LABORATION
HÅRDMAGNETISKA MATERIAL
Uppsala Universitet
DELKURS
Ångström
laboratoriet
HANDLEDARE
LOKAL
Funktionella material I
4319
Sofia Kontos: 471 3144
UPPGIFTER
I laborationen används en VSM - vibrerande prov magnetometer för att erhålla förståelse för hård- och mjukmagnetiska material.
Ni skall:
1. Kalibrera vibrerande prov magnetometern.
2. Mäta och analysera magnetiseringskurvan för en ferrit.
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
15.4 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
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.
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 permanentmagnetiska sammanhang?
