BÖLÜM 8 MALZEMENİN MANYETİK ÖZELLİKLERİ İndüktörler, transformatörler, jeneratörler, elektrik motorları, trafolar, elektromıknatıslar, hoparlörler, kayıt cihazları gibi pek çok cihaz malzemenin manyetik özellikleri temeline dayanarak üretilirler. 2 1
Manyetik özellik malzemenin manyetik alan etkisi altında davranışını açıklar. Peki malzeme manyetik alan ile nasıl etkileşir ve buna nasıl tepkiler verir. Bunun cevabını verebilmek için öncelikle bazı temel kavramları anlamamız gerekir. Manyetik alanların bilinen ilk kaynakları doğal mıknatıslardır. 3 Ancak haraketli elektrik yükleri ya da kapalı bir döngü içinde akan akım da bir doğal mıknatısa benzer şekilde etrafında manyetik alan üretir. O halde bir kapalı akım halkası da bir manyetik alan kaynağıdır ve manyetik dipol momenti olarak adlandırılır. 4 2
I akımını taşıyan bir akım halkası düşünelim ve bu halkanın çevrelediği alan A olsun. Bu durumda nˆ A alanının yüzey normali yönündeki birim vektördür. Buna göre manyetik dipol momenti IA IAnˆ olarak tanımlanır. Bu tanıma göre ölçülebilir boyuttaki her akım halkası bir manyetik dipol moment oluşturur. Vektörel bir nicelik olan manyetik dipol momentinin yönü sağ el kuralı ile kolayca bulunabilir. Akım halkasında sağ elin baş parmağı dışında kalan parmakları akım yönünde kıvrıldığında, baş parmak manyetik dipol momentinin yönünü gösterecektir. Manyetik dipol momenti SI birim sisteminde (A.m 2 ) olarak verilir. 5 Bir manyetik dipol momenti bir manyetik alana konduğunda manyetik moment kendini alanla aynı yönlü yöneltmeye zorlayan bir torkun etkisi altında kalır. Ayrıca manyetik moment bir akım halkası olduğundan tıpkı bir çubuk mıknatıs gibi etrafında bir manyetik alan oluşturur. 6 3
N sarımlı boyu l olan bir selenoid NI H biçiminde tanımlanan bir manyetik alan üretir. Bu durumda manyetik alan bir manyetik akı yoğunluğu indükler ve manyetik alan ile manyetik akı yoğunluğu birbirine B 0H 0 şeklinde bağlıdır. Burada 0 boşluğun manyetik geçirgenliği olarak tanımlanır ve değeri 0 4*10 7 (H / m) dir. B= manyetik akı yoğunluğu (Tesla / SI, Gauss / cgs) H=Manyetik alan şiddeti (A/m) 7 Eğer manyetik alan içerisine bir manyetik malzeme yerleştirilse malzeme içerisindeki manyetik akı yoğunluğu malzemenin manyetik geçirgenliğine bağlı olarak B H biçiminde tanımlanır. Mutlak geçirgenlik Burada manyetik geçirgenlik olarak adlandırılan ve malzemenin manyetik özelliklerini tanımlamada kullanılan parametrelerden biridir. 0 Mutlak geçirgenlik r r Bağıl geçirgenlik 0 Malzeme özelliğine bağlı bir parametre olan bağıl geçirgenlik ise malzeme içindeki manyetik geçirgenliğin boşluktaki geçirgenliğe oranı olarak tanımlanan boyutsuz bir niceliktir 8 4
Manyetik duygunluk, m malzemenin manyetik özelliklerini tanımlamada kullanılan parametrelerden bir diğeridir ve M H biçiminde tanımlanır. m Mıknatıslanma vektörü Bir malzemenin manyetik alandan nasıl etkilendiği r, bağıl geçirgenlik ya da m, Manyetik duygunluk değerine bağlı olarak tanımlanır. m r 1 9 Acaba malzeme manyetik alandan nasıl etkilenir??? Manyetik olmayan malzeme diye bir şey yoktur ve malzemenin manyetik özelliğini atomik yapısı belirler. Temel atom modeline göre bütün malzemeler atomlardan oluşur. Atom yapısında çekirdek etrafında dolaşan elektronlar (yörünge elektronları) elektronların kendi eksenleri etrafında dönmeleri (elektron spinleri) çekirdeğin spini madde içerisinde var olan manyetik alan kaynaklarıdır. Yüklü parçacıkların kapalı bir halka boyunca dönmesi şeklinde olan bu hareketler birer manyetik moment oluşturur. Atomların toplam manyetik momenti yaklaşık olarak bu manyetik momentlerin vektörel toplamı olarak alınabilir. 10 5
Atomların elektronlarının ve çekirdeğinin uygulanan dış manyetik alana nasıl tepki verdiğine bağlı olarak malzemenin manyetik karakteristiği belirlenir. Bir dış alanın olmadığı durumda pek çok malzemenin atomlarının manyetik momentleri rastgele yönelmişlerdir, bu da net manyetik momentin 0 olması anlamına gelir. Malzeme bir dış manyetik alanın etkisi altında kaldığında malzemenin yapısından kaynaklanan manyetik dipol momentleri dış alanla aynı yönlü yönelmeye zorlanırlar ve malzeme uygulanan alan yönünde net bir manyetik moment kazanır. Bu duruma malzemenin mıknatıslanma sı denir. M 11 M, mıknatıslanma vektörü ortamın hangi oranda mıknatıslandığını tanımlar ve birim hacimdeki toplam manyetik dipol momentine karşılık gelir. N birim hacimdeki toplam atom sayısı olmak üzere mıknatıslanma vektörü 1 M V N i1 olur. Sonuç olarak bir dış manyetik alan etkisi altında kalan bir malzemede oluşan manyetik akı yoğunluğu; B 0H 0M B 0H 0M 0H 0mH (1 )H Uygulanan Dış alandan kaynaklanan terim Mıknatıslanmadan kaynaklanan terim 0 r m 12 6
Manyetik Malzemelerin Sınıflandırılması Malzemeler uygulanan manyetik alana verdikleri tepkilere göre 5 temel gruba ayrılırlar. GRUP A Diamanyetik GRUP B Paramanyetik Ferromanyetik Antiferromanyetik Ferrimanyetik 13 periyodik tabloda oda sıcaklığında elementlerin manyetik davranışlarına göre sınıflandırılması 14 7
Diamanyetik Malzemeler Diamanyetik malzemelerin atomları kapalı (tamamen dolu) kabuk ve alt-kabuklara sahiptir. Bu da atomların bir dış manyetik alan olmadığı durumda net bir manyetik momentlerinin olmadığı anlamına gelir. Bu malzeme bir dış manyetik alanın etkisi altında kaldığında Lenz yasası gereği uygulanan alanla zıt yönlü bir mıknatıslanma indüklenecektir. Sonuç olarak manyetik akı yoğunluğu azalır. Malzemenin dış alanla zıt yönlü mıknatıslanması manyetik duygunluğun (-) olması demektir. m r r 0 1 1 m (-) çok küçük bir sayı 1 e çok yakın 1 den biraz küçük bir sayı 15 Diamanyetiklik temel olarak atom içindeki elektronların yörüngesel hareketlerinden kaynaklanır ve bütün malzemelerde vardır. Ancak pek çok malzemede önemsenmeyecek kadar küçüktür. Diamanyetik malzemelerde kalıcı mıknatıslanma gözlenmez uygulanan alan kaldırıldığında indüklenen mıknatıslanma kaybolur. Diamanyetik etki sıcaklıktan bağımsızdır. 16 8
Paramanyetik Malzemeler Çiftlenimsiz elektronlara sahip malzemelerin her bir atomu elektron spinlerinden dolayı net bir manyetik momente sahiptir. Bir dış alanın yokluğunda rastgele yönelen bu manyetik momentler bir dış manyetik alan uygulandığında bu alan manyetik dipolleri kendisi ile aynı yönlü yönelmeye zorlar. Buda manyetik alanın artmasına sebep olur. Bu durumun makroskopik etkisi malzemenin dış alanla aynı yönlü mıknatıslanmasına eşdeğerdir ve manyetik duygunluk (+) olur. m r r 0 1 1 m (+) çok küçük bir sayı 1 e yakın 1 den biraz büyük bir sayı 17 Paramanyetizma temel olarak elektronların spinlerinin dipol momentlerden kaynaklanır manyetik Paramanyetik malzemeler de kalıcı olarak mıknatıslanmazlar. Diamanyetizmanın aksine paramanyetizma sıcaklığa bağlıdır. Düşük sıcaklıklarda daha az termal çarpışma olduğundan paramanyetik etki daha kuvvetlidir. 18 9
Ferromanyetik Malzemeler Ferromanyetik malzemeler domain adı verilen aynı yönlü yönelmiş pek çok küçük manyetik dipol bölgesinden oluşurlar. Ferromanyetik malzemelerde mıknatıslanmanın büyüklüğü paramanyetik malzemelere göre çok daha büyüktür. r 1 Bir dış manyetik alan yokken ferromanyetik malzeme içindeki domainlerin manyetik momentlerinin yönelimleri farklı yönelimlere sahiptir. Domainlerin her birinin gelişigüzel bir yönelime sahip olması sonucu malzemenin net mıknatıslanması 0 dır. Ferromanyetik malzeme bir dış manyetik alan etkisinde kaldığında manyetik momentleri dış alan ile aynı yönlü yönelmiş olan domainlerin duvarları diğer domainleri küçültecek şekilde genişler. 19 Uygulanan manyetik alan daha da arttırılırsa alanla aynı yönlü domainler genişlemeye devam eder ve tüm momentler dış alanla aynı yönlü olana kadar sürer. Bu durumda manyetik malzemenin doyuma ulaştığı söylenir. Ferromanyetik malzemeler için B-H değişimi doğrusal değildir. M s : Doyum mıknatıslanması 20 10
Doyum Domainlerin dönmesi Eğim=maksimum manyetik geçirgenlik, µ max Domainlerin büyümesi Eğim=ilk manyetik geçirgenlik, µ i 21 Ferromanyetik malzemelerde B-H değişimi bir histerisiz eğrisi ile verilir. Ferromanyetik malzeme doyuma ulaştıktan sonra dış manyetik alan değeri sıfıra düşürülürse Manyetik akı yoğunluğu sıfıra gitmez. B r değeri ile sembolize edilen kalıntı ya da artık akı yoğunluğu adı verilen bir değer alır. Bu değer uygulanan maksimum alan şiddetine bağlıdır. Bu durum ferromanyetik malzemelerde kalıcı mıknatıslanmayı mümkün kılar. 22 11
Ferromanyetik malzemede oluşan bu kalıntı akı yoğunluğunu kaldırabilmek için malzemeye ilki ile ters yönlü bir duş manyetik alan uygulamak gerekir. H c ile gösterilen bu değere giderici alan şiddeti denir. B r kalıntı akı yoğunluğu gibi H c giderici alan şiddeti de uygulanan maksimum alan şiddetine bağlıdır. Ferromanyetik malzemeler için B H yazıldığında manyetik geçirgenlik sabiti H nin fonksiyonudur. manyetik geçirgenlik aynı zamanda malzemenin manyetik geçmişine de bağlıdır. 23 Ferromanyetik malzemeler aşağıdaki tabloda gösterildiği gibi giderici alan şiddeti (H c ) değerlerine göre sınıflandırılabilir. Malzeme Tipi Hc (A/m) Uygulama Yumuşak Hc<1000 Elektromıknatıs, trafo, motor, jeneatör Orta 10.000<Hc<100.000 Manyetik kayıt Sert 50.000<Hc Hoparlör, video kayıt cihazı, TV, saat Bu da malzemenin histerisiz döngüsünden belirgin olarak yorumlanabilir. Giderici alan şiddeti (H c ) değerinin küçük olması uzun ve dar bir histerisiz eğrisi ortaya çıkarırken, bu değerin büyük olması geniş bir histerisiz döngü oluşturur. 24 12
Elektrik jeneratörleri, Motorlar ve Transformtörlerde kullanılacak Ferromanyetik malzemelerin uygulanan küçük alan şiddetlerinde büyük mıknatıslanmalara sahip olması istenir. Bu da malzemenin histerisiz döngüsünün uzun ve dar olması yani malzemenin yumuşak ferromanyetik malzeme olması demektir. Bu tür malzemeler çok kristal kusuru ve safsızlığa sahip olduğundan domain duvarlarının hareketi kolaydır. Bir ferromanyetik malzeme üzerine uygulanan dış alan H max aralığında periyodik olarak değiştirilirse her döngüde histerisiz eğrisi bir kez tekrarlanır. Bu eğrinin içinde kalan alan bir döngüde birim hacimdeki enerji kaybına karşılık gelir ve histerisiz kaybı olarak bilinir. Histerisiz kaybı domain duvar hareketleri ve domain dönmeleri sırasında ortaya çıkan sürtünmelerin sebep olduğu ısı formunda açığa çıkan enerji kaybıdır. 25 İyi kalıcı mıknatıslar mıknatıslanmanın bozulmasına karşı yüksek direnç göstermelidir. Bu da büyük giderici alan şiddetine sahip malzemeler kullanılarak yapılabilir. Giderici alan şiddetinin büyük olması histerisiz eğrisinin geniş olması demektir. Bu tür malzemeler sert ferromanyetik malzemeler olarak bilinirler. 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 26 13
Antiferromanyetik Malzemeler Antiferromanyetik malzemelerin m, Manyetik duygunlukları (+) fakat küçük bir sayıdır. Ferromanyetik malzemelerin aksine bir dış alan yoksa mıknatıslanmaya sahip değildirler. Antiferromanyetik malzemelerin kristal yapısı içinde ardışık atomların manyetik momentleri birbirine göre zıt yönelecek biçimde bir manyetik düzene sahiptir. Bunun sonucu olarak bir dış alan yoksa net mıknatıslanmada olmaz. Antiferromanyetizma Neel sıcaklığı olarak bilinen bir kritik sıcaklığın altında ortaya çıkar. Bu sıcaklığın üzerinde malzeme paramanyetik hale gelir. 27 Ferrimanyetik Malzemeler Bazı malzemeler Curie sıcaklığının altında ferromayetik malzemelerinkine benzer davranış gösterirler. Bu davranışın sebebi manyetik düzendir. Bu malzemelerdeki spin yönelimleri antiferromanyetik malzemelerdeki gibi bir yukarı bir aşağı yönlüdür ancak büyüklükleri aynı değildir. Bu nedenle malzemenin net bir manyetizasyonu vardır. Ferrimayetik malzemelerin manyetik dipol momentleri arasındaki kısmi yok etme nedeni ile manyetik akıyoğunluğu ferromayetik malzemelere göre daha küçüktür. Tipik olarak yalıtkan malzemeler olduklarından eddy-akım kaybı problemleri yoktur ve yüksek frekans elektronik uygulamalarında yaygın olarak kullanılırlar. 28 14
Ferromanyetik Antiferromanyetik Ferrimanyetik 29 Manyetikliği Etkileyen Etkenler 1. SICAKLIK: Ferromanyetik (ve ferrimanyetik) malzemenin sıcaklığı malzemenin termal enerjisi dipol momentlerin arasındaki etkileşim enerjisini aşacak kadar arttırılırsa mıknatıslanmış domainler içindeki düzen bozulur. Curie sıcaklığı olarak bilinen bu sıcaklığın üzerinde ferromanyetik malzeme bir paramanyetik malzeme gibi davranır. Bu nedenle kalıcı bir mıknatıs Curie sıcaklığının üzerine ısıtılırsa mıknatıslanmasını kaybeder. (Demirin Curie sıcaklığı 770 C, nikelinki 35 C dir. ) 30 15
2. YAPISAL ETKENLER: Kristal türü, distorsiyonlar gibi iç yapı kusurları manyetikliği önemli ölçüde etkiler. 3. MEKANİK ETKİ: Manyetik hale gelmiş bir malzemede manyetik momentler birbirlerine paralel durumdadır. Çarpma uygulanacak olursa manyetik momentlerin yönleri rastgele dağılır ve manyetiklik kaybolur 31 32 16
33 34 17