Pehme magnetmaterjal

Pehme magnetmaterjal ehk magnetiliselt pehme materjal on ferromagnetiline või ferrimagnetiline materjal, mille koertsitiivsus (H_c) on alla 1000 A/m ehk alla 12,5 Oe. Pehmele magnetmaterjalile on iseloomulik kitsas hüstereesisilmus ja suur suhteline magnetiline läbitavus (μ_r). Pehme magnetmaterjal on võrreldes kõva magnetmaterjaliga kergemini magneeditav ja demagneeditav.

Pehmeid magnetilisi materjale kasutatakse seadmetes, mis kasutavad vahelduvaid magnetvälju ja kus energiakaod peavad olema väikesed. Üheks selliseks näiteks on pehmete magnetmaterjalide kasutamine trafosüdamikes.

Pehmeid magnetmaterjale iseloomustavad parameetrid

Magnetiliste parameetrite väärtused sõltuvad magnetiliselt pehmetel materjalidel aine keemilisest puhtusest ja kristallvõre kujunemisest.

Hüstereesisilmus koos vastava terminoloogiaga. Põhjalikum seletus hüstereesisilmuse mehhanismi kohta artiklis magnetiline hüsterees. Hüstereesisilmuse järgi on koertsitiivjõud (H_c) võrdne H väärtusega hetkel kui B=0.

Koertsitiivsus

Koertsitiivus ehk koertsitiivjõud on ferromagnetilist materjali iseloomustav suurus, mis näitab, kui tugevat magnetvälja tuleb magneeditud ferromagneetikule rakendada selleks, et viia tema jääkmagneetumus nulliks. Ehk teiste sõnadega öeldes näitab koertsitiivsus magnetmaterjali vastupanu demagneetimisele. Hüstereesisilmusel vastab koertsitiivjõule H väärtus (välise magneetiva välja tugevus) hetkel kui B = 0 (B on magnetiline induktsioon). Koertsitiivsuse tähis on H_c ja SI mõõtühik amper meetri kohta (A/m).

Pehme magnetmaterjali puhul on koertsitiivsuse (H_c) väärtus alla 1 kA/m. Keskmiste magnetmaterjalide puhul H_c = 1..30 kA/m ja kõvade magnetmaterjalide puhul H_c > 30 kA/m. Seega on pehmete magnetmaterjalide puhul koertsitiivsuse väärtus palju väiksem kui keskmiste ja kõvade magnetmaterjalide puhul.

Koertsitiivsus on tundlik struktuuriliste muutuste suhtes. Koertsitiivsuse väike väärtus on seotud domeeni seinte lihtsa liikumisega olukorras, kus magnetväli muudab suurust ja/või suunda. Erinevad struktuursed defektid, nagu näiteks mittemagnetilise faasi osakesed või tühimikud magnetmaterjalis, kippuvad piirama domeeni seinte liikumist ja suurendavad seeläbi koertsitiivsust. Sellest tulenevalt peab pehme magnetmaterjal olema võimalikult defektidevaba.

Magnetiline läbitavus

 Pikemalt artiklis Magnetiline läbitavus

Magnetilise induktsiooni (B) ja magnetvälja tugevuse (H) suhet nimetatakse (absoluutseks) magnetiliseks läbitavuseks (μ):

$\mu ={\frac {B}{H}}.$

See on materjali omadus, mida magnetväli (H) läbib ja milles magnetilist induktsiooni (B) mõõdetakse ning see väljendab seda kui läbitav on materjal magnetväljale. Suur läbitavus tähendab seda, et materjal kontsentreerib enda sisemuses suure osa magnetvoo tihedusest.

Magnetilise materjali omaduste kirjeldamiseks kasutatakse ka suhtelise magnetilise läbitavuse (μ_r) nimelist parameetrit. See on materjali magnetilise läbitavuse (μ) ja vaakumi magnetilise läbitavuse (ehk magnetilise konstandi μ₀ suhe:

$\mu _{\text{r}}={\frac {\mu }{\mu _{0}}}.$

Materjali läbilaskvus või suhteline läbilaskvus on aine magneetumuse ulatuse mõõt või ka B-välja indutseerimise lihtsus välise H-välja juuresolekul.

Üks olulisemaid ferromagnetiliste materjalide (sealhulgas ka pehme ferromagnetilise materjali) omadusi on nende suur suhteline magnetiline läbitavus. Erinevalt paramagnetilisest materjalist ei ole ferromagnetilise materjali puhul magnetiline läbitavus konstantne funktsioon magnetväljast. Seetõttu on ferromagnetilise materjali karakteriseerimiseks vajalik mõõta magnetilist induktsiooni funktsioonina magnetvälja tugevusest ehk siis mõõta hüstereesikõver. Ühed suuremad suhtelised magnetilised läbitavused on teatud sulamitel. Sellisteks sulamiteks on nikli-raua sulamitest permalloi ja supermalloi. Rakenduslikus mõttes on suure suhtelise läbitavusega materjalid kasulikud voolukondensaatoritena.

Iseloomulik hüstereesisilmus (hüstereesisilmuse kuju)

 Pikemalt artiklis Magnetiline hüsterees

Magnetiline hüsterees on ferro- ja ferrimagnetiliste materjalide omadus, mis avaldub magnetmaterjali sees kujuneva magnetvälja tiheduse B (magnetilise induktsiooni) mitteüheses sõltuvuses välise magneetiva välja tugevusest H. Seda sõltuvust graafilisel kujul kujutatakse hüstereesisilmusena. Erinevate materjalide hüstereesisilmused erinevad üksteisest suurel määral näiteks hüstereesisilmuse kuju, laiuse ja pindala poolest.

Kõva ja pehme magnetmaterjali hüstereesisilmused. Pehme magnetmaterjali hüstereesisilmuse laius on võrreldes kõva magnetmaterjaliga märgatavalt kitsam ja hüstereesisilmuse kogupindala on märgatavalt väiksem

Pehmele magnetmaterjalile on tänu väiksele koertsitiivsusele iseloomulik kitsas hüstereesisilmus. Sellest tulenevalt on ka hüstereesisilmuse kogupindala võrreldes kõva magnetmaterjaliga palju väiksem. Hüstereesisilmuse pindala ehk silmuse sisse jääv ala on oluline seetõttu, et see näitab ümbermagneetimisega kaasnevat energiakadu ehk magnetilist energiakadu materjaliühiku kohta ühe magneetimise-demagneetimise tsükli jooksul. See energiakadu avaldub soojusena, mis tekib magnetilises materjalis ja mis on võimeline tõstma selle materjali temperatuuri. See omab suurt praktilist tähtsust vahelduvvooluseadmetes, kus toimub pidev ümbermagneetimine.

Tänu väikesele hüstereesisilmuse pindalale ja väikesele koertsitiivsusele on pehme magnetmaterjal kõva magnetmaterjaliga võrreldes kergemini magneeditav ja demagneeditav (piisab suhteliselt madala välise magnetvälja rakendamisest) ning ümbermagneetumisel tekkivad energiakaod on väiksed.

Pehmete magnetmaterjalide hüstereesikarakteristikuid võib mõnede rakenduste jaoks sobivamaks muuta näiteks magnetvälja juuresolekul kuumtöötlust läbi viies. Sellist tehnikat kasutades võib tekitada ruudukujulise hüstereesisilmuse, mida kasutatakse ära magnetvõimendites ja impulssmuundurites.

Eritakistus

 Pikemalt artiklis Eritakistus

Eritakistus (electrical resistivity) on pehme magnetmaterjali jaoks rakenduslikus mõttes oluline parameeter. Lisaks eelnevalt kirjeldatud hüstereesisilmuse pindalaga seotud magnetilistele energiakadudele võivad energiakaod tekkida elektrivooludest, mis tekivad materjalis magnetvälja tõttu. Selliseid voole nimetatakse pöörisvooludeks (inglise keelne termin eddy currents). Sellist tüüpi energiakadusid on pehmetes magnetmaterjalides mõistlik minimeerida, suurendades eritakistust. Eritakistuse tõstmiseks ferromagnetilistes materjalides moodustatakse tahke lahuse sulameid, näiteks raua-nikli ja raua-räni sulameid. Keraamilisi ferriite kasutatakse sageli sellistes rakendustes, mis vajavad pehmeid magnetilisi materjale, kuna need on oma olemuselt elektriisolaatorid. Nende rakendatavus on siiski mõnevõrra piiratud, kuna neil on suhteliselt väike magnetiline vastuvõtlikkus.

Pehmed magnetmaterjalid

Kristallilise materjali puhul paiknevad aatomid kindla seaduspärasuse järgi, moodustades korrapärase kristallivõre. Amorfse materjali korral puudub korrapärane kristallstruktuur

Metallilised pehmed magnetmaterjalid

Vastavalt struktuurile ja koostisele on pehmeid metallist magnetmaterjale võimalik grupeerida järgnevalt:

1. kristallilised metallid
2. amorfsed metallid
3. nanokristallilised metallid

Algselt põhinesid kõik metallilised pehmed magnetmaterjalid raual, mis oli ajalooliselt päris kaua ainus kasutatav pehme magnetmaterjal. Süstemaatiline materjali arendamine sai alguse 1900, aastatel. Algselt seisnes see räni (Si) lisamises, mille tulemuseks olid magnetilised teraslehed. NiFe sulamid töötati välja 1920. aastatel ja sealt edasi loodi palju sobivaid materjale.

Kristallilised metallid

Kristallilised metallid koosnevad suurest hulgast kristalliitidest ja materjali kristallvõre orientatsioon varieerub üksikutes kristallides. Kõige levinum kristallvõre struktuur pehmetes magnetilistes sulamites on kuubiline. Selleks, et tegu oleks hea pehme magnetmaterjaliga, peavad metalli kristallid olema võimalikult defektidevabad. Peamisteks komponentideks on raud, nikkel ja koobalt. Lisaks neile kasutatakse lisanditena näiteks vaske, molübdeeni või kroomi, mida kasutatakse selleks, et optimeerida pehme magnetmaterjali omadusi. Tehnoloogilistel põhjustel ja töökindluse tõstmiseks lisatakse sulamisse vahel väga väikeses koguses mangaani või kaltsiumit. Erijuhtumiks on SiFe, kus 1–3,5% Si sisaldus aitab kaasa eritakistuse tõstmisele ja selle kaudu ka vähendab pöörisvoole (eddy currents). Teised laialt kasutatavad sulamid on FeNi, CoFe ja SiAlFe.

Amorfsed metallid

Amorfsetel metallidel ei ole korrapärast kristallstruktuuri. Amorfseid sulameid on kõige lihtsam luua sellistest elementidest, millel on erineva läbimõõduga ioonraadiused. Amorfne olek on metastabiilne olek. Amorfsete sulamite peamised eelised on suur magnetiline läbitavus ja väiksed energiakaod. Tehnilise tähtsuse järgi on peamiselt kolme tüüpi amorfseid sulameid: raual baseeruvad sulamid, koobaltil baseeruvad sulamid ja NiFe sulamid.

Nanokristallilised metallid

Nanokristalliline materjal on polükristalliline materjal, mille kristalliidi suurused jäävad nanomeetrite suurusjärku. Avastati, et teatud sellised materjalid on heade pehmele magnetmaterjalile iseloomulike omadustega. Näiteks on suurepäraste pehmete magnetmaterjalile iseloomulike omadustega FeSiB sulam, millele on lisanditena lisatud Cu ja Nb. Samas kipuvad nanokristallilised materjalid olema rabedad ning seetõttu on neid mehaaniliselt raske töödelda.

Metallkeraamilised magnetmaterjalid

Pehmed ferriidid

Pehme ferriit on metallkeraamiline magnetmaterjal, mis koosneb raudoksiidist Fe₂O₃ ja teiste metallide (Ni, Mn, Zn, Mg, Cu jt) oksiididest. Ferriitidel on suur eritakistus ja sellest tulevalt väike pöörisvoolukadu, mistõttu on nad head isolaatorid. Miinuseks ferromagneetikutega võrreldes on väiksem küllastusmagneetumus ja keskmine magnetiline läbitavus. Pehmete ferriitide näiteks on mangaantsinkferriit, nikkeltsinkferriit. Pehmete ferriitide alla kuuluvad ka magnetilised granaatmineraalid (garnets), mille üheks tuntud näiteks on ütriumi-raua granaat (yttrium-iron garnet).

Pehmeid ferriite saab jagada ka mitte-mikrolaine ferriitideks (non-microwave ferrites), mis on ette nähtud kuni 500 MHz sageduste jaoks ja mikrolaine ferriitideks (microwave ferrites) sagedustevahemiku 100 MHz ... 500 GHz jaoks. Mikrolaine ferriite, mille üheks näiteks on ütriumi-raua granaat, kasutatakse elektromagnetilise kiirguse lainejuhtides ja faasimuundurites.

Rakendused

Pehmetel magnetmaterjalidel on mitmeid rakendusi, allpool on mainitud mõningad neist.

Vahelduvvooluga (AC) seotud rakendused:

• Neid kasutatakse elektrimasinate magnetahelates ja trafodes, mis teisendavad ühe vahelduvvoolu pinge teiseks.
• Pehmed magnetmaterjalid mängivad olulist rolli ka elektrimootorites, kus nad suurendavad mootori mähiste tekitatud välja.
• Pehmed magnetmaterjalid on leidnud rakendust generaatorites, mootorites, induktiivpoolides, drosselites.
• Püsimagnetmootorites kasutatakse neid püsimagnetite tekitatud voolu suunamiseks.

Alalisvooluga (DC) seotud rakendused:

• Üks peamisi alalisvooluga seotud rakendusi on seotud magnetvarjestuse valdkonnaga. Varjestust vajava seadme katmiseks kasutatakse suure magnetilise läbitavusega magnetmaterjali. Mida suurem on materjali magnetiline läbitavus, seda sobilikum see varjestamiseks on.
• Enamus püsimagnetseadmeid kasutavad pehmeid magnetmaterjale voolujoonte suunamiseks või selleks, et juhtida magnetväli tagasi. Näiteks on MRI (magnetresonantstomograafia) kehaskanneril suured püsimagnetid, millel on küljes alad pehme magnetmaterjaliga selleks, et vältida iseenesest demagneetuvate väljade tekkimist, mis vähendaksid väljatugevust.
• Pehmeid magnetilisi materjale kasutatakse ka elektromagnetiliste pooluskingade (pole-pieces) puhul magneti tekitatud välja suurendamiseks.
• Solenoidlülitites kasutatakse lülitite aktiveerimiseks pehmeid magnetmaterjale.
• Tavalisi pehmeid metallilisi magnetmaterjale ei saa kõrgsageduslike rakenduste puhul pöörisvoolude tõttu kasutada, kuid kuna pehmed ferriidid on oma olemuselt keraamilised isolaatorid, siis sobivad viimased ka kõrgsageduslike rakenduste jaoks.
• MnZn ferriiti, mida kommertsiaalselt müüakse ferroxcube'i nime all, võib kasutada sagedustel kuni 10 MHz näiteks telefonisignaalide saatjates ja vastuvõtjates ning alalispingemuundurites.
• Eespoolmainitud pehmete ferriitide perekonda kuuluvad "mikrolaine ferriite" (nt ütriumi-raua granaati) kasutatakse sagedusvahemikus 100 MHz kuni 500 GHz ja need leiavad rakendust elektromagnetkiirguse lainejuhtides ja mikrolaineseadmetes, näiteks faasimuundurites.

Vaata ka

• Ferromagnetism
• Magnetväli
• Magnetism
• Magnetiline hüsterees
• Magneetikud