LABORATION
HÅRDMAGNETISKA MATERIAL Uppsala Universitet Ångström laboratoriet
DELKURS
LOKAL
Funktionella material I
4319
HANDLEDARE
Sofia Kontos:
[email protected]
UPPGIFTER I laborationen används en VSM - vibrerande prov magnetometer för att erhålla förståelse för hård- och mjukmagnetiska material. Ni skall: 1. Mäta och analysera magnetiseringskurvor för en ferrit och ett Ni-prov. 2. Utifrån erhållna data beräkna fram värden på bland annat avmagnetiseringsfaktorn, det inre fältet samt energiprodukten. Förberedelser Se instuderingsfrågor Kursbok Introduction to Magnetic Materials, B. D. Cullity, C. D. Graham, 2nd edition, John Wiley & Sons NAMN HANDLEDARENS KOMMENTARER ÅRSKURS
INSKRIVN.ÅR
UTFÖRD DEN
GRUPP
GODKÄND DEN
SIGNUM
INLEDNING Ferriter är ferrimagnetiska material och utnyttjas både som mjuk- och hårdmagnetiska material. Mjukmagnetiska ferriter har alla den generella kemiska formeln MO.Fe2O3, där M är en övergångsmetall, exempelvis järn, nickel, mangan eller zink. Manganzink ferriter, vilka säljs under kommersiella namnet Ferroxkub, används ofta i mjukmagnetiska applikationer upp till 10 MHz. Hårda ferriter är permanent magnetiska material vilka baseras på de kristallografiska faserna BaFe12O19, SrFe12O19 och PbFe12O19. Dessa kan även skrivas i formen MO.6Fe2O3, där M=Ba, Sr, Pb. De hårda ferriterna har en hexagonal kristallsymmetri och en relativt hög magnetokristallin anisotropienergi, K1≈3105 J/m3, vilket är en nödvändig ingrediens för materialens goda permanentmagnetiska egenskaper. Den spontana magnetiseringen är riktad längs den hexagonala axeln. Uppgiften i denna laboration är att studera de magnetiska egenskaperna hos en kommersiell hårdmagnetisk ferrit och jämföra resultaten med ett mjukmagnetiskt nickelprov.
APPARATUR En magnetisk dipol i rörelse ger upphov till ett varierande magnetfält i en punkt som inte rör sig lika som dipolen. Om en spole placeras nära ett magnetiskt prov i harmonisk rörelse induceras alltså en växelspänning i spolen. Detta utnyttjas i en vibrerande-prov-magnetometer (VSM, vibrating sample magnetometer). För konstant svängningsamplitud och frekvens är spänningen i spolen direkt proportionell mot provets dipolmoment (även kallat absolut moment). ENHETER Genom att dividera det uppmätta absoluta momentet med massan för provet erhålles materialets egenskaper uttryckt i cgs-enheten emu/g (viktsmagnetisering). Det pålagda fältet ges i enheten Gauss (G) som också är en cgs-enhet. Viktsmagnetiseringen kan omvandlas till SI-enheter genom sambandet 1 emu/g = 1 Am2/kg. Det absoluta momentet beskrivs alltså i SI-enheter som Am2. Om densiteten, alternativt volymen, är känd kan magnetiseringen uttryckas som Am2/m3 = A/m (volymsmagnetisering). Det pålagda fältet kan omvandlas till SI-enheter genom sambandet 1 G ≈ 1 Oe = 1000/(4π) A/m. Observera att både magnetiseringen och det pålagda fältet kan uttryckas i samma enhet. De kan även uttryckas i enheten Tesla (T) genom multiplikation med den magnetiska konstanten µ0 = 4π 10-7 Hm-1. När ni lämnar in rapporter ska alla resultat presenteras i SI-enheter! RAPPORT Varje student lämnar in en egen rapport. Innan rapporten lämnas in skall resultaten granskas genom diskussion inom eller mellan grupperna.
Uppgift 1:
Ta med assistentens hjälp upp hystereskurvan för Ni-provet med magnetometern. För Ni-provet gäller följande: massa 15.4 mg
densitet 8.9 103 kg/m3
a) Presentera grafen i rapporten med enheterna A/m på båda axlarna och fullfölj uppgifterna nedan. b) Läs av den remanenta magnetiseringen. c) Läs av den koerciva fältstyrkan. d) Ange mättnadsmagnetiseringen i absolut moment (Am2), moment per massenhet (Am2/kg) och moment per volymsenhet (A/m). e) Är nickel mjuk- eller hårdmagnetiskt ? Motivera! f) Bestäm provets form (sfär, tråd, platta) genom att ta fram avmagnetiserings-faktorn för provet. Uppgift 2:
Ta upp några hystereskurvor för ferritmagneten genom att cykla det pålagda fältet mellan positivt och negativt och dessutom gradvis minskande amplitud. Kommentera kurvornas utseende.
Uppgift 3:
Ta upp hystereskurvan för ferritprovet. För ferritprovet gäller: massa 12.7 mg a) b) c) d) e) f)
Uppgift 4:
densitet 4.9 103 kg/m3
provform oregelbunden
Presentera grafen i rapporten med enheterna A/m på båda axlarna. Läs av den remanenta magnetiseringen. Läs av den koerciva fältstyrkan. Ange mättnadsmagnetiseringen i moment per volymsenhet (A/m). Är ferrit mjuk- eller hårdmagnetiskt ? Motivera! Beräkna det största möjliga värdet på avmagnetiseringsfaktorn. Använd information från uppgift 3 för att plotta en graf som visar µ0M som funktion av µ0Hi, Hi = inre H-fält. Använd enheten T på båda axlarna.
a) Läs av värdet på mättnadsmagnetiseringen µ0Ms. b) Läs av den remanenta magnetiseringen. c) Ange den inre koerciva fältstyrkan, Hci (ange även µ0Hci). Uppgift 5:
Plotta B-fältet som funktion av µ0Hi. Bestäm koerciva fältstyrkan Hc och jämför med resultatet från uppgift 4.
Uppgift 6:
Beräkna energiprodukten, B Hi som funktion av B i andra kvadranten. Presentera resultatet i en figur.
Instuderingsfrågor att svara på inför laboration. Svaren skall inkluderas i rapporten. 1. Förklara vad följande begrepp innebär: a) Mättnadsmagnetisering
b) Remanent magnetisering
c) Koerciv fältstyrka
d) Magnetisk hysteres
2. a) Hur skiljer man på mjuk- och hårdmagnetiska material?
b) Ge exempel på tillämpningar i de två fallen.
3. a) Vad är energiprodukt ett mått på?
b) Vilken enhet bruka den anges i (SI)?
4. Avgör om följande påståenden är korrekta: a) Ett avmagnetiserande fält kan uppstå även utan ett externt pålagt fält.
b) Det magnetiska fältet inuti magneten ökar alltid med ökande pålagt fält.
c) Magnetiseringen inuti magneten ökar alltid med ökande pålagt fält.
d) Den magnetiska flödestätheten inuti magneten ökar alltid med ökande pålagt fält.
