Laborationsinstruktion
LABORATION
HÅRDMAGNETISKA MATERIAL
Uppsala Universitet
DELKURS
LOKAL
Funktionella material I
Ångström
laboratoriet
4319
HANDLEDARE
LABKOD
Rebecca Bejhed: 471 3139
1
UPPGIFTER
I laborationen används en VSM - vibrerande prov magnetometer för att erhålla förståelse för hård- och mjukmagnetiska material.
Ni skall:
1. Mäta och analysera magnetiseringskurvan för en ferrit.
2. Mäta den remanenta magnetiseringens temperaturberoendet
och den koerciva fältstyrkan för ferriten.
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 kan skrivas i formen MO.6Fe2O3, där
M=Ba, Sr, Pb. De hårda ferriterna har en hexagonal kristallsymmetri och en relativt
hög magnetokristallin anisotropienergi, K1≈3×105 J/m3, vilket är en nödvändig
ingrediens för materialens goda permanent magnetiska 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.
APPARATUR
Vibrerande-prov-magnetometern
En magnetisk dipol i rörelse ger upphov till ett varierande magnetfält i en punkt som
ej rör sig lika som dipolen. Om en lämplig 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, eller Foner
magnetometer efter uppfinnaren Simon Foner). Man kan visa att för konstant
svängningsamplitud och frekvens är spänningen i spolen direkt proportionell mot
provets dipolmoment.
Ett magnetiskt (dipol-) moment mätes i Am2. Om man känner provets massa kan
magnetiska momentet per massenhet beräknas (viktsmagnetisering, enhet Am2/kg).
Om också densiteten, alternativt volymen, är kända kan magnetiseringen per
volymsenhet bestämmas (volymsmagnetisering, enhet Am2/m3 = A/m, samma enhet
som H fält). Med bara magnetisering menas oftast volymsmagnetiseringen.
Uppgift 1:
Ta med assistentens hjälp upp hystereskurvan för Ni med Fonermagnetometern. Använd Nickels kända mättnadsmagnetisering för att
kalibrera utrustningen. Bestäm avmagnetiseringsfaktorn. Uppskatta
remanenta magnetiseringen och koerciva fältstyrkan. Ange
mättnadsmagnetiseringen i absolut moment (Am2), moment per
massenhet (Am2/kg) och moment per volymsenhet (A/m). Är nickel
mjuk- eller hårdmagnetiskt ?
För Ni-provet gäller:
massa
36.70 mg
densitet
8.9 × 103 kg/m3
Mättnadsmoment per massenhet
54.75 Am2/kg
Uppgift 2:
Ta upp några hystereskurvor för ferritmagneten - Cykla det pålagda
fältet enligt följande schema: +1 (tesla), -1, +0.8, -0.5, +0.45, -0.40,
+0.35, -0.3, +0.25, - 0.20, 0.
Kommentera kurvornas utseende.
Uppgift 3:
Ta upp en ny hystereskurva genom att enbart cykla fältet mellan
±1 tesla. Plotta M mot H, H = pålagt fält.
För provet gäller:
massa
7.63 mg
densitet
4.9 × 103 kg/m3
provform
platta, 2×2×1 mm3
Uppgift 4:
Uppskatta en övre gräns för avmagnetiseringsfaktorn, N, för ferriten.
Använd nyss upptagna kurva för att plotta en graf visande
µ0M som funktion av µ0Hi, Hi = inre H-fält.
Bestäm:
Remanenta flödestätheten, Br.
Inre koerciva fältstyrkan, Hci (ange även µ0Hci).
Uppskatta den spontana flödestätheten, Bs, i varje domän (provet
består av kristalliter med slumpmässig fördelning av axelriktningar).
Uppgift 5:
Använd nyss framtagna graf för att 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. Rita även in magnetens
avmagnetiseringskurva i figuren.
Uppgift 7:
Ta upp hystereskurvor vid 100, 150 och 200 oC.
Diskutera temperaturbeteendet hos kurvorna.
Bestäm:
Temperaturkoefficienten för remanensen.
Temperaturkoefficienten för koerciva fältstyrkan.
Instuderingsfrågor
1) För att beskriva en hystereskurva använder man bl a begreppen mättnadsmagnetisering, koerciv fältstyrka och remanens. Ge en kort förklaring till vart och ett
av dessa begrepp.
2) Vad orsakar magnetisk hysteres?
3) Hur skiljer man på mjuk- och hårdmagnetiska material? Ge exempel på
tillämpningar i de två fallen.
4) Varför eftersträvas en hög energiprodukt i vissa tekniska sammanhang?
