Yumuşak manyetik malzemeler

• Dışarıdan uygulanan manyetik alan bazen
manyetik alan şiddeti olarak adlandırılır ve H ile
gösterilir. Manyetik alan birbirine yakın mesafeli N
çevrimli, l uzunluğunda ve I kadar akım taşıyan
bir silindirik sargı (veya selenoid) tarafından
üretilmesi durumunda, aşağıdaki denklemle ifade
edilir:
• Bir H manyetik alanına maruz bırakılan bir
maddedeki manyetik alan şiddetinin
büyüklüğü, manyetik indükleme veya
manyetik akı yoğunluğu ile ifade edilir ve B ile
gösterilir.
Şekil 20.1
• μ parametresi geçirgenlik olarak adlandırılır ve
Şekil 20.3b’de gösterildiği gibi, H alanının
uygulandığı ve B’nin ölçüldüğü belirli bir
ortama ait özelliktir.
Şekil 20.3a
• Katıların manyetikleşmesi olarak adlandırılan
bir başka alan miktarı, M, ifadesi ile tanımlanır.
• χm manyetik hassasiyet olarak adlandırılır ve
birimsizdir. Manyetik hassasiyet ile bağıl
geçirgenlik arasında aşağıdaki ilişki vardır:
• En temel manyetik moment Bohr manyetonu
μB’dir; bu, 9,27 × 10-24 A ∙ m2 değerine eşittir.
Bir atomdaki her bir elektronun spin manyetik
momenti ±μB (+ işareti yukarı doğru, – işareti
ise aşağı doğru spin hareketi) ile gösterilir.
• Diyamanyetizma, manyetizmanın çok zayıf bir
türüdür, kalıcı nitelikte olmayıp manyetiklik
davranışını sadece dışarıdan bir alan
uygulanması durumunda koruyabilir. Bu,
uygulanan manyetik alanın etkisiyle
elektronların yörünge hareketindeki
değişiklikten kaynaklanır.
• Dışarıdan bir manyetik alan uygulanmaması
durumunda, atomsal manyetik momentlerin
yönleri gelişigüzeldir ve bu nedenle,
malzemenin küçük bir parçası bile makro
ölçekte manyetik davranış sergilemez. Bu
atomsal dipoller dönme hareketi için
serbesttir ve Şekil 20.5b’de gösterildiği gibi, bir
dış alan etkisinde dönme ile tercihli olarak
yönlenmeleri neticesinde paramanyetik özellik
kazanırlar.
Tablo 20.2
Şekil 20.6
• Bazı metalik malzemeler bir dış alana ihtiyaç
duymaksızın, kalıcı manyetik momente
sahiptirler ve manyetik davranışları kalıcıdır ve
akı yoğunlukları büyüktür. Bunlar
ferromanyetizmaya ait özelliklerdir ve Fe
(HMK, α-ferrit), Co, Ni geçiş elementlerinde ve
nadir toprak elementlerinde, örneğin
gadolinyum (Gd)’da görülür.
• Bir ferromanyetik malzemede mümkün olan
maksimum manyetikleşme veya doyma
manyetikleşmesi Ms, bir dış alan etkisinde bir
katı içerisindeki bütün dipollerin ortak olarak
dizilmiş olduğuna işaret eder ve ayrıca buna
karşılık gelen bir doyma manyetik akı
yoğunluğu Bs söz konusudur.
• Komşu atom veya iyon çiftlerinin spin
momentlerinin tamamen birbirine zıt yönde
dizilmesi antiferromanyetizma olarak
adlandırılır.
• Bazı seramik malzemelerin de kalıcı
manyetikleşme göstermesi ferrimanyetizma
olarak adlandırılır.
• ***Manyetik anlamındaki ferrit 9.18’de ele
alınan ferrit α-demiri ile karıştırılmamalıdır,
kitabın bundan sonraki kısmında, bu ferrit
terimi manyetik seramikler için kullanılmıştır.
• Doyma manyetikleşmesi, ısıl titreşimlerin
minimum olduğu 0 K’de maksimumdur. Artan
sıcaklıkla doyma manyetikleşmesi kademeli
olarak azalır ve Curie sıcaklığı Tc olarak
adlandırılan bir sıcaklıkta hızla sıfıra düşer.
Demir ve Fe3O4 için manyetikleşme-sıcaklık
davranışı Şekil 20.10’da verilmiştir.
• Şekil 20.14’te doyma sınırı olan S noktasından, H
manyetik alanı ters yönde azalmakta ve eğri
orijinal yolunu takip etmemektedir. Bunun
sonucu olarak bir histerezis etki ortaya çıkar,
uygulanan H alanının azalmasıyla, geride düşük
bir hızda azalan B kalıcı alanı (mıknatıslığı) kalır.
Manyetik alan H sıfır olduğunda (R noktası)
malzeme üzerinde kalıcı manyetik alan veya kalıcı
akı yoğunluğu Br olarak adlandırılan bir manyetik
akı yoğunluğu mevcuttur.
• Bir numune içerisindeki B alanını ortadan
kaldırmak için (Şekil 20.14’te C noktası)
başlangıçtaki manyetik alana ters yönde ve Hc
büyüklüğünde bir H manyetik alanın
uygulanması gereklidir. Hc koersivite veya
bazen koersif kuvvet olarak adlandırılır.
• Hem ferromanyetik hem de ferrimanyetik
malzemeler histerezis özelliklerine göre
yumuşak veya sert manyetik malzemeler
olarak sınıflandırılır. Yumuşak manyetik
malzemeler, değişken manyetik alanlara
maruz ve enerji kayıpları düşük olması gereken
cihazlarda kullanılır.
• Sert manyetik malzemeler,
demanyetikleşmeye karşı yüksek dirence sahip
olup kalıcı mıknatıslarda kullanılır. Histerezis
davranışı açısından, bir sert manyetik
malzemenin, kalıcı mıknatıslanma özelliği,
koersifitesi ve doyma akı yoğunluğu yüksek,
bunun yanında, başlangıç geçirgenliği düşük
ve histerezis enerji kayıpları ise yüksektir.
Şekil 20.19
• Enerji değeri 80 kJ/m3 fazla olan kalıcı
manyetik malzemeler yüksek enerjili sert
manyetik malzemeler olarak tanımlanır. Bu
malzemeler, son yıllarda geliştirilen değişik
bileşimlere sahip metallerarası bileşiklerdir.
Ticari anlamda kullanılan iki tanesi: SmCo5 ve
Nd2Fe14B’dir. Bunların manyetik özellikleri
Tablo 20.6’da verilmiştir.
• SmCo5, kobalt veya demir ve bir hafif nadir
elementin kombinasyonları olan alaşım
grubunun bir üyesidir. Bu alaşımların birkaçı
yüksek enerjili sert manyetik davranış
göstermekle birlikte, ticari öneme sahip tek
bileşik SmCo5’dır.
• Samaryum nadir ve nispeten pahalı bir
malzemedir; ayrıca kobaltın fiyatı değişken ve
kaynakları sınırlıdır. Bu nedenle, Nd2Fe14B
alaşımları sert manyetik malzemelerin gerekli
olduğu uygulamalarda büyük ölçüde ve geniş
bir çeşitlikte tercih edilen bir malzeme
olmuştur. Bu malzemeler koersifiteleri ve
enerji değerleri açısından samaryum-kobalt
alaşımlarına alternatif olmuştur (Tablo 20.6).
• Manyetik malzemeler, bilgi depolama
uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Manyetik
kaydetme, elektronik bilginin depolanmasında
neredeyse evrensel bir teknoloji olmuştur. Manyetik
depolama teknolojisi, disk depolama ortamı [örn:
bilgisayarlar (masaüstü, dizüstü), iPodlar ve MP3
çalarlar ve yüksek çözünürlüklü kamera sabit-disk
sürücüleri], kredi kartları (manyetik şeritler) ve
benzeri uygulamalardan oldukça yaygındır.
• Daha önce belirtilen ve bu kısımda incelenecek olan,
sabit-disk sürücüleri (SDS veya ingilizce karşılığı
HDD’ler) ve manyetik bantlar olmak üzere temel iki
manyetik ortam vardır.
• Yüksek saflıktaki metaller 0 K’e yakın sıcaklıklara
soğutulduklarında, elektrik öz dirençleri kademeli
olarak azalır ve belirli metallere özgü olan, küçük
ama sonlu bir değere yaklaşır. Ancak çok düşük
sıcaklıklarda öz direnci sonlu bir değerden, hızla
azalarak neredeyse sıfıra düşen ve soğuma
esnasında sabit kalan çok az sayıda malzeme
vardır. Bu tip davranışı gösteren malzemeler
süperiletken, süperiletkenliğin gözlendiği sıcaklık
ise kritik sıcaklık, TC 6 olarak adlandırılmıştır.