MALZEMELERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Transkript

1 MALZEMELERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ (Ders Notu) Manyetik Özellikler Doç.Dr. Özkan ÖZDEMİR

2 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.

3 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.m 2 ) 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.

4 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.

5 Manyetik Parametreler Hc: Kalıcı manyetikliği yok etmek için ters yönde uygulanması gereken manyetik alandır.

6 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.

7

8 Manyetiklik Türleri 1) Diyamanyetik malzemeler 2) Paramanyetik malzemeler 3) Ferromanyetik malzemeler 4) Ferrimanyetik malzemeler

9 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

10 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.

11

12 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

13 Şekil 5. Fe in valans elektron yapısı

14 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(Fe 3 O 4 )+Ni karışımı

15 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

16 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.

17 Elektromanyetik Mıknatıslanma ve Manyetik Malzemeler Manyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi yok edici (koerzif) kuvvet (Hc) özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Malzeme Tipi Hc (A/m) Uygulama Yumuşak Hc<1000 Elektromıknatıs, trafo, motor, jeneatör Orta <Hc< Manyetik kayıt Sert <Hc Hoparlör, video kayıt cihazı, TV, saat

18 Yumuşak Manyetik Malzemeler Kolay manyetikleşirler. Manyetiklikleri kolay giderilir. Manyetik geçirgenlikleri yüksektir. Kalıcı manyetiklikleri düşüktür. Yok edici manyetik alan kuvvetleri küçüktür. Hc < 1000 A/m

19 Yumuşak Manyetik Malzemeler Demir, metal türü yumuşak manyetik malzemedir. Elektrik motoru jeneratör trafo elektromıknatısların çekirdekleri yumuşak manyetik malzemelerden yapılır. Hc < 1000 A/m

20 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.

21 Yumuşak Manyetik Malzemeler

22 Orta Manyetik Malzemeler Orta manyetik malzemeler manyetik kayıt ortamlarında kullanılırlar <Hc<100000

23 Sert Manyetik Malzemeler Kalıcı manyetiklikleri yüksektir. Yok edici manyetik alan kuvvetleri büyüktür. Histerezis eğrileri yüksek ve geniştir. Hc >50000 A/m

24 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

25 Sert Manyetik Malzemeler

26 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).

27 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.

28 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.

29 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: Fe 2 O 3 ihtiva eder. Manyetik özellikleri çok kolay bir biçimde kullanılmasını mümkün kılar.