bölüm 9

4/27/2016
BÖLÜM 8
MALZEMENİN
MANYETİK ÖZELLİKLERİ
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
İndüktörler, transformatörler, jeneratörler, elektrik motorları, trafolar,
elektromıknatıslar, hoparlörler, kayıt cihazları gibi pek çok cihaz
malzemenin manyetik özellikleri temeline dayanarak üretilirler.
BÖLÜM 9
2
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
1
4/27/2016
Manyetik özellik malzemenin manyetik alan etkisi altında davranışını
açıklar. Peki malzeme manyetik alan ile nasıl etkileşir ve buna nasıl
tepkiler verir. Bunun cevabını verebilmek için öncelikle bazı temel
kavramları anlamamız gerekir.
Manyetik alanların bilinen ilk kaynakları doğal mıknatıslardır.
BÖLÜM 9
3
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Ancak haraketli elektrik yükleri ya da
kapalı bir döngü içinde akan akım da bir
doğal mıknatısa benzer şekilde etrafında
manyetik alan üretir.
O halde bir kapalı akım halkası da bir
manyetik alan kaynağıdır ve ‘manyetik
dipol momenti’ olarak adlandırılır.
BÖLÜM 9
4
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
2
4/27/2016
I akımını taşıyan bir akım halkası
düşünelim ve bu halkanın çevrelediği
alan A olsun. Bu durumda n̂ A alanının
yüzey
normali
yönündeki
birim
vektördür. Buna göre manyetik dipol
momenti
r
r
µ = IA
r
µ = I A n̂ olarak tanımlanır.
“Bu tanıma göre ölçülebilir boyuttaki her akım halkası bir manyetik dipol
moment oluşturur.”
Vektörel bir nicelik olan manyetik dipol momentinin
yönü sağ el kuralı ile kolayca bulunabilir. Akım
halkasında sağ elin baş parmağı dışında kalan
parmakları akım yönünde kıvrıldığında, baş parmak
manyetik dipol momentinin yönünü gösterecektir.
Manyetik dipol momenti SI birim sisteminde (A.m2)
olarak verilir.
5
BÖLÜM 9
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Bir manyetik dipol momenti bir
manyetik alana konduğunda manyetik
moment kendini alanla aynı yönlü
yöneltmeye zorlayan bir torkun etkisi
altında kalır.
Ayrıca manyetik moment bir akım halkası
olduğundan tıpkı bir çubuk mıknatıs gibi etrafında
bir manyetik alan oluşturur.
BÖLÜM 9
6
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
3
4/27/2016
N sarımlı boyu l olan bir selenoid
NI
H=
l biçiminde tanımlanan bir manyetik
alan üretir. Bu durumda manyetik alan bir manyetik
akı yoğunluğu indükler ve manyetik alan ile manyetik
akı yoğunluğu birbirine
r
r
B0 = µ 0 H
şeklinde bağlıdır.
Burada ‘µ0 boşluğun manyetik geçirgenliği’ olarak tanımlanır ve
değeri µ 0 = 4π *10 −7 (H / m) dir.
B= manyetik akı yoğunluğu (Tesla / SI, Gauss / cgs)
H=Manyetik alan şiddeti (A/m)
7
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
Eğer manyetik alan içerisine bir manyetik malzeme
yerleştirilse malzeme içerisindeki manyetik akı
yoğunluğu malzemenin manyetik geçirgenliğine bağlı
olarak
r
r
biçiminde tanımlanır.
B = µH
Mutlak geçirgenlik
Burada µ manyetik geçirgenlik olarak adlandırılan ve malzemenin
manyetik özelliklerini tanımlamada kullanılan parametrelerden biridir.
µ = µ 0µ r
Mutlak geçirgenlik
BÖLÜM 9
µ
µr =
µ0
Bağıl geçirgenlik
Malzeme özelliğine bağlı bir
parametre olan bağıl geçirgenlik ise
malzeme
içindeki
manyetik
geçirgenliğin
boşluktaki
geçirgenliğe
oranı
olarak
tanımlanan boyutsuz bir niceliktir
8
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
4
4/27/2016
‘Manyetik duygunluk, χm’ malzemenin manyetik
tanımlamada kullanılan parametrelerden bir diğeridir ve
r
r
M = χmH
biçiminde tanımlanır.
özelliklerini
Mıknatıslanma
vektörü
Bir malzemenin manyetik alandan nasıl etkilendiği µr, bağıl geçirgenlik
ya da χm , Manyetik duygunluk değerine bağlı olarak tanımlanır.
χm = µr −1
BÖLÜM 9
9
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Acaba malzeme manyetik alandan nasıl etkilenir???
Manyetik olmayan malzeme diye bir şey yoktur ve malzemenin
manyetik özelliğini atomik yapısı belirler. Temel atom modeline göre
bütün malzemeler atomlardan oluşur. Atom yapısında
• çekirdek etrafında dolaşan elektronlar (yörünge elektronları)
• elektronların kendi eksenleri etrafında dönmeleri (elektron spinleri)
• çekirdeğin spini
madde içerisinde var olan manyetik alan kaynaklarıdır. Yüklü
parçacıkların kapalı bir halka boyunca dönmesi şeklinde olan bu
hareketler birer manyetik moment oluşturur.
Atomların toplam manyetik
momenti yaklaşık olarak bu
manyetik
momentlerin
vektörel toplamı olarak
alınabilir.
BÖLÜM 9
10
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
5
4/27/2016
Atomların elektronlarının ve çekirdeğinin uygulanan dış manyetik alana
nasıl tepki verdiğine bağlı olarak malzemenin manyetik karakteristiği
belirlenir.
Bir dış alanın olmadığı durumda pek çok
malzemenin
atomlarının
manyetik
momentleri rastgele yönelmişlerdir, bu da
net manyetik momentin 0 olması anlamına
gelir.
Malzeme bir dış manyetik alanın etkisi
altında kaldığında malzemenin yapısından
kaynaklanan manyetik dipol momentleri
dış alanla aynı yönlü yönelmeye zorlanırlar
ve malzeme uygulanan alan yönünde net
bir manyetik moment kazanır. Bu duruma
malzemenin ‘mıknatıslanma’sı denir.
M
11
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
M, mıknatıslanma vektörü ortamın hangi oranda mıknatıslandığını
tanımlar ve birim hacimdeki toplam manyetik dipol momentine karşılık
gelir. N birim hacimdeki toplam manyetik dipol momenti sayısı olmak
üzere mıknatıslanma vektörü
r
1 N
M=
∑ µ olur.
∆V i =1
Sonuç olarak bir dış manyetik alan etkisi altında kalan bir malzemede
oluşan manyetik akı yoğunluğu;
r
r
r
r
r
r
B
=
µ
H
+
µ
M
0
0
B = µ0H + µ0M
r
r
= µ0 H + µ 0χ m H
r
Mıknatıslanmadan
= µ 0 (1 + χ m )H
kaynaklanan terim
Uygulanan Dış
alandan
kaynaklanan terim
BÖLÜM 9
µr
12
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
6
4/27/2016
Manyetik Malzemelerin Sınıflandırılması
Malzemeler uygulanan manyetik alana verdikleri tepkilere göre 5
temel gruba ayrılırlar.
GRUP A
GRUP B
Diamanyetik
Paramanyetik
Ferromanyetik
Antiferromanyetik
Ferrimanyetik
13
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
periyodik tabloda oda sıcaklığında
davranışlarına göre sınıflandırılması
BÖLÜM 9
elementlerin
manyetik
14
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
7
4/27/2016
Diamanyetik Malzemeler
Diamanyetik malzemelerin atomları kapalı (tamamen dolu) kabuk ve
alt-kabuklara sahiptir. Bu da atomların bir dış manyetik alan olmadığı
durumda net bir manyetik momentlerinin olmadığı anlamına gelir.
Bu malzeme bir dış manyetik alanın
etkisi altında kaldığında Lenz yasası
gereği uygulanan alanla zıt yönlü bir
mıknatıslanma indüklenecektir. Sonuç
olarak manyetik akı yoğunluğu azalır.
Malzemenin dış alanla zıt yönlü
mıknatıslanması manyetik duygunluğun
(-) olması demektir.
χm < 0
(-) çok küçük bir sayı
µr = 1 + χm
µr ≤ 1
1’e çok yakın 1’den biraz küçük bir sayı
BÖLÜM 9
15
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Diamanyetiklik temel olarak atom içindeki elektronların yörüngesel
hareketlerinden kaynaklanır ve bütün malzemelerde vardır. Ancak pek
çok malzemede önemsenmeyecek kadar küçüktür.
Diamanyetik malzemelerde kalıcı mıknatıslanma gözlenmez uygulanan
alan kaldırıldığında indüklenen mıknatıslanma kaybolur.
Diamanyetik etki sıcaklıktan bağımsızdır.
BÖLÜM 9
16
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
8
4/27/2016
Paramanyetik Malzemeler
Çiftlenimsiz elektronlara sahip malzemelerin her bir atomu elektron
spinlerinden dolayı net bir manyetik momente sahiptir. Bir dış alanın
yokluğunda rastgele yönelen bu manyetik momentler bir dış manyetik
alan uygulandığında bu alan manyetik dipolleri kendisi ile aynı yönlü
yönelmeye zorlar. Bu da manyetik alanın artmasına sebep olur. Bu
durumun makroskopik etkisi malzemenin dış alanla aynı yönlü
mıknatıslanmasına eşdeğerdir ve manyetik duygunluk (+) olur.
χm > 0
(+) çok küçük bir sayı
µr = 1 + χm
µr ≥ 1
1’e yakın 1’den biraz
büyük bir sayı
BÖLÜM 9
Paramanyetizma temel olarak elektronların spinlerinin
dipol momentlerden kaynaklanır
17
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
manyetik
Paramanyetik malzemeler de kalıcı olarak mıknatıslanmazlar.
Diamanyetizmanın aksine paramanyetizma sıcaklığa bağlıdır. Düşük
sıcaklıklarda daha az termal çarpışma olduğundan paramanyetik etki
daha kuvvetlidir.
BÖLÜM 9
18
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
9
4/27/2016
Ferromanyetik Malzemeler
Ferromanyetik malzemeler ‘domain’ adı verilen aynı yönlü yönelmiş
pek çok küçük manyetik dipol bölgesinden oluşurlar.
Ferromanyetik
malzemelerde
mıknatıslanmanın
büyüklüğü
paramanyetik malzemelere göre çok daha büyüktür.
µ r >> 1
Bir dış manyetik alan yokken
ferromanyetik malzeme içindeki
domainlerin
manyetik
momentlerinin
yönelimleri
farklıdır. Domainlerin her birinin
gelişigüzel bir yönelime sahip
olması sonucu malzemenin net
mıknatıslanması 0’dır.
Ferromanyetik malzeme bir dış manyetik alan etkisinde kaldığında
manyetik momentleri dış alan ile aynı yönlü yönelmiş olan
domainlerin duvarları diğer domainleri küçültecek şekilde genişler.19
BÖLÜM 9
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Uygulanan manyetik alan daha da arttırılırsa alanla aynı yönlü
domainler genişlemeye devam eder ve tüm momentler dış alanla aynı
yönlü olana kadar sürer. Bu durumda manyetik malzemenin ‘doyuma’
ulaştığı söylenir. Ferromanyetik malzemeler için B-H değişimi doğrusal
değildir.
Ms: Doyum mıknatıslanması
BÖLÜM 9
20
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
10
4/27/2016
Doyum
Domainlerin dönmesi
Eğim=maksimum
manyetik geçirgenlik, µmax
Domainlerin büyümesi
Eğim=ilk manyetik geçirgenlik, µi
BÖLÜM 9
21
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Ferromanyetik malzemelerde B-H değişimi bir histerisiz eğrisi ile verilir.
Ferromanyetik
malzeme
doyuma ulaştıktan sonra dış
manyetik alan değeri sıfıra
düşürülürse Manyetik akı
yoğunluğu sıfıra gitmez. Br
değeri ile sembolize edilen
‘kalıntı ya da artık akı
yoğunluğu’ adı verilen bir
değer
alır.
Bu
değer
uygulanan maksimum alan
şiddetine bağlıdır.
Bu durum ferromanyetik malzemelerde kalıcı mıknatıslanmayı
mümkün kılar.
BÖLÜM 9
22
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
11
4/27/2016
Ferromanyetik
malzemede
oluşan
bu
kalıntı
akı
yoğunluğunu
kaldırabilmek
için malzemeye ilki ile ters
yönlü bir duş manyetik alan
uygulamak gerekir. Hc ile
gösterilen bu değere ‘giderici
alan şiddeti’ denir. Br ‘kalıntı
akı yoğunluğu’ gibi Hc giderici
alan şiddeti’de uygulanan
maksimum alan şiddetine
bağlıdır.
r
r
Ferromanyetik malzemeler için
yazıldığında manyetik
B = µH
geçirgenlik değeri H’nin fonksiyonudur. manyetik geçirgenlik aynı
zamanda malzemenin manyetik geçmişine de bağlıdır.
23
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
Ferromanyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi giderici
alan şiddeti (Hc) değerlerine göre sınıflandırılabilir.
Malzeme Tipi
Hc (A/m)
Yumuşak
Hc<1000
Orta
10.000<Hc<100.000
Sert
50.000<Hc
Uygulama
Elektromıknatıs, trafo, motor, jeneatör
Manyetik kayıt
Hoparlör, video kayıt cihazı, TV, saat
Bu da malzemenin histerisiz döngüsünden
belirgin olarak yorumlanabilir. Giderici alan
şiddeti (Hc) değerinin küçük olması uzun ve
dar bir histerisiz eğrisi ortaya çıkarırken , bu
değerin büyük olması geniş bir histerisiz
döngü oluşturur.
BÖLÜM 9
24
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
12
4/27/2016
Elektrik jeneratörleri, Motorlar ve Transformatörlerde kullanılacak
Ferromanyetik malzemelerin uygulanan küçük alan şiddetlerinde büyük
mıknatıslanmalara sahip olması istenir. Bu da malzemenin histerisiz
döngüsünün uzun ve dar olması yani malzemenin yumuşak
ferromanyetik malzeme olması demektir. Bu tür malzemeler çok kristal
kusuru ve safsızlığa sahip olduğundan domain duvarlarının hareketi
kolaydır.
Bir ferromanyetik malzeme üzerine uygulanan dış alan ±Hmax
aralığında periyodik olarak değiştirilirse her döngüde histerisiz eğrisi bir
kez tekrarlanır. Bu eğrinin içinde kalan alan bir döngüde birim
hacimdeki enerji kaybına karşılık
gelir ve ‘histerisiz kaybı’ olarak
bilinir. Histerisiz kaybı domain
duvar hareketleri ve domain
dönmeleri sırasında ortaya çıkan
sürtünmelerin sebep olduğu ısı
formunda açığa çıkan enerji
kaybıdır.
BÖLÜM 9
25
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
İyi kalıcı mıknatıslar mıknatıslanmanın bozulmasına karşı yüksek direnç
göstermelidir. Bu da büyük giderici alan şiddetine sahip malzemeler
kullanılarak yapılabilir. Giderici alan şiddetinin büyük olması histerisiz
eğrisinin geniş olması demektir. Bu tür malzemeler sert ferromanyetik
malzemeler olarak bilinirler.
Endüstride kullanılan en önemli sert
ferromanyetik malzeme alnico alaşımlarıdır.
(% 50’si Fe, %50’si de Al, Ni, Co, ve Cu).
Kullanım alanları:
Hoparlör
Video kayıt cihazı
TV
BÖLÜM 9
26
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
13
4/27/2016
Antiferromanyetik Malzemeler
Antiferromanyetik malzemelerin χm , Manyetik duygunlukları (+) fakat
küçük bir sayıdır. Ferromanyetik malzemelerin aksine bir dış alan yoksa
mıknatıslanmaya sahip değildirler.
Antiferromanyetik malzemelerin kristal
yapısı içinde ardışık atomların manyetik
momentleri birbirine göre zıt yönelecek
biçimde bir manyetik düzene sahiptir.
Bunun sonucu olarak bir dış alan yoksa net
mıknatıslanmada olmaz.
Antiferromanyetizma
Neel
sıcaklığı
olarak bilinen bir kritik sıcaklığın altında
ortaya çıkar. Bu sıcaklığın üzerinde
malzeme paramanyetik hale gelir.
BÖLÜM 9
27
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Ferrimanyetik Malzemeler
Bazı
malzemeler
Curie
sıcaklığının
altında
ferromayetik
malzemelerinkine benzer davranış gösterirler. Bu davranışın sebebi
manyetik
düzendir.
Bu
malzemelerdeki
spin
yönelimleri
antiferromanyetik malzemelerdeki gibi bir yukarı bir aşağı yönlüdür
ancak büyüklükleri aynı değildir. Bu nedenle malzemenin net bir
manyetizasyonu vardır. Ferrimayetik malzemelerin manyetik dipol
momentleri arasındaki kısmi yok etme nedeni ile manyetik akı
yoğunluğu ferromayetik malzemelere göre daha küçüktür. Tipik olarak
yalıtkan malzemeler olduklarından eddy-akım kaybı problemleri yoktur
ve yüksek frekans elektronik uygulamalarında yaygın olarak kullanılırlar.
BÖLÜM 9
28
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
14
4/27/2016
Ferromanyetik
Antiferromanyetik
Ferrimanyetik
BÖLÜM 9
29
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
Manyetikliği Etkileyen Etkenler
1. SICAKLIK: Ferromanyetik (ve ferrimanyetik) malzemenin sıcaklığı
malzemenin termal enerjisi dipol momentlerin arasındaki etkileşim
enerjisini aşacak kadar arttırılırsa mıknatıslanmış domainler içindeki
düzen bozulur. “Curie sıcaklığı” olarak bilinen bu sıcaklığın üzerinde
ferromanyetik malzeme bir paramanyetik malzeme gibi davranır.
Bu nedenle kalıcı bir mıknatıs
Curie sıcaklığının üzerine
ısıtılırsa
mıknatıslanmasını
kaybeder. (Demirin Curie
sıcaklığı 770 ˚C, nikelinki 35 ˚C
‘dir. )
BÖLÜM 9
30
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
15
4/27/2016
2. YAPISAL ETKENLER:
Kristal türü, dislokasyonlar gibi iç yapı kusurları manyetikliği önemli
ölçüde etkiler.
3. MEKANİK ETKİ:
Manyetik hale gelmiş bir malzemede manyetik momentler birbirlerine
paralel durumdadır. Kuvvet uygulanacak olursa manyetik
momentlerin yönleri rastgele dağılır ve manyetiklik kaybolur
BÖLÜM 9
31
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
32
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
16
4/27/2016
BÖLÜM 9
33
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
BÖLÜM 9
34
Y.Doç.Dr. N.B. Teşneli
17