecare nivel al acestor benzi coexistind doi electronui spin antiparalel. Caracterul metalic al unui element este cu atit mai pregnant, cu cit numarul electronilor mobili este mai mare, acesta manifestandu-se insa, numai atit tinp cit elementul respectiv se afla in stare solida sau lichida, dar disparind in stare gazoasa.

    Proprietati Fizice
    Metalele sint opace, chiar in strat subtire, opacitatea determinata de electronii mobili care nu transmit mai departe vibratile undelor luminoase. In stare compacta metalele prezinta luciu metalic, aceasta datorindu-se proprietatii de a reflecta razele de lumina ce cad pe suprafata lor. Cele mai multe metale reflecta aproape total radiatiile spectrului, indiferent de lungimea de unda, din care cauza sint colorate in alb-argintiu sau cenusiu in diferite nuante. Singurele exceptiei sint cuprul, care absoarbe lumina verde, ceea ce-I confera o culoare roscat-aramie, ceriul si aurul, care datorita capacitatii de a absorbi lumina albastra au culoare galbena.Metalele fin divizate isi pierd luciul si devin negre, ca urmare a faptului ca in aceasta stare absorb toate radiatiile luminoase. Datorita structurii pe care o poseda, metalele au proprietatea de a conduce curentul electric, avind in general o conductibilitate electrica specifica mare, valoarea acesteia fiind functie atit de sarcina, masa si viteza electronului, cit si numarul electronilor existenti intr-un centrimetru cub de metal. La temperatura de zero grade metalul nu mai opune rezistenta la trecerea curentului electric  fenomenul numit supraconductibilitate,cele mai bune conductoare sint: argintul,aurul,cuprul si aluminiu.` O alta proprietate a metalelor, dtermiata tot de existenta electronilor  mobili este termoconductibilitatea acestora.Capacitatea de transmitere a caldurii se datoreaza transmiterii si amplificarii oscilatiilor ionilor din nodurile retelei aflati in partea incalzita a unui metal, de catre electronii mobili, procescare are loc pina in momentul in care temperatura unui metal se uniformizeaza.Intrucit la toate metalele se aplica legea lui Wiedemann-Frantz care arata ca raportul dintre electroconductibilitate si termoconductibilitate este constant. Comportarea metalelor intr-un camp magnetic este determinata de structura invelisului electronic, in acest sens se deosebesc trei categorii de metale paramagnetice care se magnetizeaza in cimpul magnetic in acelasi sens cu cimpul si totodata concentreaza liniile de forta acestuiea (Aluminiu,titanul,vanadiul,cromul,etc.), metalele feromagnetice avind o comportare similara celor paramagnetice, dar de circa un milion de ori mai puternic magnetismul metalului mentinindu-se si dupa departarea magnetului, motiv pentru care acestea se utilizeaza pentru fabricarea buselelor, a eletromagnetilor pentru electromotoare si dispozitive automate de comanda etc. Duritatea metalelor este proprietatea acestora de a rezista la actiuni mecanice exterioare, care tind sa le distruga suprafata. Valoarea acestei caracteristici pentru metale variaza in scara Mohr de la 0,2 corespunzatoare cesiului pina la 9 pentru crom, metale dure fiimd utilizate pentru confectionarea aparatelor si sculelor utilizate in prelucrarea materialelor cu duritati inferioare. Rezistenta  opusa de metal fortelor exterioare ce actioneaza pentru a produce intinderea, comprimarea, indoirea, rasucirea si chiar ruperea metalului reprezinta valori caracteristice fiecarui metal.

    Proprietati Chimice
    Comportarea tipica a metalelor in reactiile chimice este determinatain primul rind de caracterul lor electropozitiv, deci de capacitatea de a ceda electronii de valenta, proprietate determinata de structura invelisurilor exterioare ale atomilor. Metalele situate inaintea hidrogenului in seria tensiunulor electrochimice il pot subtitui pe acesta din compusii sai.Astfel metalele acaline descompun apa cu degajare de hidrogen, chiar la temperatura obisnuita, calciul da aceasta reactie doar in stare incadescenta.In mod analog de la inceputul seriei descompun acizii diluati, punind hidrogenului sint atacate doar de acizi foarte  tari si concentrati : cuprul si argintul de acidul azotic si acidul sulfuric concentrat, iar platina si aurul- de apa regala. Comportarea metalelor fata de celelalte  nemetale este similara cu cea de fata a oxigen.Primele elemente ale seriei tensiunilor electromotoare se combina explosiv cu clorul, in timp ce clorura platinei si aurului este posibila numai cu apa regala. Metalele se combina direct cu sulful, formind sulfuri, execeptie facind aurul si platina.

    Peste o anumită temperatură, substanţele ferimagnetice - care prezintă o magnetizare spontană - devin paramagnetice, adică ordinea magnetică dispare. Scopul acestei îl reprezintă determinarea acestei temperaturi, numită temperatura Curie ferimagnetică. În cazul materialelor magnetice, există două tipuri de magnetizaţii: magnetizaţie permanentă, dacă materialul este magnetizat intrinsec, indiferent de prezenţa unui câmp magnetic extern şi magnetizaţie temporară, dacă materialul capătă proprietăţi magnetice sub acţiunea câmpului magnetic extern.
 După forma legii de magnetizaţie temporară M M (H) există două tipuri de materiale magnetice:

   a) Materiale magnetice liniare, pentru care M H t m = χ , unde m χ este o constantă de material adimensională, numită susceptibilitate magnetică. Din această categorie fac parte:
   a1 ) materialele diamagnetice, care au susceptibilitatea magnetică foarte mică, negativă şi practic independentă de temeratură. Aceste substanţe sunt slab respinse de un magnet permanent sau sunt deplasate spre regiunile cu câmp mai slab într-un câmp magnetic neuniform. Majoritatea compuşilor anorganici şi practic toţi compuşii organici sunt diamagnetici. Diamagnetismul este o proprietate a fiecărui atom sau molecule. Când este observată o altă comportare a unei anumite substanţe, acest lucru apare deoarece diamagnetismul este întrecut de un efect diferit şi mai puternic decât el.
   a2 ) materialele paramagnetice, care au 0 m χ > , dar cu valori destul de mici. Acestea sunt substanţe la care atomii au momente magnetice nenule, care în mod natural sunt orientate haotic, datorită agitaţiei termice. Un câmp magnetic extern le poate orienta parţial în sensul lui, corpul magnetizându-se, însă foarte slab. La temperaturi înalte şi pentru câmpuri de intensitate mică, susceptibilitatea magnetică satisface legea lui Curie: T const. m χ = .
   b) Materiale magnetice neliniare, pentru care susceptibilitatea magnetică depinde de intensitatea câmpului magnetic aplicat. Din această categorie fac parte materialele feromagnetice, ferimagnetice şi antiferomagnetice.
   b1 ) Materialele feromagnetice sunt caracterizate de o susceptibilitate magnetică pozitivă foarte mare, dependentă de câmpul magnetic aplicat. Curba de magnetizare M f (H) = se numeşte în acest caz curbă (ciclu) de histerezis (fig.1) şi este caracterizată de următoarele mărimi: Hc - câmp coercitiv; Br - inducţie remanentă; Bs - inducţie de saturaţie.

 

sursa:ipedia.ro