MAGNETICI

ЕЕlektrotehnilektrotehniččki fakultet, Beogradki fakultet, Beograd

Materijali u elektrotehniciMaterijali u elektrotehnici

Magnetno uređenje se ne može objasniti zonalnom strukturom i stepenom zauzetosti valentne i provodne zone materijala.

Svi materijali imaju u izvesnom stepenu magnetna svojstva. Da bi objasnio ovu činjenicu, Amper je još početkom 19. veka pretpostavio da atomi predstavljaju mikroskopske elementarne magnete.

Danas znamo i objašnjenje postojanja elementarnih magnetnih momenata atoma: oni su posledice kretanja elektrona po zatvorenim orbitama oko jezgra atoma. Ovi elektroni formiraju elementarnu električnu struju, a ona magnetno polje, odnosno orbitalni magnetni moment. Tome treba dodati i magnetni moment spina elektrona, koji zajedno sa orbitalnim momentom čini magnetni moment elektrona. Magnetni moment atoma predstavlja vektorsku sumu magnetnih momenata elektrona.

Jezgro atoma takođe poseduje magnetni moment, ali je on znatno manji od magnetnog momenta elektrona i može da se zanemari pri razmatranju magnetnih osobina materijala.

Sveukupnost atomskih magnetnih momenata, uzetih kao vektorska suma, daje rezultujuće magnetno polje u materijalu. Magnetno polje koje potiče od magnetnih momenata atoma u materijalu opisuje se vektorom magnetizacije M, koji se definiše kao srednji magnetni moment po jedinice zapremine materijala.

Vektor jačine magnetnog polja H u nekoj tački materijala definiše se kao:

gde je μo magnetna permeabilnost vakuuma, dok je B vektor magnetne indukcije.

Za magnetno linearan materijal važi M = mH i m ≠ m(H), odakle sledi:

gde je m magnetna susceptibilnost, μr relativna magnetna permeabilnost, μ magnetna permeabilnost materijala.

Za linearan materijal m i μr ne zavise od jačine magenetnog polja, u homogenom materijalu vrednosti su im iste u svim tačkama, a u izotropnom materijalu u svim pravcima.

0

BH M

0 0 0( ) (1 )m m rB H H H H H

U zavisnosti od stepena međusobne interakcije magnetnih momenata atoma, u materijalima može postojati slabo ili jako magnetno uređenje.

Slabo magnetno uređenje imaju dijamagnetici i paramagnetici.

Dijamagnetni materijali imaju atome sa nultim ravnotežnim magnetnim momentom.

Magnetni moment se indukuje tek u prisustvu spoljašnjeg magnetnog polja i ima težnju da ga poništi (shodno Lencovom pravilu elektromagnetne indukcije), tj. smer magnetnog dipola atoma suprotan je spoljašnjem magnetnom polju, zbog čega dijamagnetici bivaju istiskivani iz magnetnog polja.

Primer atoma helijuma:

Magnetna susceptibilnost dijamagnetika je negativna (m < 0) i temperaturno nezavisna (m ≠ m(T))

Iako dijamagnetni efekat postoji u svim vrstama materijala, on najčešće biva "zaklonjen" paramagnetnim ili drugim, još izraženijim, magnetnim svojstvima materijala.

Paramagnetni materijali imaju atome sa nenultim ravnotežnim magnetnim momentom atoma, koji međusobno slabo interaguju.

U odsustvu spoljašnjeg magnetnog polja, magnetni momenti atoma su haotično orijentisani, usled termičkih uticaja, zbog čega je vektor magnetizacije jednak nuli.

Kada je spoljašnje magnetno polje prisutno, magnetni momenti atoma se delimično usmeravaju u pravcu i smeru spoljašnjeg polja. Zbog toga paramagnetici teže ulasku u oblasti jačeg magnetnog polja (nasuprot dijamagneticima). Ovom efektu se suprotstavlja toplotno haotično preorijentisavanje magnetnih dipola, koje je utoliko izraženije ukoliko je temperatura materijala viša. Zato magnetna susceptibilnost paramagnetika opada sa povećanjem temperature (T ↑, m ↓)

Magnetna susceptibilnost paramagnetika je mala (m ~ 10−7), mada za dva reda veličine veća od susceptibilnosti dijamagnetika.

Dva dodatna magnetna efekta u metalima

Magnetna svojstva metala su uslovljena i prisustvom kvazislobodnih nosilaca (provodnih elektrona). Pod dejstvom magnetnog polja dolazi do izvesnog preusmeravanja njihovih spinova duž magnetnog polja H, usled čega se ispoljava paramagnetni efekat provodnih elektrona. Ovo je tzv. Paulijeva paramagnetna susceptibilnost.

Provodni elektroni metala smeštenog u magnetno polje H indukovaće i dijamagnetnu susceptibilnost metala, zahvaljujući tome što će zbog Lorencove sile projekcija trajektorije provodnih elektrona na ravan normalnu na polje H biti kružna ciklotronska orbita. Shodno tome dobija se tzv. Landauova dijamagnetna susceptibilnost provodnih elektrona.

Jako magnetno uređenje imaju feromagnetici, ferimagnetici i antiferomagnetici.

Zbog postojanja značajne interakcije nekompenzovanih magnetnih momenata u materijalu dolazi do pojave spontanog magnetnog uređenja.

Antiferomagnetni materijali (b) nisu od praktičnog značaja, jer su susedni magnetni dipoli atoma suprotno orijentisani i u sumi se međusobno kompenzuju, pa nemaju spontanu neiščezavajuću magnetizaciju.

Feromagnetni (a) i ferimagnetni (c) materijali imaju spontanu neiščezavajuću magnetizaciju, zbog čega su od velikog praktičnog značaja.

Fero- i ferimagnetici pod dejstvom spoljašnjeg magnetnog polja (H) ispoljavaju nelinearno i ireverzibilno namagnetisavanje i razmagnetisavanje, što se manifestuje histerezisnom petljom B(H) kao i nelinearnom zavisnošću (μr(H)).

Na temperaturama višim od neke kritične temperature (Tkr), ovi materijali gube jako magnetno uređenje i prelaze u paramagnetno stanje slabog magnetnog uređenja.

Prema obliku histerezisne petlje B(H), magnetni materijali dele se na magnetno meke (histerezisna petlja je uspravnija i manje površine) i magnetno tvrde (histerezisna petlja je položenija i veće površine).

Prikaz oblika histerezisne petlje a) magnetno mekih i b) magnetno tvrdih materijala, sa naznačenim veličinama koercitivnog polja (Hc) i remanentne

indukcije (Br), kao i (maksimalnog) energetskog proizvoda (B∙H)m

Magnetno tvrdi materijali se koriste za izradu stalnih magneta, jer je površina histerezisne petlje srazmerna magnetnoj energiji materijla. Najznačajniji parametar koji ih karakteriše je energetski proizvod (B∙H)m, koji odgovara tački u drugom kvadrantu B(H) sa maksimalnim proizvodom B∙H. Osim njega, bitna je i veličina koercitivnog polja (Hc), određena presečnom tačkom histerezisne petlje sa apscisom, a važna je i veličina remanentne magnetne indukcije (Br), određena presečnom tačkom histerezisne petlje sa ordinatom.

Magnetno meki materijali se koriste za izradu jezgara električnih mašina kako bi se minimizirali histerezisni gubici magnetne energije (takođe srazmerni površini uspravne i uske histerezisne petlje u toku jednog ciklusa namagnetisavanja jezgara mašina, gde se neprekidno vrši namagnetisavanje i razmagnetisavanje). Da bi se minimizirali gubici usled vihornih struja indukovanih u jezgrima, zahtevaju se što veće specifične električne otpornosti (ρ) magnetno mekih materijala. Značajan parametar ovih materijala je i maksimalna relativna magnetna propustljivost (μrm), koja je utoliko veća ukoliko je histerezisna petlja uspravnija.

Magnetni materijali se uglavnom koriste u polikristalnoj formi, a ređe i u amorfnoj formi.

Neodijum Samarijum

Jako magnetno uređenje karakteriše interakcija nekompenzovanih magnetnih dipolnih momenata atoma, koja dovodi do spontanog magnetnog uređenja, kada materijal može da ima spontanu makroskopsku magnetizaciju (Ms).

Jaka interakcija nekompenzovanih magnetnih momenata može izazvati njihovu paralelnu orijentaciju (feromagnetici) ili antiparalelnu orijentaciju (antiferomagnetici ili ferimagnetici). Kod ferimagnetika susedni magnetni dipoli su nekompenzovani, za razliku od antiferomagnetika kod kojih je zato Ms = 0.

Fizička osnova jakog magnetnog uređenja je kvantnomehanička kulonovska izmenska interakcija susednih magnetnih momenata, koja je elektrostatičke prirode ali je istovremeno i kratkodometna.Elektrostatička energija koja odgovara interakciji dva elektrona zavisi od orijentacije njihovih spinova. Kvantnomehanički se pokazuje da se minimum ove energije postiže pri specifičnim relativnim orijentacijama spinova elektrona (tzv. singletno i tripletno stanje). Kako je spin elektrona povezan sa njegovim magnetnim momentom, to energija elektrostatičke izmenske interakcije dva elektrona zavisi od orijentacije njihovih magnetnih momenata.

Uslov da je energija izmenske interakcije minimalna određuje paralelnu ili antiparalelnu orijentaciju magnetnih momenata.

Jako magnetno uređenje

Superizmenska interakcija - magnetni joni razdvojeni nemagnetnim jonom, između kojih je ostvarena veza valentnim elektronima, koji predstavljaju nosioce izmenske interakcije.

Posredna izmenska interakcija - interakcija lokalizovanih 4f-elektrona posredstvom kolektiviziranih 6s-elektrona, kod metala retkih zemalja sa delimično zauzetim 4f-podljuskama.

Izmenska interakcija između delokalizovanih elektrona - između delimično kolektiviziranih 3d elektrona kod prelaznih metala iz grupe gvožđa sa delimično popunjenom 3d-podljuskom.

Iako feromagnetici i ferimagnetici imaju nekompezovane susedne magnetne dipole, ponekad se slučajno uzeti komad ovih materijala čini nenamagnetisan. Međutim, oni interaguju sa spoljašnim magnetnim poljem znatno jače od paramagnetika i mogu da se namagnetišu ako im se približi stalni magnet. Da bi se ova pojava objasnila, neophodno je uzeti u obzir i magnetnu dipolnu interakciju nekompenzovanih magnetnih dipola, koja je inače znatno slabija od elektrostatičke kvantnomehaničke izmenske interakcije, ali je dužeg dometa.

Kao rezultat, magnetna konfiguracija makroskopskog uzorka može biti prilično složena, pošto pri ogromnom broju magnetnih momenata dipolna energija postaje značajna i njen uticaj može znatno da promeni konfiguraciju magnetnih dipola pogodnu s tačke gledišta samo kratkodometne izmenske interakcije.

Konfiguracija sa homogenom magnetizacijom veoma je neekonomična s tačke gledišta magnetne dipolne energije, koja može znatno da se smanji pri podeli uzorka na homogeno namagnetisane makroskopske magnetne domene, sa različitim smerovima magnetnih momenata.

Takva podela dovodi do izvesnog povećanja izmenske energije (u blizini granice domena), ali do većeg ukupnog smanjenja magnetne dipolne energije zbog dugometne dipolne interakcije svih momenata suprotnog smera sa dve strane domena.

Obrazovanje domena je energetski povoljno, jer se za svaki magnetni moment snižava njegova (mala) dipolna energija, a samo se za neke momente (u blizini granice domena) povećava njihova (velika) izmenska energija.

Feromagnetni uzorci obično imaju polikristalnu strukturu sastavljenu od gusto raspoređenih monokristalnih zrna proizvoljne međusobne kristalografske orijentacije. Svako kristalno zrno sastoji se od nekoliko domena (veličine 10−2-10−3 cm), orijentisanih do zasićenja u pravcu "lakog" namagnetisanja i bez prisustva spoljašnjeg magnetnog polja.

Obrazovanje oštre granice domena dovodi do suviše velikog povećanja izmenske energije sistema. Energija domenskog Blohovog zida (~100 nm) smanjuje se raspodelom promene smera magnetnih momenata na veći broj njih.

U prethodnom razmatranju izmenske interakcije smatrano je da ona poseduje idealnu izotropnost, tj. da zavisi samo od ugla između susednih magnetnih momenata. Međutim, u realnom čvrstom telu postoji i veza spinova sa raspodelom elektronske gustine, uslovljena spin-orbitalnom interakcijom, usled čega energija magnetnih momenata u izvesnom stepenu zavisi i od njihove orijentacije u odnosu na kristalografske ose, a ne samo od njihove uzajamne orijentacije. Zato je debljina domenskog zida određena i ovom tzv. energijom anizotropije.

Sa energijom anizotropije povezano je i postojanje eksperimentalno uočenih pravaca "lakog" i "teškog" namagnetisavanja.

Histerezisni proces namagnetisavanja gvožđa pod dejstvom primenjenog spoljašnjeg magnetnog polja H (pri T < Tkr) jeste proces pri kome se menjaju forma i magnetizacija domena. Pre primene polja na do tada nenamagnetisavani materijal, domeni su haotične orijentacije i međusobno kompenzovani (tačka 1).

Dovođenjem spoljašnjeg magnetnog polja, domeni koji su skoro usmereni u pravcu polja rastu na račun neorijentisanih domena. Proces namagnetisavanja u slabim poljima je reverzibilan (tj. sa ukidanjem spoljašnjeg polja domeni dobijaju svoju prvobitnu formu i orijentaciju). Sa daljim povećavanjem polja, domeni se lakše orijentišu i rastu (tačka 2), nailazeći pri tom i na defekte u kristalnom zrnu, koji se suprotstavljaju daljem pomeranju granice domena. Da bi se nadvladao uticaj ovih defekata domenski zid mora dobiti od spoljašnjeg polja dovoljno veliku energiju.

Konačno, neorijentisani domeni potpuno nestaju, što odgovara magnetizaciji zasićenja (tačka 3).

Posle ukidanja magnetnog polja H, defekti sprečavaju povratak domenskih zidova u prvobitni položaj, tako da mnogi domeni ostaju orijentisani blisko prethodno prisutnom polju, usled čega magnetik ima zaostalu, remanentnu magnetizaciju Br (tačka 4) i ponaša se kao stalni magnet.

Pri ponovnoj primeni polja H, ali suprotne orijentacije od prvobitne, domeni će rasti i orijentisati se u suprotnom smeru. Polje pri kome se domeni ponovo haotično orijentišu i međusobno poništavaju (B = 0) je koercitivno polje Hc (tačka 5). Dalji porast polja uzrokuje orijentaciju domena u suprotnom smeru (tačka 6). Pri neprekidnoj promeni smera polja, tačke B(H) opisuju histerezisnu petlju.

HH c-H c

1

2

2

4

4

3

3

5

5

6

B

B r

-B r

16

Feromagnetna histerezisna petlja B(H), sa krivom prvobitnog namagnetisanja (1-2-3), i šematskim izgledom orijentacije i veličine domena u karakterističnim

tačkama (1-6). Nagib u tački 1 odgovara početnoj relativnoj magnetnoj permeabilnosti, a nagib u tački 2 maksimalnoj relativnoj magnenoj

permeabilnosti.

a) b) c) d)

Prikaz domenske strukture

a) u odsustvu magnetnog polja

b) u prisustvu slabog magnetskog polja H1 koji dovodi do reverzibilnih promena

c) u prisustvu jačeg magnetnog polja H2 koje dovodi do ireverzibilnih promena

d) u prisustvu veoma jakog polja zasićenja Hs koje dovodi do potpune orjentacije svih domena

Veličina koercitivnog polja i remanentne indukcije, kao i sam oblik histerezisne petlje, zavise od načina pripreme uzorka, jer od mehaničke i termičke obrade zavisi broj defekata u uzorku.

Zbog nelinearne zavisnosti B(H), kao i M(H), definiše se više tipova magnetne permeabilnosti: početna, maksimalna i diferencijalna (μd = dB/dH)

Lokalno polje Hlok (koje magnetni moment stvarno oseća) znatno se razlikuje od makroskopskog unutrašnjeg magnetnog polja H, koje se razlikuje od primenjenog spoljašnjeg poja H0. Za nalaženje veze između H i H0 uvodi se koeficijent razmagnetisanja, koji na složen način zavisi od oblika magnetnog uzorka.

Magnetno uređenje je ometano toplotnim haotičnim kretanjem magnetnih momenata i na temperaturama višim od kritične (Tkr) ovi materijali prelaze u paramagnetno stanje. Kod feromagnetika ta temperatura se naziva Kirijeva (TC), a kod ferimagnetika Nilova (TN) temperatura.

Temperaturska promena recipročne vrednosti magnetne susceptibilnosti iznad kritične temperature kod a) paramagnetika, b) feromagnetika,

c) antiferomagnetika i d) ferimagnetika.

Karakteristike: zbog male površine vertikalne histerezisne petlje vrlo lako se namagnetišu i razmagnetišu, imaju malo koercitivno polje (Hc), veliku remanentnu indukciju (Br), veliku maksimalnu relativnu magnetnu propustljivost (μrm), male histerezisne gubitke, i male gubitke usled vihornih struja (što se postiže povećanjem specifične električne otpornosti ovih materijala).

Primena: u izradi magnetnih jezgara transformatora i električnih mašina, kalemova i relea, kao i magnetnih memorija.

Predstavnici: gvožđe i legure gvožđa (Fe-Si, Fe-Ni...), meki feriti (feriti su legure sa dominantnim udelom oksida gvožđa, npr. Ni-Zn feriti, Mn-Zn feriti...) i meki amorfni materijali (FexBySi1-x-y legure ...).

Monokristalno čisto gvožđe ima najbolja magnetno meka svojstva, ali je nepraktično za masovnu tehnološku primenu. Kako polikristalno gvožđe ima mnogostruko slabija svojstva, neophodno ga je legirati sa silicijumom (Fe-Si legura, sa 0,1–5 % Si) i niklom (Fe-Ni legure, sa do 80% Ni).

Legure gvožđa i silicijuma (Fe-Si) veoma su jevtine i dobrih svojstava, pa zbog toga predstavljaju materijale koji se najviše primenjuju u izradi limova, za transformatore i električne mašine. Legiranje silicijumom smanjuje nekoliko puta snagu gubitaka nastalih usled vihornih struja, u odnosu na čisto Fe.

Magnetno meki materijali. Kalemovi, transformatori i relea.

Legure gvožđa i nikla (Fe-Ni, feronikl legure) odlikuju se vrlo velikim μr i vrlo malim Hc. Poseban kvalitet ovih legura je velika početna relativna magnetna propustljivost (μri) pri malim magnetnim poljima, što je značajno za primene u računarskoj tehnici, elektronici i telekomunikacijama. Najpoznatije Fe-Ni legure imaju trgovačke nazive permaloj, supermaloj, μ-metal. Izvestan nedostatak ovih legura je osetljivost na mehanička naprezanja, kao i visoka cena (zbog visokog sadržaja skupog Ni). Gotovo pravougaoni histerezisni ciklus male površine omogućava primenu ovih legura u kompjuterskim magnetnim induktivnim glavama, magnetnim pojačavačima, impulsnim transformatorima itd.

Meki feriti (Ni-Zn i Mn-Zn) mešavine su oksida gvožđa (Fe2O3, magnetit) i metalnih oksida NiO i ZnO, odnosno MnO i ZnO. Izrađuju se presovanjem izabrane smeše, a potom sinterovanjem na pogodnoj i relativno visokoj temperaturi, čime se zrna oksida slepljuju u kompaktnu čvrstu polikristalno-amorfnu strukturu. Odlikuju se oko 106 puta većim ρ od Fe-Si i Fe-Ni legura, i zato veoma malim gubicima usled vihornih struja. Imaju relativno veliko μri, zbog čega su pogodni za elektronske primene, pre svega za izradu jezgara širokopojasnih transformatora (f =105–109 Hz za Ni-Zn, odnosno 103–106 Hz za Mn-Zn ferite), kalemova, oscilatora i filtara, kao i za transformatore snage. Mn-Zn feriti koriste se i za magnetne memorije.

Amorfne magnetno meke legure (α-FexBySi1-x-y) dobijaju se vrlo brzim hlađenjem rastopljene mase u vidu tankih i uskih amorfnih traka, sa udelom Si do 5%. Primenjuju se u magnetomernoj tehnici, za izradu pretvarača, senzora i konvertora, a potencijalna supstitucija Fe-Si u mrežnim transformatorima snage donela bi velike uštede energije.

Značajna primena magnetno mekih materijala u elektronici je u oblasti kalemova, transformatora i relea, čije su oznake u električnim kolima date na slici.

Kalemovi su elementi elektronskih kola, čija "otpornost", tzv. reaktansa (XL), zavisi ne samo od induktivnosti kalema (L), već i od učestanosti ( f ) napona koji je doveden na krajeve kalema: XL = 2πfL. Zato se, slično kondenzatorima, koriste u električnim kolima u kojima je potrebno da se od više različitih učestanosti neke izdvoje, a neke potisnu: u oscilatorima, filtrima, radio-prijemnicima, radio-predajnicima i sl.

Simboli u električnim kolima: (a) kalem bez jezgra; (b) kalem sa feritnim jezgrom; (c) NF prigušnica (sa jezgrom od gvozdenih limova);

(d) VF transformator; (e) NF (mrežni) transformator; (f) rele.

Podela kalemova prema jezgru: kalemovi bez magnetnog jezgra i kalemovi sa magnetnim jezgrom.

Podela kalemova prema obliku provodnog namotaja: gusto motani bez koraka, sa korakom, višeslojni, samonoseći, tankoslojni štampani spiralni, debeloslojni čip-kalemovi na izolatorskoj podlozi.

Šematski prikaz kalemova: (a) namotanog gusto bez koraka; (b) sa korakom; (c) višeslojnog; (d) samonosećeg; (e) tankoslojnog štampanog i (f) debeloslojnog

čip-kalema.

Fotografija više tipova kalemova firme TDK

Transformatori su elementi elektronskih uređaja neophodni za transformisanje jednog ulaznog naizmeničnog napona u drugi izlazni naizmenični napon iste učestanosti, putem induktivno spregnutih namotaja. Transformatori koriste magnetna jezgra, jer je potrebno da postoji što jača induktivna sprega između namotaja primara i sekundara.Mrežni transformatori se najčešće koriste u elektronskim uređajima (ulaznog napona 220 V, za dobijanje nižeg napona npr. 12 V, koji se dalje vodi na ispravljač radi dobijanja odgovarajućeg jednosmernog napona, neophodnog za rad elektronskog uređaja), sa jezgrima od profilisanih limova Fe-Si legura (na slici su EI i UI profili, debljine 0,35 i 0,5 mm). Visokofrekventni transformatori se koriste u raznim pretvaračima, sa feritnim jezgrima različitih oblika.

Prikaz (a) EI i UI profilisanih limova mrežnih transformatora i (b) različitih oblika feritnih jezgara visokofrekventnih transformatora firme TDK.

Fotografija tipova transformatora sa feritnim jezgrima firme Matsushita

Relea su komponente koje, pod dejstvom upravljačkog signala, vrše uključivanje i isključivanje u kolima, radi regulacije režima rada, daljinskog upravljanja, automatske zaštite i signalizacije. Zajedničko za sva relea je elektro-mehaničko sprezanje nekog kontakta i kontaktnih grupa pod dejstvom magnetne sile elektromagneta.Opšta podela relea je na elektromagnetna relea i relea sa hermetizovanim kontaktima (tzv. rid-relea). Elektromagnetna relea imaju relativno tešku magnetnu kotvu koja se kreće pod dejstvom elektromagneta. Postoje elektromagnetna relea za jednosmernu i naizmeničnu struju. Posebno značajnu ulogu u releima imaju kontakti, koji imaju malu kontaktnu otpornost i obezbeđuju pouzdani električni spoj. Na slici je prikazan spoljašnji izgled nekoliko tipova elektromagnetnih relea.

(a) (b)

Elektromagnetna relea za jednosmernu struju: (a) sa ugaonim i (b) paralelnim

pomeranjem kotve.

Fotografija nekoliko tipova elektromagnetnih relea firme Lynnks

Armature = kotva, Coil = namotaj sa ulogom elektromagneta, Spring = opruga, Yoke = ram

Relea sa hermetizovanim kontaktima (u gasno zaštićenom zatvorenom kućištu, da bi se izbegla oksidacija kontakta) nazivaju se i rid-relea (eng. reed relay). Kod ovih relea mehaničko kretanje je svedeno na minimum (10-100 μm) i sastoji se u pomeranju kraja laganog magnetnog Fe-Ni jezička (elastičnog elementa) u magnetnom polju solenoida obmotanog oko kućišta. Fe-Ni jezičak se prevlači rodijumom (Rh) kako bi se sprečilo zavarivanje kontakta pri većim strujama. Ova relea su veoma brza i dugotrajna (izdržavaju oko 108 prekidanja u svom radnom veku). Obično se smeštaju u plastično kućište čiji se otvori zatapaju epoksi smolom, kroz koju su izvučene pozlaćene izvodne žice.

Prikaz (a) poprečnog preseka rid-relea, sa kalemom oko staklene cevčice i (b) fotografija nekoliko tipova rid-relea firme Meder.

Karakteristike: zbog položenije histerezisne petlje velike površine, imaju veliko koercitivno polje (Hc), malu remanentnu indukciju (Br) i veliki energetski proizvod (B∙H).

Primena: u izradi stalnih magneta, magnetnih memorija, magnetne mikroelektronike...

Predstavnici: neke legure gvožđa (čelici, legure sa Al, Ni, Co...), tvrdi feriti (Ba- i Sr-feriti...), jedinjenja i legure retkih zemalja (npr. samarijuma i neodijuma) sa Co i Fe (SmCo5, Sm2Co17, NdxFeyB1-x-y ...), materijali sa mehurastim magnetnim domenima (monokristalni ili amorfni).

Magnetno tvrdi materijali. Magneti i memorije.

1

B (T )

12

3 4

5 6

7

0,5

0250750- (kA /m)H 500

Kriva razmagnećenja za nekoliko magnetno tvrdih materijala: (1) NdxFeyB1-x-y, (2) Sm2Co17, (3) SmCo5, (4) PtxCo1-x,(5) tvrdog ferita, (6) AlNiCo sa velikim Hc, (7) AlNiCo sa malim Hc.

Stalni magneti. Najstariju grupu magnetno tvrdih materijala čine tvrdi čelici sa znatnim sadržajem ugljenika (0,8–1,5%), legirani sa W, Cr i Co. Međutim, znatno veći energetski proizvod imaju tvrdi čelici sa malim sadržajem C (ispod 0,03%), koji su legirani sa Al, Ni, Co ili Cu, prema čemu nose trgovačke nazive AlNi, AlNiCo, AlNiCoCu, a ponekad samo AlNiCo legure.

AlNiCo legure sadrže oko 50% Fe i ostatak Al, Ni i Co, uz mali dodatak C. Ove legure su relativno skupe, ali veoma solidnih magnetno tvrdih karakteristika. Kako su dosta mehanički tvrde, obrađuju se brušenjem. Primenjuju se u izradi stalnih magneta koji se koriste u mernoj tehnici.

Tvrdi feriti (Ba- i Sr-feriti...) mešavine su oksida gvožđa (Fe2O3) i metalnih oksida BaO, odnosno SrO. Izrađuju se na isti način kao i meki feriti, ali se presuju u jakom magnetnom polju sinterovanjem izabrane smeše. Iako su im magnetne karakteristike slabije od AlNiCo legura (sem što im je Hc nekoliko puta veće), mnogo više se koriste zbog niže cene. Primenjuju se u izradi mikrofona i statora automobilskih starter-motora. Zbog veće trajnosti upisanih podataka, sve više se koriste i za magnetne memorije (Ba- i Co-feriti).

Jedinjenja i legure retkih zemalja (npr. Sm ili Nd sa Co ili Fe), relativno je nova grupa magnetno tvrdih materijala, koji po svojim magnetnim svojstvima nadmašuju AlNiCo legure i tvrde ferite. Najčešće do sada primenjivana jedinjenja su SmCo5 i Sm2Co17, koja su vrlo skupa jer sadrže redak element samarijum (Sm). Međutim, načinjene su i magnetne legure NdxFeyB1-x-y, gde je Sm zamenjen znatno jevtinijim neodijumom (Nd). Prednost Nd-Fe-B legura je to što su znatno manje osetljive na udarce od Sm-Co jedinjenja, a nedostatak im je znatno niže Tkr. Zajednički nedostatak im je neotpornost na koroziju, zbog čega se premazuju zaštitnom bojom. Očekuje se šira primena, posebno znatno jevtinijih Nd-Fe-B legura, za izradu minijaturnih i snažnih magneta u elektronici, mernoj tehnici, HI-FI uređajima, automatici, avio i kosmičkoj industriji.

Materijali sa mehurastim domenima posebno su interesantna klasa magnetno tvrdih materijala. Oni mogu imati kristalnu strukturu (ortoferiti, garneti i heksaferiti) ili amorfnu. Komercijalno najviše korišćen materijal ovog tipa je YIG (eng. yttrium iron garnet), koji se svrstava u grupu garneta sa opštom formulom (RE)3Fe2(FeO4)3, (eng. RE = rare earth) gde u slučaju YIG ulogu retke zemlje igra itrijum (Y). YIG se koristi u obliku tankog monokristalnog sloja nanetog na nemagnetnu monokristalnu Gd3Ga5O12 podlogu (istog tipa kristalne strukture), čime se ostvaruju prečnici cilindričnog domena od oko 0,5 μm. Heksasferiti mogu imati čak i manje domene, od oko 0,3 μm. Amorfni magnetno tvrdi filmovi, od kojih je najinteresantniji (Gd1-xCox)1-yMoy , mogu imati domene i manje od 0,1 μm, a uz to su i jevtiniji jer ne zahtevau korišćenje skupih monokristalnih podloga. Očekuje se šira primena ovih materijala i za magnetne memorije i magnetnu mikroelektroniku.

Magnetne memorije. Glavna primena magnetnih materijala u elektronici i računarskoj tehnici je za izradu magnetnih memorija (diskovi, diskete, trake). Nekada se smatralo da su za magnetne memorije pogodniji magnetno meki materijali, sa uskom histerezisnom petljom male površine (Fe2O3, CrO2, Mn-Zn feriti i Mg-feriti), zbog manje energije potrebne za premagnetisavanje memorijskog sadržaja. Međutim, danas je gledište izmenjeno, i koriste se uglavnom magnetno tvrdi materijali (Ba-feriti, Co-feriti, Fe-Co legure, Co-Ni legure), čiji veći energetski proizvod daje jače očitavačke signale u elektromagnetnoj glavi i bolji odnos signal/šum, kao i veću gustinu zapisa.

Magnetne induktivne glave za upisivanje i očitavanje podataka, sa jezgrom od magnetno meke Fe-Ni legure (permaloj i sl.), standardno se koriste za upisivanje i očitavanje informacija sa magnetnog diska. Struja u glavi magnetiše domene u disku tokom memorisanja, dok domeni u disku indukuju struju u glavi tokom očitavanja podataka, pri čemu smer struje zavisi od lokalnog smera magnetnih domena u disku.

Magnetno rezistivne glave za očitavanje podataka, realizovane su na bazi Fe-Ni legura, pri čemu im se električna otpornost menja ~ 2% pri promeni stanja magnetizacije tokom očitavanja memorisanog podatka; ali i dalje je neophodna induktivna glava za upisivanje podataka. The read and write elements are separate, but in close proximity, on the head portion of an actuator arm. Iako je ovaj upisivačko-očitavački mehanizam složeniji, on omogućava veću preciznost i dvadesetostruko veću gustinu zapisa (~ 180 Mbit/cm2) od klasičnih, što čak prevazilazi i optičke i magnetooptičke, kao i poluprovodničke memorije. Pri tome je kritično važno da zazor između glave i diska bude što manji (~ 100 nm), kao bi se minimizirale greške u memorisanju i očitavanju podataka.

Šematski prikaz upisivanja i očitavanja podataka sa magnetnog diska, korišćenjem magnetne induktivne glave, na principu elektromagnetne indukcije

Magnetni diskovi se prave nanošenjem magnetnog sloja na nemagnetni Al-disk: magnetni sloj, debljine 10-20 nm, izrađuje se utapanjem malih magnetnih čestica u polimernu masu, što omogućava brzu rotaciju domena kao odziv na promenu smera magnetnog polja elektromagnetne glave. S druge strane, magnetne trake za audio i video-kasete izrađuju se naparavanjem čestica magnetnog materijala na polimernu traku. Opisani magnetni memorijski diskovi su relativno spori (~ 10 ms) zbog mehaničkog pristupa rotacije diska, a zahtevaju i veoma skup upisivačko-očitavački mehanizam, što omogućava ekonomičnost samo velikih memorija (> 100 Mbita).