yumuşak manyetik malzemeler

MALZEMELERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ
(Ders Notu)
Manyetik Özellikler
Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR
MANYETİK ÖZELLİK

Giriş

Bazı malzemelerde mevcut manyetik kutup çiftleri, elektriksel kutuplara
benzer şekilde, çevredeki manyetik alanla etkileşir ve alan tarafından verilen
manyetik enerji sürekli veya geçici olarak depo edilir. Bu enerjiden
uygulamada büyük ölçüde yararlanılır.

Manyetik malzemeler genellikle yumuşak ve sert manyetik malzemeler
olmak üzere iki türe ayrılırlar. Yumuşak manyetik malzemeler kolay
manyetikleşir,
manyetikliklerini
kolay
kaybederler,
çoğunlukla
transformatör, elektrik motoru ve jeneratörlerde çekirdek malzemesi olarak
kullanırlar. Sert manyetik malzemeler ise zor manyetikleşirler,
manyetikliklerini kolay kaybetmezler. Bunlar genellikle mikrofonlarda,
telefon alıcılarında ve benzeri yerlerde kullanılırlar.

Manyetik malzemeler çoğunlukla metal türü olmakla beraber seramik türü
olanlar da vardır ve bunlar bazı üstün özellikleri nedeni ile geniş uygulama
alanına sahiptirler. Uygulamada bunlara ferritler denir.

Manyetiklik

Elektronlar atom çekirdeği çevresinde yörünge hareketi yaparken ayrıca kendi
eksenleri etrafında dönerler. Dönme yönüne bağlı olarak, şekil 1 de görüldüğü
gibi, her elektronda bir manyetik kutup çifti (N-S) oluşur. Bu nedenle her
elektron bir mıknatıs sayılabilir. Bir elektronun sahip olduğu manyetik
momente Bohr magnetronu denir ve değeri 9,27x10-24 (A.m2) dir. Bir elektron
çekirdek etrafında yörünge hareketi yaparken atomun çevresinde bir manyetik
alan oluşturur.[Onaran]

Şekil 1 Manyetik kutup çiftlerinin orijinleri (a) Elektronların dönmeleri kuantum sayısı Ms 'e bağlı
olarak bir yönle manyetik bir alan oluşturur, (b) Elektronların çekirdek etrafında dönmeleri atom
etrafında bir manyetik alan oluşturur.

Dış yörüngede bulunan serbest valans elektronlar kütle içinde birbirleri ile rastgele
girişim halinde olduklarından kutup çiftleri rastgele yönlenmiştir, dolayısıyla
kütlenin manyetikliğini etkilemezler. Diğer taraftan valans altı enerji düzeyleri tam
dolu olan atom bir kutup çiftine sahip olamaz.

Eğer bir atomun valans altı yapısında dolmamış enerji düzeyi varsa, diğer bir
deyimle tek elektron içerirse, Şekil 1’de görüldüğü gibi, atomda bir manyetik kutup
çifti oluşur.

Geçiş elementlerinde (Fe, Ni gibi) çok sayıda dolmamış enerji düzeyleri
bulunduğundan atom bireyleri kutup çiftlerine sahiptir.
Manyetik Parametreler

Hc: Kalıcı manyetikliği yok etmek için ters yönde uygulanması gereken manyetik alandır.
Katıların manyetikleşmesi, M ise
B=0 H
+ 0 M
M= (r -1) H
(r -1) = Xm: Manyetik hassasiyet
ŞEKİL 2. Bobini geçen bir akım, akım yoğunluklu manyetik alan (B) oluşturur. Akım
yoğunluğu, bir manyetik nüve (çekirdek), bobin içerisine yerleştirildiğinde yükselir.

Manyetiklik Türleri

1) Diyamanyetik malzemeler


2) Paramanyetik malzemeler

3) Ferromanyetik malzemeler

4) Ferrimanyetik malzemeler
Manyetiklik Türleri

Diyamanyetik Malzemeler:

Bazı elementlerde valans altı enerji düzeyleri tam doludur,
elektron çiftleri birbirlerinin manyetik alanın yok ettiğinden
atom bireyleri net manyetikliğe sahip değildirler. Uygulanan
manyetik alan yalnız elektron bireyleri ile zıt yönde etkileşir.
Bu etkileşme sonucu, Şekil 3 de görüldüğü gibi manyetik akı
boşluğa göre 10-5 kat kadar azalan yönde değişir.

Diyamanyetik malzemelere bir manyetik alan uygulandığında
çok küçük bir elektron hareketlenmesi oluşur. Diyamanyetik
malzemelerde manyetik moment manyetik alana ters yönde
oluşur.
Diyamanyetik
malzemeler
kalıcı
olarak
mıknatıslanmazlar.


Örnek: Cu, Ag, Sn ve Zn

Süperiletkenler de diyamanyetiktir bunların manyetik geçirgenlikleri
sıfırdır. Manyetik kuvvet çizgileri süperiletkenlerin içinden geçemez,
dolayısıyla manyetik alan tarafından itilirler.

ŞEKİL 3. Çekirdek (Nüve) malzemesinin akı yoğunluğu üzerine etkisi.
Diamanyetik malzemelerde manyetik moment üretilmez. Devamlı olarak güçlü
momentler, aynı uygulanan alan için, paramanyetik, ferrimanyetik ve
ferromanyetiklerde bulunur.


Ferromanyetik Malzemeler:

Ferromanyetik malzemelerin manyetik geçirgenliği çok büyüktür.
Manyetik akı manyetik alan etkisinde, Şekil 3 de görüldüğü gibi,
hızla artar. Bu özelliğe sahip malzemelerde, paramanyetiklerde
olduğu gibi, dolmamış enerji düzeyleri nedeni ile atom bireyleri
kutup çiftine sahip olmakla beraber, kutup çiftleri ayrıca gruplar
halinde (domain) yönlenerek mikro düzeyde ortak yerel manyetik
bölge oluşturur
Genelde bu yerel manyetik bölgelerin kutup yönleri rastgeledir,
dolayısıyla malzemede net bir manyetiklik yoktur. Manyetik alan
etkisinde yerel kutuplar dönerek paralel hale gelirler, bu durumda
net manyetiklik oluşur ve manyetik akı çok yükselir (Şekil 3).
Alan etkisi kalkınca yerel alanlar tekrar dağınık hale gelir ve net
manyetiklik kaybolur. Bu davranışa sahip malzemelere yumuşak
manyetik malzemeler denir. Bazı malzemelerde ise yönlenmiş
kutupların bir kısmı durumlarını korur, dolayısıyla alan
kalktıktan sonra malzeme net bir manyetik kutba sahip olur ve
manyetiklik kalıcıdır. Bu tür davranışa sahip malzemelere sert
manyetik malzemeler denir.[Onaran]
Örnek: Fe, Ni ve Co


Şekil 5. Fe’in valans elektron yapısı

Ferrimanyetik Malzemeler:

Bazı kompleks iyonsal bileşik olan seramik
malzemelerde değişik tür iyonlar farklı
manyetik momentlere sahiptir ve bu manyetik
momentler, Şekilde görüldüğü gibi, ters yönde
paralel dizilmiştir, bileşke manyetik moment
zıt yöndeki
manyetik momentlerin farkına
eşittir.
Manyetik
alan
etkisinde
ferromanyetiklere
benzer
davranış
gösterirler.[Onaran]

Farklı manyetik momente sahip malzemeler,
atomik mıknatısları birbirlerine paralel
olmayıp, birbirlerini yok etmeyecek
şekildedirler.

Örnek: Manyetit(Fe3O4)+Ni karışımı
Domain (Bölge) Yapısı


Ferromanyetik malzemeler, komşu atomların kutup çiftleri arasında pozitif
etkileşmelerinden dolayı manyetikleşme üzerine kuvvetli bir etkiye sahiptir.
Ferromanyetik bir malzemenin tane içinde manyetik domainlerden oluşan bir alt
yapı, dış alanın yokluğunda bile oluşur. Domainler bütün kutup çiftlerinin hizaya
geldiği malzemedeki bölgelerdir. Manyetik alana maruz kalmamış bir malzemede
bireysel domainler rastgele bir yönlenmeye sahiptir. Malzemedeki net manyetikleşme
bütün olarak sıfırdır.
Blok duvarlar olarak adlandırılan sınırlar, tane sınırları gibi bireysel domainleri ayırır.
Blok duvarları, manyetik moment yönünün yavaş yavaş ve sürekli olarak bir
domainden diğerine değiştiği dar bölgelerdir (Şekil 7). Bu domainler tipik olarak çok
küçüktür; mikro boyuttadır ve blok duvarlar 1000 Å kalınlıktadır. Çok kristalli
malzemede her bir tane birden fazla domain içerebilir.
ŞEKİL 7. Bitişik atomlardaki
manyetik momentler domenler
arasındaki sınırlar boyunca sürekli
olarak yön değiştirir
Manyetik Özelliklerin Ölçümü

Manyetik malzemelerin özellikleri
malzemenin B-H histeresiz eğrisinden
belirlenir.

Malzemeye H alanı uygulanır ve bunun
sonucu olan B ölçülür.

Hc: Kalıcı manyetikliği yok etmek için ters
yönde uygulanması gereken manyetik alandır.
Elektromanyetik Mıknatıslanma ve
Manyetik Malzemeler

Manyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi yok edici (koerzif)
kuvvet (Hc) özelliklerine 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
Yumuşak Manyetik Malzemeler

Kolay manyetikleşirler.

Manyetiklikleri kolay giderilir.

Manyetik geçirgenlikleri yüksektir.

Kalıcı manyetiklikleri düşüktür.

Yok edici manyetik alan kuvvetleri
küçüktür.
Hc < 1000 A/m
Yumuşak Manyetik Malzemeler

Demir, metal türü yumuşak
manyetik malzemedir.
Elektrik motoru
 jeneratör
 trafo
 elektromıknatısların çekirdekleri


yumuşak manyetik malzemelerden
yapılır.
Hc < 1000 A/m

Metal türü yumuşak manyetik malzemelerin en önemlisi demirdir. Demir
kristalinin manyetikliği anizotroptur. <100> doğrultusunda manyetik geçirgenlik
çok yüksek olup, az bir manyetik alanla akı hızla maksimuma erişir. Bunu karşın
<111> doğrultusunda manyetikleşme daha zordur, ancak her iki doğrultuda
maksimum manyetiklik eşittir. Demirde büyük girdap akımları oluştuğunda
değişken alanda çok ısınır, dolayısıyla yüksek frekanslı uygulamalara elverişli
değildir. Demirin içine %3-4 Si katılarak elde edilen (Fe-Si) alaşımlarının
iletkenliği düşük, manyetik geçirgenliği daha yüksek, histerezis kayıpları daha
azdır. Araları mika ile yalıtılmış (Fe-Si) alaşım ince dinamo sacında enerji kaybı
daha da azdır, dolayısıyla dinamo sacı, trafo, motor ve jeneratör çekirdeklerinde
kullanılır.
ŞEKİL: Silisyum demir için manyetikleşme eğrisi
başlangıçta oldukça anizotropiktir, manyetikleşme,
(100) yönleri alanla hizaya geldiğinde en kolaydır.
Yumuşak Manyetik Malzemeler
Orta Manyetik Malzemeler

Orta manyetik malzemeler manyetik kayıt ortamlarında
kullanılırlar.

10000<Hc<100000
Sert Manyetik Malzemeler

Kalıcı manyetiklikleri yüksektir.

Yok edici manyetik alan kuvvetleri
büyüktür.

Histerezis eğrileri yüksek ve
geniştir.
Hc >50000 A/m
Sert Manyetik Malzemeler

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

Hc >50000 A/m
Sert Manyetik Malzemeler
Manyetikliği Etkileyen Etkenler

1. SICAKLIK: Malzemelerde sıcaklık arttıkça manyetiklik özelliği azalır. Kritik
bir sıcaklığa erişilince manyetik özellik kaybolur. Bu sıcaklığa “Curie sıcaklığı”
denir(Demirin Curie sıcaklığı 768 ˚C, Kobaltınki 1120°C, nikelinki 335 ˚C „dir).
Manyetikliği Etkileyen Etkenler

2. İÇ YAPISAL ETKENLER:

Kristal türü, distorsiyonlar gibi iç yapı kusurları manyetikliği önemli ölçüde
etkiler.

Kübik kristallerde yerel manyetik bölgeler kolay döner ve yer değiştirir.
Hegzagonal kristallerde is bu olay daha güç oluşur. Bu nedenle sert
manyetiklik eğilimi artar.

Dislokasyonlar ve distorsiyonlar yerel manyetik bölgelerin hareketlerini
zorlaştırır. Tavlanmış metal yumuşak manyetik iken soğuk şekil değiştirilmiş
metal sert manyetiktir. Ayrıca taneler büyüdükçe tane sınır alanları azalır
dolayısıyla yumuşak manyetiklik eğilimi artar.
Manyetikliği Etkileyen Etkenler


3. MEKANİK ETKİ:
Manyetik hale gelmiş bir malzemede manyetik momentler
birbirlerine paralel durumdadır. Çarpma uygulanacak olursa
manyetik momentlerin yönleri rastgele dağılır ve
manyetiklik kaybolur.
Kalıcı Mıknatıslar



Bu mıknatıslar hiçbir manyetik alan yardımı olmaksızın
kullanılmak üzere yapılmışlardır.
Kalıcı (sert) mıknatıslar ilk başta manyetik alan yardımıyla
mıknatıslanırlar ve bu özelliklerini devam ettirirler.
Kalıcı Mıknatıs Çeşitleri:



Çelik: Karbon, alaşım ve paslanmaz türde çeşitleri vardır.
Alnico: Alüminyum, Nikel ve Kobaltın demir esasıyla
karıştırılması ile elde edilir.
Ferrit: Fe2O3 ihtiva eder. Manyetik özellikleri çok kolay bir
biçimde kullanılmasını mümkün kılar.