Ders 9-TERMAL
advertisement
manyetik özellikler İşlenecek konular ● Manyetik özellikler nelerdir? ● Bu özellikleri nasıl ölçeriz? ● Manyetizmanın atomik ölçekte karşılığı nedir? ● Manyetik malzemeler nasıl sınıflanırlar? ● Manyetik depolama için malzeme tasarımı ● Süper iletken mıknatısların önemi nedir? giriş ● Modern teknolojik cihazların büyük kısmı manyetik malzemelerle çalışır. ● Bunlar arasında elektrik güç jeneratörleri, transformatörler, elektrik motorları, radyo, televizyon, bilgisayar, ses ve görüntü üretim ve kayıt cihazlarını sayabiliriz. ● Demir, bazı çelikler, ve doğada bulunan mıknatıs taşı manyetik özellik gösteren malzemelerdir. ● tüm malzemeler bir manyetik alandan az ya da çok etkilenirler. Manyetik malzemeler Dizüstü bilgisayar Hard disk sürücüsü içi (disk 54007200 devir/dk hızda döner.) diz ve masa üstü bilgisayarlarda kullanılan hard disk sürücüleri Hard disk sürücülerinde kullanılan düşey manyetik kayıt malzemesinin TEM görüntüsü. manyetizma Bir mıknatıs üzerine yerleştirilen cam veya mukavva üzerine ince demir tozları serpildiğinde, demir tozları manyetik alan çizgileri denen düzgün çizgiler üzerine toplanır. Manyetik alan ● hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvetlere yol açarlar. ● Manyetik kuvvetler manyetik alan oluşturur. ● Bu manyetik alanı kuvvetin yönünü gösterecek şekilde çizilen bir dizi kuvvet çizgisi ile gösterebiliriz. Manyetik dipoller (çift kutup) ● Manyetik malzemelerde manyetik dipoller bulunur. ● Manyetik dipolleri kuzey ve güney kutupları bulunan küçük mıknatıslar olarak düşünebiliriz. ● Manyetik alanda alanın kendi kuvveti bu dipolleri alanla birlikte yönlendirmek için bir tork uygular. ● örnek: manyetik kumpas iğnelerinin yerküre manyetik alanında yönlenmeleri gibi. Manyetik Alan ve Manyetik Akı ● İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H) oluşur. ● Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs) konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri sıklaşır. ● Malzeme varlığından doğan ek manyetik alan artımına manyetik akı yoğunluğu (B) denir. uygulanan manyetik alan Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan: Manyetik alan H N = sarım sayısı L = bobinin uzunluğu akım I Uygulanan manyetik alan N I H L akım amper-sarım/m boşlukta manyetik akı büyüklüğü: Bo = 0.H 0 : boşluğun manyetik geçirgenliği Manyetik geçirgenlik Boşlukta manyetik alan içine demir konulursa alan çizgileri birbirine yaklaşır; böylece birim alandan geçen manyetik akı artar. demir Manyetik geçirgenlik manyetik alan içine bakır, gümüş, bizmut gibi mıknatıs özelliği olmayan bir madde konulursa alan çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır. bakır Manyetik geçirgenlik Maddelerin manyetik alan çizgilerini seyrekleştirme ya da sıklaştırma özelliğine o maddenin manyetik geçirgenliği () denir. Boşluk için manyetik geçirgenlik, 0 0 = 4.10-7 Wb/A.m Bir ortamdaki B manyetik alan şiddeti, ortamın cinsine, mıknatıslayıcı alana bağlıdır. Manyetik indüklenme B : Manyetik akı yoğunluğu H alanına maruz kalmış bir maddede oluşan iç alan kuvvetinin büyüklüğü; tesla, T (Wb/m2). H ve B alan vektörleridir. Sadece büyüklükleri ile değil ayni zamanda yönleri ile tanımlanırlar. Manyetik alan kuvveti ve akı yoğunluğu ilişkisi: : manyetik geçirgenlik, H alanının geçtiği ve B’nin ölçüldüğü ortamın bir özelliğidir. : Wb/A m veya Henry/ metre (H/m). Manyetik alana yanıt H mıknatıslayıcı alan içinde bir madde var ise, bu maddede mıknatıslanma olur! bu ortamda oluşan manyetik alanın büyüklüğü, B = .H B=H akım I : madde için manyetik geçirgenlik B = Malzemede mıknatıslanma (tesla) µ: Mutlak manyetik geçirgenlik katsayısı Manyetik Alan ve Manyetik Akı Vakumda Manyetik akı yoğunluğu, B0 B0 = 0H (Wb/m2) 0 : vakumun geçirgenliği, 4 x 10-7 H/m. Bir katı maddede manyetik akı yoğunluğu, B = H (Wb/m2) : Katı malzemenin geçirgenliği N I H L akım amper-sarım/m B0=0 H B= H Manyetik geçirgenlik Katıların manyetik özelliklerini tarif etmek için yararlanılan parametrelerden biri, madde içindeki geçirgenliğin vakumun geçirgenliğine oranıdır. r bağıl geçirgenliktir ve birimsizdir. Boşluğun bağıl manyetik geçirgenliği = 1 Havanın bağıl manyetik geçirgenliği = 1 Dielektrik sabiti bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneğini ölçmeye yarayan katsayı r = / 0 Manyetik geçirgenlik Bir ortamın-maddenin manyetik geçirgenliği, bu ortamın bağıl manyetik geçirgenliği (r) ile boşluğun manyetik geçirgenliğinin (o) çarpımına eşittir. = r .o Dielektrik sabiti bir malzemenin üzerinde yük depolayabilme yeteneğini ölçmeye yarayan katsayı = r 0 Manyetik geçirgenlik Maddeler bağıl manyetik geçirgenliklerine göre 3 gruba ayrılır: Diamanyetik maddeler ● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den biraz küçük (r <1) olan maddelerdir. ● Diamanyetik maddeler manyetik alan içine konduklarında manyetik alanı biraz zayıflatır. ● Bakır, gümüş, bizmut ve karbon gibi maddeler diamanyetik maddelerdir. Manyetik geçirgenlik paramanyetik maddeler ● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den biraz yüksek (r >1) olan maddelerdir. ● Paramanyetik maddeler, manyetik alan içine konulduklarında manyetik alanı biraz sıklaştırır. ● Alüminyum ve mangan paramanyetik maddelerdir. Manyetik geçirgenlik ferromanyetik maddeler ● Bağıl manyetik geçirgenlikleri 1’den çok yüksek (r >>1) olan maddelerdir. ● Bu maddeler manyetik alan içine konulduklarında kuvvetli olarak mıknatıslanırlar ve manyetik alan şiddetini çok arttırırlar. ● Bu özellikleri nedeniyle, ferromanyetik maddeler mıknatıslar, elektrik motorları, jeneratörler, manyetik teypler için idealdir. ● Demir, nikel, kobalt ferromanyetiktir. manyetiklik türleri Manyetik indüksiyon B (tesla) (3) ferromanyetik (2) e.g Fe, Ni, Co Paramanyetik E.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr vakum (1) Diamanyetik e.g.,Cu, Au, Si, Ag, Zn Uygulanan manyetik alan kuvveti (H) (amper-sarım adedi/m) Manyetik geçirgenlik Bir malzemenin bağıl geçirgenliği ya da geçirgenliği, o malzemenin indüklenme derecesinin, ya da, bir dış H alanında B alanının oluşturulmasının kolaylığının ölçüsüdür. Bir diğer alan büyüklüğü, M, katı malzemenin mıknatıslanması; B = 0H + 0 M H alanında bir malzemedeki manyetik momentler alana paralel yönlenir ve manyetik alanları ile bu alanı güçlendirirler. 0M terimi onların katkısının ölçüsüdür. Manyetik geçirgenlik ve duyarlılık Kolayca mıknatıslanan manyetik malzemeler yüksek manyetik geçirgenliğe sahiptirler. max max gerçirgenlik M m = H Mıknatıslanma, B (T) Manyetik duyarlılık i ilk geçirgenlik Manyetik alan, H (A/m) Manyetik alana yanıt Manyetik duyarlılık (m) malzemenin vakuma göre yanıtını ölçer. M’nin büyüklüğü uygulanan alana orantılıdır: M = m H Manyetik duyarlılık vs bağıl geçirgenlik: m = r-1 B Manyetik duyarlılık (birimsiz) m > 0 m= 0; vakum m< 0 H Manyetik Alanla İlgili Birimler özellik Manyetik akı yoğunluğu Manyetik alan kuvveti mıknatıslanma Vakum geçirgenliği Bağıl geçirgenlik Manyetik duyarlılık sembol B H M 0 r m birim Tesla (Wb/m2) Amp-sarım/m Amp-sarım/m Henry/m birimsiz birimsiz Manyetik momentlerin kaynağı Elektron: hareket halinde elektrik yükü! Malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri e ların manyetik momentlerinin sonucudur! Her elektron iki tür manyetik momente sahip: elektronun çekirdek etrafındaki yörünge hareketi Kendi ekseni etrafında spin hareketi Net manyetik moment: elektron bütün elektronların momentlerinin spin toplamı manyetik momentler elektron Yörünge Çekirdek Manyetik momentlerin kaynağı ● Her elektron ekseni etrafında döner. Bu dönme hareketinden bir manyetik moment oluşur ve spin ekseni boyunca yönlenir. ● Spin manyetik momentleri sadece yukarı ya da aşağı yönde olabilir. ● Dolayısı ile her bir elektron kalıcı yörünge ve spin manyetik momentleri bulunan küçük birer mıknatıs olarak kabul edilebilir. ● manyetik moment birimi Bohr magneton B dir ve büyüklüğü 9.27x10-24 A.m2 dir. ● her elektron için spin manyetik momenti = B (yukarı spin için + aşağı spin için ). Manyetik momentlerin kaynağı ● Yörünge manyetik moment katkısı: ml B, ml: elektronun manyetik quantum numarası ● Her bir atomda bazı elektron çiftlerinin yörünge momentleri birbirlerini siler. ● Bu durum spin momentleri için de geçerlidir. ● Örneğin, bir e- nun yukarı spin momenti aşağı olanı siler. ● Dolayısı ile bir atomun net manyetik momenti elektronlarının her birinin hem yörünge hem de spin manyetik momentlerinin toplamına eşittir (birbirini silenlerden arta kalan). Manyetik momentlerin kaynağı ● Tamamen dolu yörünge ve alt yörüngeleri olan bir atomda hem yörünge hem de spin momentleri birbirlerini tamamen siler. ● Dolayısı ile tamamen dolu yörüngeleri olan atomlardan oluşan malzemelerin kalıcı olarak indüklenmesi mümkün değildir. ● Bu kategoride olan elementler asal gazlar (He, Ne, Ar, etc.) ve bazı iyonik malzemelerdir. Malzemelerin manyetik özellikleri Atomları elektronlara sahip oldukları için bütün malzemelerin manyetik olması gerektiği düşünülebilir. Ancak malzemelerin manyetik özellikleri arasında çok belirgin farklar vardır. Bazı atomlardaki elektronlar birbirlerinin manyetik etkilerini yok edecek şekilde yönlenirler. Bütün malzemeler bir manyetik etki gösterseler de, bir çok malzemedeki mıknatıslanma ancak çok hassas cihazlarla ölçülebilecek kadar zayıftır. Malzemelerin manyetik özellikleri Manyetizma türleri: Diamanyetizma; Paramanyetizma ve Ferro manyetizma antiferromanyetizma ferrimanyetizma Bütün malzemeler bu manyetizma türlerinden en az birini sergilerler. Gerçekleşen manyetizma elektron ve atomik manyetik dipollerin dışardan uygulanan manyetik alanda nasıl davrandıklarına bağlıdır. Diamanyetizma ● Manyetizmanın çok zayıf bir şeklidir. ● Manyetik alan etkisi altında elektronların yörünge hareketlerinde bir değişiklik olması sonucunda ortaya çıkar. ● Diyamanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar; sadece dışardan bir manyetik alan uygulandığında mıknatıslanma olur. ● Ortaya çıkan manyetik momentin büyüklüğü sınırlı ve yönü uygulanan alanınkine zıttır. ● Bu nedenle bağıl geçirgenlik, r < 1 (r = 0.998 gibi) ve manyetik duyarlılık negatiftir. Diamanyetizma Diamanyetik bir malzemede dış alan olmadığında dipoller de yoktur. Manyetik alanda alan yönüne ters yönlenen dipoller oluşur. Manyetik alan yok! Manyetik alan var! Diamanyetizma ● Diamanyetik malzemelerin kalıcı manyetik momentleri yoktur. ● Uygulanan bir manyetik alanda manyetik momentler oluşur. ● Bu manyetik momentler uygulanan alan yönüne diktir ve toplam manyetik alanı zayıflatır. ● Fakat bu etki çok küçüktür. ● Bütün malzemelerde rastlanır. ● Örnekler: yüksek sıcaklık süperiletkenleri, bakır ve gümüş Diamanyetizma ● r < 1 ve manyetik duyarlılık < 0 olduğundan B alan büyüklüğü diamanyetik katılarda vakumda olduğundan daha küçüktür. ● Diamanyetik katı malzemeler için hacim duyarlılığı m 10-5 kadardır. ● Kuvvetli bir elektromıknatısın kutupları arasına yerleştirildiğinde diamanyetik malzemeler alanın zayıf olduğu bölgelere doğru çekilirler. Diamanyetizma ● Radyum, potasyum, magnezyum, hidrojen, bakır, gümüş, altın ve su diamanyetiktir. ● Diamanyetizma çok zayıf olduğu için, ancak diğer manyetizma türleri olmadığında fark edilebilir. ● Bu tür manyetizmanın pratik bir önemi bulunmaz. paramanyetizma ● Bazı katı maddelerde elektron spin ve/veya yörünge momentleri arasında tam bir silme gerçekleşmediği için her bir atom kalıcı bir dipol momentine sahiptir. ● Bir dış manyetik alan bulunmadığında, atomik manyetik momentler gelişigüzeldir. Bu malzemeler net bir makroskopik mıknatıslanma göstermez. ● dipoller rotasyon için serbesttir ve bir manyetik alan etkisinde rotasyonla tercihli olarak yönlendiklerinde ortaya paramanyetizma çıkar. ● Bu manyetik dipoller aralarında bir etkileşim olmaksızın bireysel olarak hareket ederler. paramanyetizma güçlü bir manyetik alana paralel şekilde yönlenme olur. Paramanyetik malzemeler kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. çift sayıda elektronlara sahip maddelerde görülür. Örnek: Cr Si Al Hava paramanyetizma ● Dipoller dış alanla birlikte yönlenirken ayni zamanda bu alanı kuvvetlendirirler ve bağıl geçirgenlik “1” den büyüktür (r > 1; r=1.001 gibi) ● oldukça küçük fakat pozitif bir manyetik duyarlılığa yol açarlar. ● Paramanyetik malzemeler için duyarlılık 10-5 ile 102 arasında değişir. ● Gerek dia gerek paramanyetik malzemeler sadece bir manyetik alanda mıknatıslanma gösterirler ve manyetik değildirler. ● Her 2 grup malzemede akı yoğunluğu B, vakumda olduğu kadardır. Paramanyetizma ● Paramanyetik malzemelerin kalıcı manyetik momentleri vardır. ● Oda sıcaklığında bu momentler rastgele dizilmiştir. ● Uygulanan bir manyetik alana çok az (%0.01) katkıda bulunurlar (B’yi %0.01 kadar arttırırlar!) ● Örnekler: oksijen; alüminyum, tungsten, platin Akı yoğunluğu, B diamanyetizma ve paramanyetizma paramanyetik vakum diamanyetik manyetik alan kuvveti, H Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler için akı yoğunluğu, B, vs manyetik alan kuvveti H ilişkisi Elektron konfigürasyonu Cl atomlarının e- konfigürasyonu: 3s2 3p5 Çiftleşmemiş bir elektronu olduğu için Cl atomları paramanyetiktir. Zn atomlarının e- konfigürasyonu: 4s2 3d10 Tüm elektronları çiftleşmiş olduğu için Zn atomları diamanyetiktir. manyetiklik türleri B (1 )oH Manyetik indüksiyon B (tesla) (3) ferromanyetik ferrimanyetik ( 106 !) Vakumun geçirgenliği: (1.26 x 10-6 H/m) e.g. Fe3O4, NiFe2O4 e.g. ferrit(), Co, Ni, Gd -4 Paramanyetik 10 (2) e.g., Al, Cr, Mo, Na, Ti, Zr vakum ( = 0) (1) Diamanyetik ( -10-5 ) e.g., Al 2 O3 , Cu, Au, Si, Ag, Zn Uygulanan manyetik alan kuvveti (H) (amper-sarım adedi/m) 3 tür için manyetik momentler (2) paramanyetik rastgele yönlenmiş (3) ferromanyetik ferrimanyetik yönlenmiş ters Manyetik alan (H>0) yönlenmiş (1) diamanyetik yok Manyetik alan yok (H = 0) Malzemelerin manyetik özellikleri diamanyetik malzemelerde, elektronlar birbirlerinin manyetik alanlarını yok edecek şekilde yönlenmiştir. paramanyetik malzemelerde atomlar manyetiktir fakat atomların kendileri rastgele konumlanmıştır ve malzemenin toplam mıknatıslanması sıfırdır. Paramanyetik malzemeler manyetik alana konduklarında atomlar malzeme zayıf mıknatıslanma gösterecek şekilde yönlenirler. diamanyetiklik ve paramanyetiklik Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler için oda sıcaklığı manyetik duyarlılıkları Diamanyetik malzemeler duyarlılık malzeme Paramanyetik malzemeler duyarlılık malzeme Ferromanyetik malzemeler ferromanyetik malzemeler bir dış manyetik alan olmadığında kalıcı bir manyetik momente sahiptirler. Manyetik duyarlılık r >> 1 (r=106 gibi) H<<M Ferromanyetik malzemelerde mıknatıslanma etkisi kuvvetlidir. Ferromanyetik malzemeler manyetik bir alana maruz kaldıklarında kalıcı olarak mıknatıslanırlar. ferromanyetizma ferromanyetizma bazı geçiş metalleri, demir (HMK ferrit), Kobalt, nikel, ve bazı nadir toprak metallerinde (gadoloniyum, Gd) görülür. Ferromanyetik malzemelerde, manyetik akı yoğunluğu ve mıknatıslanma ilişkisi: 0M >> 0H B = 0 H + 0M B ≈ 0M ferromanyetizma ● Ferromanyetik malzemelerde kalıcı manyetik momentler elektron yapısı nedeniyle silinmemiş elektron spinlerinden kaynaklanan atomik manyetik momentlerden ileri gelir. ● Ayrıca, spin momentlerine göre daha küçük yörünge manyetik moment katkısı da vardır. ● Ferromanyetik malzemelerde komşu atomlar bir dış alan etkisi olmadığında bile ortaklaşa yönlenerek net spin manyetik momentleri oluştururlar. Bu spin yönlenmesi domen adı verilen oldukça geniş bölgelerde görülürler. ferromanyetizma ● Ferromanyetik malzemeler kalıcı manyetik momente sahiptirler. ● Bu manyetik momentler rastgele dizilmiştir. ● Bir dış alan uygulandığında manyetik momentler kendilerini alan yönünde sıralanırlar. ● Bu şekilde dış manyetik alanı önemli ölçüde kuvvetlendirirler. Doygunluk mıknatıslanması Ferromanyetik bir malzemede manyetik dipollerin tamamı dış alanla birlikte yönlendiklerinde mıknatıslanma maksimum değerine ulaşır ve buna maksimum veya doygunluk mıknatıslanması (Ms) denir. Buna denk olan akı yoğunluğuna da doygunluk akı yoğunluğu (Bs) denir. Doygunluk mıknatıslanması her bir atomun net manyetik momentinin atom sayısı (N) ile çarpımına eşittir Ms = manyetik moment/atom x N atom başına net manyetik moment 1B = 9.27 x 10-24 A.m2 Demir: 2.22 B / Kobalt: 1.72 B / Nikel: 0.60 B ferromanyetik malzemeler Fe, Ni ve Co’dan oluşan küçük bir metal grubu çok kuvvetli manyetik özellik sergiler. Bu metaller ferromanyetik malzemelerin en iyi bilinen örnekleridir. Benzer manyetik yönlenmelere sahip atomlar komşu atomlarla birlikte manyetik domen denilen gruplarda toplanırlar. Manyetik domen tek atom Malzemelerin manyetik özellikleri Ferromanyetik bir malzemede manyetik domenler kendilerini daima bir mıknatısı çekecek şekilde yönlendirirler. Eğer bir kuzey kutup yaklaşırsa güney kutupları bu kutbu gören domenler büyür. Kuzey kutup yaklaşırsa tersi olur. Kuzey kutup tarafından mıknatıslanma güney kutup tarafından mıknatıslanma Malzemelerin manyetik özellikleri mıknatıslanmamış Kuzey kutup tarafından mıknatıslanma güney kutup tarafından mıknatıslanma Ferromanyetizma Ferromanyetik malzemeler (Fe, Ni, Co ve alaşımları) Komşu atomların manyetik momentleri arasındaki kuvvetli etkileşim nedeniyle gelişigüzel yönlenmiş manyetik domenlere sahiptir. Bir manyetik alan uygulandığında bu alana paralel yönlenmiş domenler büyürken diğerleri küçülür ve sonunda alana paralel domen tüm yapıya hakim olur. Bu aşamada doygunluk mıknatıslanmasına ulaşılmış olur. problem 8.9 g/cm3 yoğunluğa sahip Nikel için (a) doygunluk mıknatıslanmasını ve doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın. a) Doygunluk mıknatıslanması atom başına Bohr magneton sayısı (Nikel için 0.60) ile Bohr magneton büyüklüğü (B) ve birim hacimdeki atom sayısı (N) çarpımına eşittir: Ms = 0.60 B N Birim hacimdeki atom sayısı; N = NA/ANi = (8.9 x 106 g/m3) (6.022 x 1023 atom/mol)/58.71 g/mol = 9.13 x 1028 atom/m3 1B = 9.27 x 10-24 A.m2 Ms = (0.60 Bohr magneton/atom) (9.27 x 10-24 A.m2/Bohr magneton) (9.13 x 1028 atom/m3) = 5.1 x 105 A/m problem (b) doygunluk akı yoğunluğunu hesaplayın. Ferromanyetik malzemelerde 0M >> 0H B = 0H + 0M B ≈ 0M Bs 0Ms Bs = 0Ms = (4 x 10-7 H/m) (5.1x 105 A/m) = 0.64 T antiferromanyetizma ● Komşu atom veya iyonların spin momentlerinin birbirine zıt yönlenmelerine antiferromanyetizma adı verilir. ● MnO iyonik karaktere sahip seramik bir malzemedir ve antiferromanyetizma sergiler. ● Hem spin hem de yörünge momentleri birbirlerini tamamen sildiklerinden O-2 iyonlarının net bir manyetik momenti yoktur. antiferromanyetizma ● Mn+2 iyonlarının elektron spin hareketinden kaynaklanan net bir manyetik momenti vardır. ● Mn+2 iyonları kristal yapıda komşu iyonların momentleri zıt olacak şekilde dizilirler. ● Doğal olarak zıt momentler birbirlerini yok ederler ve bu durumda malzemenin net bir manyetik momenti olmaz. antiferromanyetizma ● Antiferromanyetizma paramanyetik atomlardan oluşan maddelerde gözlenir. ● Malzemeyi oluşturan atomlar aynı büyüklükte moment meydana getirmiş ve bunlar karşılıklı etkileşme ile zıt yönlerde düzenlenmişse birbirlerini yok ederler. ● Sonuçta madde diamanyetizma benzeri bir davranışa sahip olacaktır ki bu özelliğe Antiferromanyetizma denir. antiferromanyetizma ● Antiferromanyetik maddeler tüm sıcaklıklarda düşük doygunluk değerlerine sahiptirler. ● Antiferromanyetik maddelerde sıcaklıkla doygunluğun değişimi bir kritik sıcaklıkta (Neel sıcaklığı) maksimum değeri verir. ● Neel sıcaklığının altında antiferromanyetik davranış gösterirken, üstünde paramanyetik davranış gösterirler. Ferrimanyetik malzemeler Bazı seramikler ferrimanyetizma denen kalıcı bir mıknatıslanma sergilerler. Farklı manyetik momente sahip malzemelerin atomik mıknatısları birbirlerini yok etmezler. r >>1 (r=103 gibi) Örnek: Manyetit (Fe3O4)+ Ni ferrimanyetizma ● Bu mineralde Fe iyonları 1:2 oranında olmak üzere hem +2 hem de +3 valens hallerinde mevcuttur. ● Her bir Fe+2 ve Fe+3 iyonu için 4 ve 5 Bohr magnetona denk net bir spin manyetik momenti mevcuttur. ● O2- iyonları ise manyetik olarak nötrdür. ● Fe+2 ve Fe+3 iyonları arasında karakter itibarı ile antiferromanyetizme benzeyen zıt spin etkileşimleri bulunur. ● net ferrimanyetik moment spin momentlerinin birbirlerini tam anlamıyla silmemiş olmasından kaynaklanır. ferrimanyetizma Fe3O4’de Fe2+ ve Fe3+ iyonları için spin manyetik momentlerinin konfigürasyonu ferrimanyetizma katyon Fe3+ Fe2+ Oktahedral kafes konumu tetrahedral kafes konumu Net manyetik moment Eksiksiz silme ferrimanyetizma ● Ferro ve ferrimanyetik malzemelerin makroskopik manyetik karakterleri birbirine benzer. ● Ayırt edici özellikleri, net manyetik momentlerin kaynağındadır. ● Ferrimanyetizmin özellikleri kübik ferritlerde görülür. ● Bu iyonik katıların kimyasal formülü MFe2O4 şeklinde ifade edilir. ● Buradaki M birkaç metalden birini temsil etmektedir. ● Prototip ferrit için magnetit mineralini, Fe3O4, düşünebiliriz. ferrimanyetizma ● Ferrimanyetizma, maddede paramanyetik atomlar tarafından iki veya daha fazla türde moment oluşturulmuşsa gözlenebilen bir özelliktir. ● Farklı değerlerdeki momentlerin zıt yönlerde dizilişlerinden bu momentlerin farklarına eşit bir moment doğar, böylece ferrimanyetizma ortaya çıkar. ● Ferrimanyetik maddeler ferromanyetiklere benzer şekilde oda sıcaklığında kendiliğinden manyetizasyonu olan endüstriyel açıdan daha fazla önemi olan manyetik malzemelerdir. problem Her bir kübik birim hücre 8 adet Fe2+ ve 16 Fe3+ iyonu bulundurduğuna, kübik hücre kenar uzunluğu 0.839 nm olduğuna göre, Fe3O4 için doygunluk mıknatıslanmasını hesaplayın. Doygunluk mıknatıslanması 1m3’deki Bohr magneton sayısı (N) ile Bohr magnetonu manyetik momenti (B) çarpımına eşittir. Ms = NB N birim hücredeki Bohr magnetonu sayısının (nB) birim hücre hacmine (Vc) bölünmesi ile elde edilir: N=nB/Vc problem Net mıknatıslanma sadece Fe2+ iyonlarından kaynaklanır. Birim hücrede 8 adet Fe2+ iyonu ve her bir iyon için 4 Bohr magnetonu olduğuna göre, nB=32 dir. Ayrıca VC= a3 problem Doygunluk mıknatıslanması 5.25 x 105 A/m olan karma ferrit manyetik bir malzeme tasarlayın. Fe3O4 için Doygunluk mıknatıslanması (Ms) 5 x 105 A/m dir. Ms değerini 5.25 x 105 A/m e arttırmak için Fe2+ katyonlarının bir kısmını manyetik momenti daha yüksek olan divalent bir iyon ile, mesela Mn2+ ile değiştirmek gerekir. Fe2+ için 4 Bohr magneton olan değer Mn2+ için 5 Bohr magnetondur. Mn2+ ilavesi ile birim hücre kenar uzunluğunun değişmediğini varsayarak birim hücrede kaç Bohr magneton (nB) olduğunu hesaplayalım. No problem! nB = Ms a3/B = (5.25 x 105 A/m) (0.839 x 10-9 m)3/birim hücre 9.27 x 10-24 Am2/Bohr magneton nB = 33.45 Bohr magneton / birim hücre Fe2+ iyonlarının yerini alan Mn2+ iyonlarının oranı “x” olsun. Kalan Fe2+ iyonlarının oranı = 1-x Birim hücrede 2 değerlikli 8 iyon olduğuna göre, 8[5x + 4 (1-x)] = 33.45 x = 0.181 Fe3O4’de Fe2+ iyonlarının %18.1’i Mn2+ ile değiştirilirse Ms değeri = 5.25 x 105 A/m olur. Manyetik davranışa sıcaklık etkisi ● Sıcaklığın artması atomların ısıl titreşimlerinin artmasına yol açar. ● Atomik manyetik momentler rotasyon için özgürdür. Artan sıcaklıkla atomların artan ısıl hareketliliği yönlenmek isteyen momentlerin dağınıklaşmasına yol açar. ● Ferromanyetik, antiferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde komşu atomik dipole momentleri arasındaki uyum eğilimi ısıl hareketlilikten zarar görür ve yükselen sıcaklık dış bir manyetik alan olsa da olmasa da, dipole uyuşmazlıklarına yol açar. Manyetik davranışa sıcaklık etkisi ● Bu durum hem ferro hem de ferri mıknatıslar için doygunluk manyetizasyonunda bir düşmeye neden olur. ● Doygunluk manyetizasyonu ısıl titreşimlerin en düşük seviyede olduğu 0 K’de maksimum değerine ulaşır. ● Artan sıcaklıkla doygunluk manyetizasyonu giderek azalır ve Curie sıcaklığında (Tc) birden sıfıra düşer. Manyetik davranışa sıcaklık etkisi ● Tc’de spin uyum kuvvetleri tamamen zarar görür ve bu sıcaklığın üstünde ferro ve ferrimanyetik malzemeler paramanyetik hale geçer. ● Curie sıcaklığının büyüklüğü malzemeden malzemeye değişir. ● Örneğin Fe, Co, Ni ve Fe3O4 için 768, 1120, 354 ve 585 C’dir. ● Antiferromanyetizm de sıcaklıktan etkilenir. Antiferromanyetizm Neel sıcaklığında kaybolur. ● Neel sıcaklığı üstünde antiferromanyetik malzemeler de paramanyetik olurlar. Manyetik davranışa sıcaklık etkisi Saf demir Fe3O4 Sıcaklık (C) Doygunluk akı yoğunluğu Bs (gauss) Demir ve Fe3O4 için doygunluk mıknatıslanmasının sıcaklığa bağlı değişimi. Doygunluk mıknatıslanması Ms (106 A/m) Fe ve Fe3O4 için manyetizasyon sıcaklık ilişkisi Manyetikliği Etkileyen faktörler yapısal faktörler Kristal türü ve iç yapı kusurları manyetikliği önemli ölçüde etkiler. deformasyon Mıknatıslanan bir malzemede manyetik momentler birbirlerine paraleldir. Deformasyonla manyetik momentler yönleri dağılır ve mıknatıslanma kaybolur. Domenler ● Tc sıcaklığı altında ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde, manyetik dipol momentlerinin paralel yönlendiği mikro bölgeler bulunur. ● Bu bölgelere domen denir. ● Her biri kendi doygunluk mıknatıslanmasına sahiptir. ● Bu bölgeler domen sınırları veya duvarları ile birbirinden ayrılır. ● Mıknatıslanmanın yönü bu sınırlardan geçerken değişir. Domenler ● Çok kristalli bir malzemede her bir tanede birden fazla domen bulunabilir. ● Dolayısı ile makro büyüklükteki bir parçada çok sayıda domen vardır. ● Her bir domen manyetik alanda farklı yönlenebilir. ● Parçanın tümü için M alanının büyüklüğü (mıknatıslanma) tüm domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamına eşittir. ● Her bir domenin katkısı hacim oranı ile orantılıdır. ● Mıknatıslanmamış bir parçada domenlerin mıknatıslanmalarının toplamı sıfırdır. Domenler Ferromanyetik veya ferrimanyetik bir malzemede her bir domen içinde dipollerin tamamı ayni yöndedir. Ancak komşu domenlerde bu ortak yön değişiktir. Domen 1 Domen 2 Domen sınırı Domenler Domen sınırında manyetik dipol yönlenmesindeki kademeli değişim Domen sınırı Domenler Domenler Alnico mikroyapısı-domen bantları TEM MOKE: Magneto Optik Kerr Etkisi Mıknatıslanmış yüzeyin ışığı yansıtmasındaki değişiklik Elektrik çeliğinin tek bir tanesi içinde manyetik domenler. Foto genişliği 0.1mm. Kerr etkisi ile çekilmiş (MOKE). Domenler 1000 angström kalınlığında Kobalt filminde domen yapıları: manyetik alan yok manyetik alan var- MOKE Manyetik Özelliklerin Ölçümü Manyetik malzemelerin özellikleri malzemenin B- H histeresiz eğrisinden belirlenir. Malzemeye H alanı uygulanır ve bunun sonucu olan ölçülür. B Domenler ve histerisiz Ferro-ferrimanyetik bir malzemede B-H davranışı Akı yoğunluğu (B) Mıknatıslanma (M) Bs (Ms) Doygunluk akı yoğunluğu:Bs mıknatıslanma: Ms ilk manyetik geçirgenlik:i dış Manyetik alan (H) Ferro ve ferrimanyetik malzemeler için akı yoğunluğu (B) ve alan şiddeti (H) orantılı değil! dış alanla paralel yönlenen domenler yönlenmeyenlere göre daha hızlı büyür. Domenler Manyetik domenler Manyetik alan yok! mıknatıs Manyetik alan etkisi! Domenler ve histerisiz H arttıkça B önce yavaşça daha sonra süratle artmaya başlar ve en sonunda bu artış sona erer ve B H’den bağımsız hale gelir. B’nin aldığı en yüksek değere doygunluk akı yoğunluğu (Bs), buna denk gelen mıknatıslanmaya ise doygunluk Mıknatıslanması denir. Domenler ve histerisiz B vs H eğrisinin eğimi geçirgenlik olduğundan, geçirgenlik H ile değişir ve ona bağlıdır. B vs H eğrisinin H=0 noktasındaki eğimi ilk geçirgenlik (initial permeability) bir malzeme parametresidir. Domenler ve histerisiz ● H alanı etkisi altında domenler şekil ve boyut değiştirirler. ● Başlangıçta domenlerin momentleri rastgele yönlenmiştir ve bu nedenle net bir mıknatıslanma olmaz. ● Dışardan uygulanan alana paralel yönlenen domenler diğerlerinden daha fazla büyür ve onların yerini alır. ● alan şiddetinin artması ile en sonunda parça alan ile ayni yönlenmede tek bir domen haline gelir. ● Bu domen H alanı ile birlikte yönlendiğinde doygunluk gerçekleşir. histerisiz Doygunluk noktasından itibaren H alan şiddeti alanın yönü değiştirilerek azaltıldığında B-H eğrisi orijinal çizgisini takip etmez. B alanının uygulanan H alanının gerisinde kalması veya daha yavaş değişmesi ile bir histerisiz etkisi oluşur. histerisiz H alanı sıfırlandığında parçada hala bir miktar mıknatıslanma vardır. Buna remanens veya remanens akı yoğunluğu (Br) denir. Bir dış manyetik alan (H) olmaksızın malzeme mıknatıslanmış olarak kalır. Mıknatıslanma alan ters yönde Hc değerine ulaştığında sıfırlanır. Hc: koersif kuvvet histerisiz doygunluk Kalıcı mıknatıslanma Koersif kuvvet histerisiz ● Histerisiz davranışı ve kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketi ile açıklanabilir. ● Alan yönünün doygunluktan itibaren tersine döndürülmesi ile domen yapısının değişim süreci de tersine döner. ● İlk anda, tersine dönen alanla tek bir domenin rotasyonu gerçekleşir. ● Daha sonra yeni alanla birlikte yönlenmiş manyetik momentleri olan domenler oluşur ve bunlar daha önceki domenlerin yerini alarak büyür. histerisiz ● Bu mekanizmada kritik olan manyetik alanın ters yönde büyümesi sırasında domen sınırlarının hareketlenmesine direnç konusudur. ● B’nin H değişime ayak uyduramaması ve geri kalmasının ve bir histerisiz etkisi ortaya çıkmasının nedeni bu dirençtir. ● Uygulanan alan sıfırlandığında yapıda hala hatırı sayılır miktarda daha önceki alana göre yönlenmiş domen bulunur. ● remanens (Br) bu şekilde ortaya çıkar. histerisiz ● Parçadaki alanı sıfıra düşürmek için, orijinal alanınkine ters yönde, Hc şiddetinde bir dış H alanı uygulamak gerekir. ● Hc’ye koersivite veya koersif kuvvet denir. ● Ters yönde alan uygulanmasına devam edildikçe en sonunda ters yönde doygunluk elde edilir. ● Alanın ikinci kez yön değiştirmesiyle tekrar ilk doygunluk mıknatıslanma noktasına ulaşılır ve B-H çevrimi bir histerisiz etkisi içerecek şekilde tamamlanmış olur. ● Bu çevrimde negatif remanens (-Br) ve pozitif koersivite (+Hc) değerleri de mevcuttur. histerisiz ferromanyetik/ ferrimanyetik Akı yoğunluğu B (tesla) Ferro ve ferrimanyetik malzemelerinki tipik lineer olmayan bir histerisiz davranışı iken, para- ve diamanyetik malzemelerde B’nin H ile değişimi lineerdir. Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Para/diamanyetik malzemeler Paramanyetik ve diamanyetik malzemelerde 0.00005 Tesla ferromanyetik/ ferrimanyetik Akı yoğunluğu B (tesla) 30 A/M şiddetindeki bir manyetik alanda Ferro/ferrimanyetik malzemelerde akı yoğunluğu 1.5 Tesla Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Manyetik anizotropi Manyetik histerisiz eğrileri bazı faktörlere bağlı olarak farklı şekiller alır. ● Malzemenin tek veya çok kristalli olması ● Çok kristalli olması halinde, tanelerin tercihli yönlenmesi ● Gözenek veya ikinci faz partiküllerinin varlığı ● Sıcaklık ve stres uygulanmışsa, stres durumu Mesela, ferromanyetik bir malzemenin tek kristali için B (veya M) vs H eğrisi uygulanan H alanına göre kristalin kristallografik yönlenmesine bağlıdır. Manyetik davranışın kristallografik yöne bağlı olmasına manyetik anizotropi denir. Demir ve nikel tek kristalleri için manyetizasyon eğrileri Akı yoğunluğu B (tesla) Manyetik anizotropi Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Manyetik anizotropi Akı yoğunluğu B (tesla) Kobalt tek kristalleri için manyetizasyon eğrileri Manyetik alan kuvveti, H (A/m) Manyetik anizotropi ● Bu malzemelerin her biri için mıknatıslanmanın en kolay gerçekleştiği bir kristallografik yön vardır. ● Bu yönde doygunluk en küçük H alanı ile elde edilir. ● Bu yöne kolay mıknatıslanma yönü denir. ● Örneğin, Nikelde bu yön [111] yönüdür. [110] ve [100] yönlerinde doygunluk daha büyük H alanlarında ortaya çıkar. ● Fe ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile [100] ve [0001]’dir. Manyetik anizotropi Bunun tersi olarak zor kirtallografik yön, doygunluk mıknatıslanmasına en zor ulaşılan yöndür. Ni, Fe ve Co için zor mıknatıslanma yönleri sırası ile [100], [111], ve [10-10]/[11-20] dır. Kolay mıknatıslanma yönleri uygulanan H alanının yönüne en yakın konumlanan domenler diğerlerinden daha avantajlıdır ve diğerleri küçülürken onlar daha çabuk büyür. Manyetik malzemeler Manyetik malzemeler Demirin 6 adet 3d elektronu var. Bunlardan 2 tanesi ters spinli. Geriye kalan 4 elektrondan gelen 4 Bohr magneton spin manyetik momentine sahip! Kobaltın çiftlenmemiş 3, nikelin 2 elektronu var. Yörünge momentlerini de hesaba kattığımızda, Atom başına Fe; 2.22 μB / Co; 1.72 μB / Ni; 0.60 μB Manyetik moment Bohr magnetons, B Elektron sayısı Manyetik Malzemeler Manyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi yok edici kuvvet (Hc) özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Malzeme Tipi Hc (A/m) Yumuşak Sert Hc<1000 50.000<Hc Uygulama Elektromıknatıs, trafo motor, jeneratör Hoparlör, video kayıt cihazı, TV, saat manyetik malzemeler Gerek ferro gerek ferrimanyetik malzemeler histerisiz eğrilerinin karakterine göre ya sert ya da yumuşak olarak tanımlanırlar. Histerisiz eğrisi içinde kalan alan B-H çevriminde malzemenin birim hacminde manyetik enerji kaybını temsil eder. Bu manyetik enerji kaybı malzeme içinde ısınma şeklinde gerçekleşir ve malzeme sıcaklığı artar. Yumuşak manyetik malzemeler ● Bu nedenle histerisiz eğrisi içinde kalan alan küçük olmalıdır. ● Tipik olarak bu eğri ince ve dar olmalıdır. ● Bu durumda yumuşak manyetik malzemeler yüksek bir erken geçirgenlik ve düşük koersivite sahibi olmalıdır. ● Bu özelliklere sahip bir malzeme oldukça zayıf bir alan uygulaması ile doygunluk manyetizasyonuna ulaşabilir (kolayca manyetize ve demanyetize olabilir). Yumuşak Manyetik Malzemeler Kolay mıknatıslanırlar. Mıknatıslanmaları kolay kaybolur. Manyetik geçirgenlikleri yüksektir. Kalıcı mıknatıslanmaları düşüktür. Yok edici manyetik alan kuvvetleri küçüktür. Hc < 1000 A/m yumuşak mıknatıslar İdeal yumuşak manyetik malzeme küçük koersif kuvvet yumuşak ferromanyetik malzeme Yumuşak manyetik malzemeler ● Yumuşak manyetik malzemeler alternatif manyetik alanlara maruz kalan ve bu nedenle enerji kayıpları az olması gereken cihazlarda kullanılırlar. ● Örnek: transformatörler; elektrik motorları ● Demir, metal türü yumuşak manyetik malzemedir. Yumuşak manyetik malzemeler ● Doygunluk akı yoğunluğu veya mıknatıslanma sadece malzeme bileşimi tarafından belirlenir. ● Örneğin kübik ferritlerde, FeO–Fe2O’de Fe2+ metal iyonunun Ni2+ gibi divalent metal iyonu ile yer değiştirmesi doygunluk mıknatıslanmasını değiştirecektir. ● Ancak, histerisiz eğrisinin şeklini belirleyen duyarlılık ve koersivite (Hc) bileşimden ziyade yapısal değişkenlerden etkilenir. Yumuşak manyetik malzemeler ● düşük bir koersivite değeri manyetik alanın şiddeti ve/veya yönü değiştiğinde doman sınırlarının kolayca hareket edebilmesi demektir. ● Manyetik malzemede manyetik olmayan bir fazın partikülleri veya boşluklar vb yapısal hatalar domen sınırlarının hareketini engelleyerek koersiviteyi arttırırlar. ● Dolayısı ile yumuşak manyetik malzemelerde bu gibi hatalar bulunmamalıdır. Yumuşak manyetik malzemeler ● Yumuşak manyetik malzemeler için önemli bir diğer özellik elektrik direncidir. ● Histerisiz enerji kayıplarına ilave olarak, manyetik malzemelerde zamanla manyetik alan şiddeti ve yönündeki değişiklikle Eddy akımları oluşur ve enerji kaybına yol açar. ● Yumuşak manyetik malzemelerde Eddy akım kayıplarını, elektriksel direnci arttırarak en aza indirmek isteriz. ● Bu nedenle Ferromanyetik malzemeler saf demir yerine katı eriyik alaşımlarından (Fe-Si ve Fe-Ni alaşımları) imal edilir. Yumuşak manyetik malzemeler ● Doğal yalıtkan oldukları için seramik ferritler yumuşak manyetik malzemelere gerek duyulan uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. ● Ancak, oldukça küçük duyarlılıkları olduğu için kullanımları sınırlıdır. ● Yumuşak manyetik malzemelerin histerisiz kayıpları bazı uygulamalar için manyetik alanda bir ısıl işlemle daha da küçültülebilir. ● Yumuşak manyetik malzemeler jeneratörlerde, motorlarda, dinamolarda ve anahtarlı devrelerde yaygın olarak kullanılırlar. Transformatör çekirdekleri ● Transformatör çekirdeklerinde kolayca mıknatıslanıp, bu mıknatıslanmayı kolayca kaybeden yumuşak manyetik malzemelerin kullanılması gerekir. ● İdeali, manyetik anizotropik olan tek kristallerin kullanılmasıdır. Ancak tek kristallerin üretimi maliyetlidir. Bunun yerine haddeleme ile yönlenme sağlanmış elektrik sacları kullanılır. ● Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır. Silisli demir-elektrik sacı Hadde ile kolay mıknatıslanma yönü uygulanan manyetik alana paralel olacak şekilde üretilen elektrik sacları ile tek kristaller kadar olmasa da, çekirdek kayıpları sınırlıdır : Fe-3Si Demir alaşımlı çekirdek Primer sarım Hadde düzlemi Hadde yönü sekonder sarım B alanı (110) düzlemi [001] yönü Silisli demir-elektrik sacı ● 1900’da demire silisyum ilave edilmesinin yararlı olduğu anlaşıldı. ● %3 kadar Si sadece geçirgenliği arttırmakla kalmadı, alaşımsız demire göre koersif kuvveti de düşürdü. ● Kütle metal çekirdekler yerine laminasyon sac plakalar kullanılarak Eddy akım hatları kesildi ve böylece çekirdek kayıpları azaltıldı. ● Hidrojen tavları ile karbon miktarı düşürülerek, tane çapı ayarlanarak, haddeleme ile uygun tekstür oluşturularak, tabaka levha içinde çekme gerilmeleri oluşturularak histerisiz kayıpları daha da azaltıldı. ● Zamanla çekirdek kayıpları 8W/kg’dan 0.4W /kg seviyesine düştü. Yumuşak Manyetik Malzemeler malzeme bileşim İlk bağıl Doygunluk akı geçirgenlik yoğunluğu Bs (i) (tesla) Histerisiz Direnç kaybı (.m) (J/m3) Ticari demir ingot 99.95 Fe 150 2.14 270 1.0 x 10-7 Yönlenmiş Si-Fe 97Fe-3Si 1400 2.01 40 4.7 x 10-7 45 permaloy 55Fe-45Ni 2500 1.60 120 4.5 x 10-7 supermaloy 79Ni, 15Fe, 5Mo, 0.5Mn 75000 0.80 - 6.0 x 10-7 Ferroxcube A 48 MnFe2O4, 52 ZnFe2O4 1400 0.33 40 2000 Ferroxcube B 36 NiFe2O4, 64 ZnFe2O4 650 0.36 35 107 Sert manyetik malzemeler H alanını kaldır, yönlenme kalır! => Kalıcı mıknatıs! koersivite, HC Mıknatıslanmanın sona ermesi için negatif alan uygulamak gerekir! B H alanı uygula ve yönlenme sağla uygulanan Manyetik alan (H) Manyetik alan yok iken durum Sert Manyetik Malzemeler sert manyetik malzemeler yüksek bir remanens, koersivite ve doygunluk akı yoğunluğuna ilave olarak düşük bir erken geçirgenlik ve geniş bir histerisize sahip olmalıdır. Kalıcı manyetiklikleri yüksektir. Yok edici manyetik alan kuvvetleri büyüktür. Histerezis eğrileri uzun ve geniştir. Hc > 50000 A/m Sert mıknatıslar İdeal sert manyetik malzeme Büyük koersif kuvvet Sert ferromanyetik malzeme Sert manyetik malzemeler Bu malzemelerin uygulama alanlarında en önemli özellikler: koersivite ve enerji çarpanıdır: (BH)max B-H eğrisinin 2. çeyreği içine sığabilen en büyük B-H dikdörtgeninin alanı. Birimi kJ/m3 (MGOe). (BH)max, sert bir mıknatısı demanyetize etmek için gerekli enerjiyi temsil eder. Sert manyetik malzemeler ● (BH)max ne kadar büyük ise, malzeme manyetik özellikleri yönünden o kadar serttir. ● Histerisiz davranışı, manyetik domen sınırlarının hareketliliğine bağılıdır. ● Domen sınırlarının hareketi engellenerek, koersivite ve duyarlılık arttırılabilir ve bu şekilde demanyetizasyon için kuvvetli bir dış alan gerekli olur. ● Bu özellikler malzemenin mikroyapısı ile ilişkilidir. Sert Manyetik Malzemeler Endüstride kullanılan en önemli sert ferromanyetik malzeme alnico alaşımlarıdır. (%50’si Al, Ni, Co, geri kalanı Fe). Sert manyetik malzemeler, mıknatıslanma kaybına yüksek direnç göstermesi gereken kalıcı mıknatısların imalatında kullanılırlar. Hoparlör Video kayıt cihazı TV sert manyetik malzemeler ● Bu mıknatıslar hiçbir manyetik alan yardımı olmaksızın kullanılmak üzere yapılmışlardır. ● Kalıcı (sert) mıknatıslar ilk başta manyetik alan yardımıyla mıknatıslanırlar ve bu özelliklerini devam ettirirler. Sert manyetik malzemeler 2 gruba ayrılırlar. Geleneksel ve yüksek enerji mıknatısları sert manyetik malzemeler ● Geleneksel olanlarda (BH)max değerleri yaklaşık 2 ile 80 kJ/m3 (0.25 and 10 MGOe) arasında değişir. ● Bu malzemeler mıknatıs çelikleri, Cunife (Cu–Ni– Fe) alaşımları, Alnico (Al–Ni–Co) alaşımları—ve hekzagonal ferritler BaO–6Fe2O3 dir. ● Sert mıknatıs çelikleri genellikle Tungsten ve/veya Cr ile alaşımlanırlar. ● Uygun ısıl işlemle bu 2 element karbon ile birleşerek W- ve Cr-karbürleri yaparlar. ● Bu karbürler domen sınırlarının hareketini engeller ve manyetik sertliği arttırırlar. Kalıcı Mıknatıslar Geleneksel 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. Kalıcı Mıknatıslar Mıknatıs taşı: ilk kalıcı mıknatıs: Doğada bulunan Fe3O4. Üretilen manyetik alan düşük fakat mıknatıslanma kaybına direnç bir hayli yüksek. Manyetik karbon çeliği: 18. Yüzyılda geliştirilmiş! Domen hareketlerini sınırlamak üzere uygun ısıl işlemle karbür çökeltileri oluşturmaları için W ve/veya Cr ile alaşımlanmış çelikler. Alnico Mıknatısları: (alloys based on Al, Co, and Ni) 1930’larda geliştirilen ilk modern mıknatıslar. Yüksek Curie sıcaklıkları (~850°C) sayesinde günümüzde hala kullanılıyorlar. Kalıcı Mıknatıslar Kobalt Platin mıknatısları: 1950‘lerde geliştirildi. Daha üstün manyetik özellikleri ve korozyon dirençleri biyomedikal uygulamalarda işe yaradı. Fakat pahalı. Sert ferritler: (BaFe12O19 / SrFe12O19) son yıllarda en önemli ticari kalıcı mıknatıslar. Anizotropik yapıları sayesinde oldukça yüksek bir koersif kuvvete sahipler. Fakat enerji çarpanları düşük. Hammaddesinin bol olması ve kolayca ve ucuza bulunması cazip yapıyor. Yüksek enerji sert mıknatısları ● (BH)max değeri en az 80 kJ/m3 (10 MGOe) olan sert manyetik malzemeler yüksek enerji mıknatısları olarak bilinirler. ● Bu malzemeler son yıllarda geliştirilen değişik bileşimlerde metaller arası bileşiklerdir. ● En popüler 2 tanesi: SmCo5 Nd2Fe14B. Yüksek enerji sert mıknatısları Samarium–Cobalt mıknatısları ● SmCo5 mıknatısları için BHmax değerleri 120 ile 240 kJ/m3 (15 and 30 MGOe) arasındadır. Geleneksel mıknatısların enerji çarpan değerinden bir hayli yüksektir. ● Ayrıca Sm-Co’ların koersiviteleri de yüksektir. ● Toz metalürjisi teknikleri ile üretilirler. ● Önceden uygun şekilde hazırlanmış alaşım öğütülür ve toz taneleri manyetik alanda yönlendirilir ve arzu edilen şekilde preslenir. Samarium–Cobalt mıknatısları ● Preslenmiş parça yüksek sıcaklıklarda sinterlenir ve son olarak manyetik özellikleri geliştirmek için ayrı bir ısıl işlem uygulanır. ● Samaryum nadir ve pahalı bir elementtir. Diğer yandan kobaltın fiyatı da oldukça değişken ve kaynakları güvenilmezdir. sert mıknatısların PM üretimi alaşımın hazırlanması d<0.5mm tane boyutuna mekanik kırma daha küçük boyutlara öğütme manyetik alanda yönlendirme ve presleme sinterleme tornalama mıknatıslama Neodmiyum–demir–bor mıknatısları ● Sm nadir ve pahalı bir element, Co fiyatı da değişken olduğu için Nd-Fe-B mıknatısları tercih edilen yüksek enerji mıknatısları olmuştur. ● Bu mıknatısların enerji çarpan değerleri Sm-Co mıknatısları ile yarışır seviyededir. ● İlk kez 1984’de üretilmiştir. ● Curie sıcaklıkları düşüktür (312°C); bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamalarına uygun değildir. ● Minyatürleşmenin kritik olduğu uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Neodmiyum–demir–bor mıknatısları ● mıknatıslanma ve de-mıknatıslanma domen sınırı hareketliliğine ve bu da malzeme mikroyapısı, yani tanelerin boyutu, şekli ve yönlenmeleri, ikinci faz partikülleri ve dağılımları ile ilişkilidir. ● malzeme mikroyapı özellikleri nasıl üretildiklerine bağlıdır. ● Nd2Fe14B mıknatıslarının üretiminde 2 farklı proses süreci vardır. ● Toz metalurjisi (sinterleme) ve hızlı katılaştırma (sıvı savurma). Toz metalurjisi pratiği SmCo5 malzemeninkine benzerdir. Neodmiyum–demir–bor mıknatısları ● Hızlı katılaştırma ise, alaşım sıvı halden çok yüksek hızlarda katılaştırılarak ya amorf ya da çok küçük taneli ince bir şerit elde edilir. ● Bu şerit daha sonra toza dönüştürülür ve arzu edilen şekle preslenip ısıl işlem uygulanır. ● Daha sık uygulanan hızlı katılaştırma prosesidir. Neodmiyum–demir–bor mıknatısları Neodmiyum–demir–bor mıknatısları Döküm ingot Hidrojen doplaması ile ingot ufalanıyor Ön Öğütme ile parça boyutu 5mm seviyesine –asal gaz Her bir tane tek kristal oluncaya kadar öğütme Manyetik alanda yönlendirme Presleme (%60 yoğunluk) 1060 C’de 1 saat sinterleme tornalama Neodmiyum–demir–bor mıknatısları Yüksek enerjili mıknatıslar ● Yüksek enerji mıknatıslar için yaygın bir uygulama motorlardır. ● Mıknatıslar, manyetik alanları elektrik enerjisi tüketmeden kesintisiz var olduğu için elektromıknatıslardan çok daha üstündür. Çalışma sırasında ısınma olayı da yoktur. ● Mıknatıs kullanan motorlar elektromıknatıs kullananlardan çok daha küçüktür. ● Popüler motor uygulamaları: kablosuz matkap, tornavida, otomobillerde cam silecekleri, yıkayıcıları, fan motorları, ses ve görüntü kayıt ediciler, saatler ● Bu mıknatısları kullanan diğer uygulamalar ses sistemlerindeki hoparlörler, hafif kulaklıklar, işitme cihazları, bilgisayar donanımları. Sert Manyetik Malzemeler malzeme bileşim Remnans, Br, tesla Koersivite, Hc, amp-sarım/m Tungsten çeliği 92.8 Fe, 6W, 0.5Cr, 0.7C 0.95 5900 CuNiFe 20 Fe, 20 Ni, 60 Cu Sinter AlNiCo 8 34 Fe, 7 Al, 15 Ni, 35 Co, 4 Cu, 5 Ti 0.54 0.76 44000 125000 Sinter ferrit 3 BaO-6Fe2O3 0.32 0.92 1.16 240000 720000 848000 Co nadir toprak SmCo5 Sinter Nd-Fe-B Nd2Fe14B sert manyetik malzemeler sert manyetik malzemeler Sert manyetik malzemelerin en önemli uygulama alanlarından biri motorlardır. Mıknatıslanmaları kalıcı olduğu ve uzun sürelerle korunduğu, elektrik enerjisi kullanılmadığı ve ısınma yaşanmadığı için elektro mıknatıslardan çok daha üstündür. Sert mıknatıs kullanan motorlar elektro mıknatıs kullananlardan çok daha küçüktür. Küçük aletlerde sert mıknatıslar motor uygulamalarında çok caziptir. Kablosuz matkaplarda, vidalama ünitelerinde, otomobillerde cam sileceklerinde, su püskürtücülerinde, kontak devrelerinde, havalandırma sistemlerinde, kayıt cihazlarında, saatlerde sert mıknatıslar tercih edilmektedir. Sert mıknatıslardan yararlanılan diğer uygulamalar arasında audio sistemlerindeki hoparlörler, kulaklıklar, bilgisayar donanımları vardır. Manyetik depolama ● Bilgi depolama işlerinde manyetik malzemeler önemlidir. Dijital bilginin saklanmasında manyetik kayıtlar yegane teknoloji haline gelmiştir. ● Masaüstü ve diz üstü bilgisayarlar, ipod ve MP3 çalıcılar, yüksek tanımlı video kayıt cihazları, kredi kartları ve benzeri disk saklama ortamlarının yaygınlığı manyetik malzemelerin önemini ortaya koymaktadır. ● Bilgisayarlarda ise, öncelikli depolama işleri için yarı iletken malzemeler ön plandadır; manyetik hard diskler daha fazla bilgiyi daha ekonomik saklayabildikleri için ikincil depolama için kullanılırlar. Ancak manyetik kayıt ve depolama işinde transfer hızları daha yavaştır. Manyetik depolama ● 2 tür manyetik kayıt ortamı vardır: manyetik bantlar ve hard disk sürücüleri ● Manyetik bantlarda uç, yazma ve okuma operasyonları sırasında manyetik saklama ortamı ile temas halindedir. Bant hızları 10 m/s kadardır. ● Hard disklerde bu uç manyetik maddeye çok yakın ve onun hemen üstünde yer alır ve manyetik ortam çok yüksek devir hızlarında hareket ederken kendiliğinden oluşan bir hava yastığı üzerinde tutulur. Manyetik depolama ● Kayıt ve televizyon endüstrileri ses ve görüntü kayıt ve tekrar üretim işleri için büyük ölçüde manyetik bantlara güvenmektedir. ● Kompüter bitleri, ses ve görüntüler bir teyp veya disk şeklindeki manyetik depolama ortamının çok küçük bölümlerine manyetik olarak kaydedilir. ● Manyetik depolamada bilgiler + ve – mıknatıslanma seviyelerine denk gelecek şekilde “1” ve “0” olarak dijital olarak saklanırlar. ● Bu transfer (yazma) ve kaydedileni alma (okuma) işlemi okuma ve yazma kısımları olan bir kayıt sistemi tarafından gerçekleştirilir. Manyetik bantlar hard disk sürücülerinden daha önce geliştirilmiştir. Bugün bant kaydı hard disk sürücülerden daha ucuzdur fakat birim alana kaydedilebilen bilgi miktarı bantlarda 100 kat daha azdır. kayıt-saklama işinde kullanılan bantlarda kayıt ortamındaki partiküller: birkaç on nanometre boyunda (a) İğne şekilli ferromanyetik metal CoPtCr veya CoCrTa partikülleri (b) Plaka şekilli baryumferrit partikülleri Manyetik bantlar ● Bantlar uygulamaya göre bu partiküllerden sadece birini kullanır. ● Bu partiküller organik bir bağlayıcı içinde mükemmel bir şekilde dağıtılır ve 50 nm kalınlığında manyetik bir tabaka oluşturulur. ● Bu tabakanın altında manyetik olmayan altlık vardır. ● Her iki partikül de anizotropiktir; yani kolay indüklenme yönü vardır. Manyetik bantlar Bant kasetlerinin yüksek kapasiteli olmaları avantaj oluştururken sıralı erişimli bir kayıt ortamı olmaları dezavantajdır. Yani bant kasetlerinin başındaki veya sonundaki bilgiye ulaşmak için ileri/geri sardırma gerekir. Bant kasetlerinin bilgi depolama kapasiteleri 600 MB ile 200 GB arasındadır. Manyetik Kayıt Ortamları Hard disk sürücüler ● Manyetik saklama için kullanılan hard disk sürücüleri çapları 65 mm ile 95 mm arasında değişen rijid dairesel disklerden ibarettir. ● Yazma ve okuma sırasında disklerin rotasyon hızı 5400-7200 devir/dk seviyelerindedir. Kayıt ucu esas ● Hard disk sürücüleri ile kutup Hızlı kayıt ve okuma ve okuma yüksek yoğunlukta ucu kayıt yapmak Kayıt imkanı tabakası vardır. Yumuşak altlık Dönüş kutbu Akış çizgileri Hard disk sürücüler Hard disk sürücülerinde kullanılan manyetik kayıt ortamının TEM görüntüsü. Bu granüler ortam birbirlerinden tane sınırına segrege olmuş oksitlerle birbirlerinden ayrılmış Co-Cr alaşım tanelerinden oluşur. Manyetik Kayıt Ortamları Disk ya da kaset üzerinde çok sayıda gözle görülmeyen küçük manyetik izler (track) vardır. Floppy diskin gerçek iç görüntüsü Görünmeyen manyetik izler Manyetik Kayıt Ortamları Floopy Diskler Floppy diskler kaset bantları ile aynı malzemeden yapılmıştır. Ancak şekil itibarı ile teyp kasetleri gibi şerit şeklinde olmayıp yassı disk şeklindedir. Manyetik bant kasetlerinin aksine bilgiye doğrudan erişilebilir. özet Temel kavramlar ● malzemelerin makroskopik manyetik özellikleri malzemenin atomlarının manyetik dipol momentleri ile bir dış manyetik alan etkileşiminin sonucudur. ● bir bobin içindeki manyetik alan kuvveti (H) sarım sayısı ve akımın şiddeti ile doğru, bobin uzunluğu ile ters orantılıdır. ● manyetik akı yoğunluğu ve manyetik alan kuvveti birbirleri ile orantılıdır. ● Vakumdaki orantı katsayısı vakumun geçirgenliği, ortamda bir malzeme bulunduğunda malzemenin geçirgenliğidir. özet ● her bir elektronun hem yörünge hem de spin manyetik momenti vardır. ● bir elektronun yörünge manyetik momenti Bohr magneton değeri ile elektronun manyetik kuantum sayısının çarpımına eşittir. Spin manyetik momenti Bohr magnetonun + veya – işaretli değeridir. (yukarı spinler için +, aşağı spinler için -) ● Bir atom için net manyetik moment her bir elektrondan gelen katkıların toplamına eşittir. ● Elektron çiftlerinin spin ve yörünge momentleri birbirlerini siler. Bu silme durumları tamamlandığında atomun net bir manyetik momenti olmaz. özet ● Diamanyetizma bir dış alan etkisinde elektron yörünge hareketlerinde meydana gelen değişimlerden kaynaklanır. ● Bu etki çok küçüktür ve uygulanan alana ters yöndedir. ● Paramanyetik malzemeler kalıcı atomik momentleri olan malzemelerdir. ● Dipoller bir dış alandan etkilenir ve ona paralel yönlenirler ● Diamanyetik ve paramanyetik malzemeler nonmanyetik kabul edilirler çünkü mıknatıslanmalar çok küçük olup sadece sadece bir dış alan varken vardır. özet Ferromanyetizma ● Büyük ve kalıcı mıknatıslanmalar ferromanyetik malzemelerde (Fe,Co, Ni) elde edilir. ● Atomik manyetik dipol momentleri spin kaynaklıdır ve komşu atomların momentleri ile birleşip ortak yönlenirler. özet Antiferromanyetizm ve ferrimanyetizm ● Bazı iyonik malzemelerde komşu katyonların spin momentlerinin zıt yönde eşleşmesine rastlanır. Spin momentlerinin tamamen silindiği malzemeler antiferromanyetik olarak adlandırılırlar. ● Ferrimanyetik malzemelerde spin moment silinmesi tamamlanmamıştır ve bu nedenle kalıcı bir manyetizma mümkündür. ● Kübik ferritler için net manyetikleşme oktahedral kafes konumlarında bulunan ve spin momentleri ortaklaşa yönlenen divalent iyonlardan (Fe+2) kaynaklanır. özet ● Artan sıcaklıkla artan ısıl titreşimler ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemelerde dipol eşleşme kuvvetlerini boşa çıkarır. ● Sonuçta, doygunluk manyetizasyonu sıcaklıkla Curie noktasına (Tc) kadar giderek azalır ve kaybolur. Curie sıcaklığında ise sıfıra iner. ● Tc üstündeki sıcaklıklarda ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler paramanyetiktir. özet Domenler ve histerisiz ● Curie noktası altında ferromanyetik veya ferrimanyetik malzemeler domenlerden oluşur. Domenler bütün dipol momentlerinin ortaklaşa yönlendiği küçük hacim elemanlarıdır. ● Malzemenin toplam mıknatıslanmaları bütün domenlerin mıknatıslanmalarının vektör toplamıdır. ● Bir dış manyetik alan uygulandığında alana paralel yönde mıknatıslanmaları vektörleri olan domenler büyür ve alana uygun yönlenmemiş diğerleri azalır. özet ● doygunluk manyetizasyonunda parça dış alan ile paralel yönlenmiş tek bir domendir. ● manyetik alan şiddetinin artması veya yönünün değişmesi durumunda domen yapısının değişimi domen sınırlarının hareketi ile gerçekleşir. ● Hem histerisiz hem de kalıcı mıknatıslanma domen sınırlarının hareketine dirençten kaynaklanır. ● eksiksiz bir histerisiz eğrisinden ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeler için Remanens—H=0 iken B alanının değeri (Br) koersivite—B=0 iken H alanının değeri (Hc) elde edilir. özet Manyetik anizotropi ● M(B) vs H ilişkisi ferromanyetik tek kristaller için anizotropiktir—yani manyetik alanın uygulandığı kristallografik yöne bağlıdır. ● doygunluk mıknatıslanmasının en küçük H alanında elde edildiği kristallografik yön kolay mıknatıslanma yönüdür. ● Fe, Ni, ve Co için kolay mıknatıslanma yönleri sırası ile [100], [111] ve [0001] dir. ● manyetik demir esaslı alaşımlardan imal edilen transformatör çekirdeklerinde kayıpları en aza indirmek için bu kolay mıknatıslanma yönlerinden yararlanılabilir. özet Yumuşak-sert manyetik malzemeler ● yumuşak manyetik malzemelerde domen sınırı hareketi dirençle karşılaşmaz, kolaydır. ● Bu sayede dar histerisiz eğrileri ve düşük enerji kaybı gösterirler. ● sert manyetik malzemeler için domen sınırı hareketi çok daha güçtür. ● Bu nedenle histerisiz çevrimleri geniş ve büyük enerji kayıpları yüksektir. Bu malzemeleri demanyetize etmek için çok daha büyük alanlar gerekir. ● Mıknatıslanma kalıcıdır. özet Manyetik depolama ● veri depolaması manyetik malzemelerle yapılır. Bu amaçla kullanılan 2 manyetik ortam hard disk sürücüleri ve manyetik bantlardır. ● hard disk sürücülerinde kullanılan kayıt malzemesi HCP yapılı Co-Cr alaşımın nanometre boyutlu taneleridir. Bu taneler kolay manyetikleşme yönleri ([0001]) disk düzlemine dik olacak şekilde yerleşmiştir. ● bant esaslı veri depolamada, ya iğnesel şekilli ferromanyetik metal tanecikleri ya da yassı şekilli ferromanyetik baryum–ferrit taneleri kullanılır. Partikül boyutu birkaç 10 nanometre kadardır. özetin özeti Manyetik alanda malzeme davranışları: ferri- veya ferro-manyetik (yüksek mıknatıslanma) paramanyetik (zayıf mıknatıslanma)) diamanyetik (ters manyetik moment) Sert mıknatıslar: yüksek koersivite Yumuşak mıknatıslar: düşük koersivite Manyetik depolama polimer filmlerinde partiküller: bant veya flopy şeklinde g-Fe2O3 cam disk üzerinde CoPtCr veya CoCrTa ince filmleri (hard drive)
