Yay mıknatısı değişimi - Exchange spring magnet

Bu makalenin birden çok sorunu var. Lütfen yardım et onu geliştir veya bu konuları konuşma sayfası. (Bu şablon mesajların nasıl ve ne zaman kaldırılacağını öğrenin) Bu makale daha fazlaya ihtiyacı var diğer makalelere bağlantılar yardım etmek ansiklopediye entegre et. Lütfen yardım et bu makaleyi geliştir bağlantılar ekleyerek bağlamla alakalı mevcut metin içinde. (2015 Haziran) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin) Bu makale genel bir liste içerir Referanslar, ancak büyük ölçüde doğrulanmamış kalır çünkü yeterli karşılık gelmiyor satır içi alıntılar. Lütfen yardım edin geliştirmek bu makale tanıtım daha kesin alıntılar. (Temmuz 2013) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin)

Şekil 1: Bir değişim yayı mıknatısının (kesikli) ideal manyetik histerez döngüsü ve bunun yanı sıra izole edilmiş sert (Mavi) ve yumuşak (Kırmızı) bileşenlerinin histerezis döngüleri. H, uygulanan harici manyetik alan, M ise malzemenin toplam manyetik akı yoğunluğudur.

Bir Değiştirme Bahar Mıknatısı bir manyetik yüksek malzeme zorlayıcılık ve yüksek doyma sırasıyla sert bir manyetik malzeme ile yumuşak bir manyetik malzeme arasındaki değişim etkileşiminden türetilen özellikler. Coehoorn vd. gerçek bir değişim yay mıknatısını ilk gözlemleyenlerdi.^[1] Değişim yaylı mıknatıslar, nadir toprak / geçiş metalleri içeren birçok mıknatıstan daha ucuzdur (RE-TM Mıknatıslar ), mıknatısın sert fazı (genellikle RE-TM malzemesini içerir) hacimce toplam mıknatısın% 15'inden daha az olabilir.^[2]

Prensip

İlk olarak 1991'de Kneller ve Hawig tarafından önerilen yaylı değişim mıknatısı, sert ve yumuşak manyetik malzemeler arasındaki epitaksiyi kullanır: sert malzeme, yumuşak malzemenin anizotropisini korumaya yardımcı olur ve bu da onun zorlayıcılığını artırır.^[2]

manyetik histerezis döngüsü Bir değişim yay mıknatısının teorik olarak, sert ve yumuşak manyetik bileşenlerinin toplamına benzer bir şekil alır (Şekil 1'de görüldüğü gibi), yani enerji ürünü bileşenlerinden daha yüksektir. Bir mıknatısın maksimum enerji ürünü (BH)_max, kabaca zorlayıcılığı ile orantılıdır (H_C) ve mıknatıslanma doygunluğu (M_oturdu), manyetik iş yapabilme kabiliyetinin bir ölçüsü olarak kullanılır (BH)_max mıknatısın mevcut manyetostatik enerjisinin iki katıdır.^[3] Değişim yayı mıknatısı, Nadir Toprak / Geçiş Metal kompleksleri gibi malzemelerin önceden bildirilen maksimum enerji ürünlerini iyileştirebilen bir geometri sunar; her iki malzeme de yeterince büyük H'ye sahipken_C değerler ve nispeten yüksek Curie Sıcaklıkları, değişim yayı mıknatısı çok daha yüksek M elde edebilir_oturdu Nadir Toprak / Geçiş Metal (RE-TM) komplekslerinden daha değerler.^[4]

Değişim yaylı mıknatısların önemli bir bileşeni, anizotropi: Yığın halindeki izotropik değişim yaylı mıknatıslar hala birçok RE-TM mıknatısından daha büyük bir enerji ürünü sergilerken, anizotropik formlarının enerji ürününün önemli ölçüde daha yüksek olduğu teorize edilmiştir.^[3]

Manyetik enerji

Enerji değişimi

Dökme bir malzemenin manyetik momenti, tüm atomik momentlerinin toplamıdır. Atomik momentlerin birbirleriyle ve harici olarak uygulanan alanla etkileşimleri, mıknatısın davranışını belirler. Her atomik manyetik moment, toplam manyetik enerji minimuma ulaşacak şekilde kendisini yönlendirmeye çalışır. Dengeye ulaşmak için birbiriyle yarışan genel olarak dört tür enerji vardır: her biri değişim birleştirme etkisinden, manyetik anizotropiden, mıknatısın manyetiostatik enerjisinden ve mıknatısın dış alanla etkileşiminden elde edilir.

Şekil 2: Dört tür manyetik enerji. Küçük atom gruplarının manyetik momentleri oklarla temsil edilir.

Değişim kuplajı, bitişik momentleri birbiriyle hizalı tutan kuantum mekanik bir etkidir. İki moment arasındaki açı arttıkça, bitişik momentlerin değişim enerjisi artar.

${ displaystyle E_ {x} = A ({ frac {d theta} {dx}}) ^ {2}}$

nerede ${ displaystyle A = { frac {1} {6}} nJS ^ {2} toplamı Delta r_ {j} ^ {2}}$ değişim sabiti ve ${ displaystyle Delta r_ {j} = r_ {j} -r_ {i}}$ komşunun konum vektörüdür ${ displaystyle j}$ site ile ilgili olarak ${ displaystyle i}$. Tipik değerleri ${ displaystyle A}$ emrinde ${ displaystyle 10 ^ {- 11}}$ J / m.

Anizotropi enerjisi

Manyetik anizotropi enerji, malzemenin kristal yapısından kaynaklanır. Basit bir durum için, etki tek eksenli bir enerji dağılımı ile modellenebilir. Eksenel bir yön boyunca kolay eksen manyetik momentler hizalanma eğilimindedir. Manyetik bir momentin yönü kolay eksenden saparsa enerji artar.

${ displaystyle E _ { text {a}} = K_ {1} sin ^ {2} theta}$

Manyetostatik enerji

manyetostatik enerji bir malzemenin manyetik momentleri tarafından üretilen alanda depolanan enerjidir. Mıknatısın alanı, tüm manyetik momentler bir yönde yönelirse maksimum yoğunluğuna ulaşır; sert bir mıknatısta meydana gelen budur. Manyetik alanın oluşmasını önlemek için, bazen manyetik momentler döngü oluşturma eğilimindedir. Bu şekilde, manyetik alanda depolanan enerji kısıtlanabilir; yumuşak bir mıknatısta meydana gelen budur. Bir mıknatısın sert mi yoksa yumuşak mı olduğunu belirleyen, manyetik enerjisinin baskın terimidir. Sert mıknatıslar için anizotropi sabiti nispeten büyüktür ve manyetik momentlerin kolay eksenle hizalanmasını sağlar. Tersi durum, manyetostatik enerjinin baskın olduğu yumuşak mıknatıslar için geçerlidir.

Başka bir manyetostatik enerji, bir dış alanla etkileşim olarak ortaya çıkar. Manyetik momentler doğal olarak uygulanan alanla hizalanmaya çalışır.

${ displaystyle E_ {ext} = - MBsin ( theta)}$

Yumuşak mıknatısta manyetostatik enerji hakim olduğu için, manyetik momentler dış alan boyunca başarılı bir şekilde yönlendirme eğilimindedir.

Yay mıknatısı değişimi

Değişim yay mıknatısında, sert faz yüksek zorlayıcılığa, yumuşak faz ise yüksek doygunluğa sahiptir. Sert faz ve yumuşak faz, değişim kuplajıyla arayüzleri aracılığıyla etkileşime girer.

Şekil 3: Sert bir manyetik malzeme ile yumuşak bir manyetik malzemenin arayüzündeki manyetik momentler. Tek boyutlu olduğunu varsayar: mavi oklar sert fazdaki manyetik momentleri, kırmızı oklar ise yumuşak fazdakileri temsil eder. Okun uzunluğu, mıknatıslanmasını ve genişliği de zorlayıcılığını gösterir. Kolay eksenin dikey yönde olduğu varsayılır.

Şekil 3'te soldan sağa, mıknatısı doyurmak için önce yukarı yönde bir dış alan uygulanır. Ardından, dış alan ters çevrilir ve mıknatısı demanyetize etmeye başlar. Sert fazın zorlayıcılığı nispeten yüksek olduğundan, anizotropiyi en aza indirmek ve enerji alışverişi yapmak için momentler değişmeden kalır. Yumuşak fazdaki manyetik momentler, uygulanan alanla hizalanmak için dönmeye başlar.^[5] Yumuşak / sert arayüzdeki değişim kuplajı nedeniyle, yumuşak faz sınırındaki manyetik momentler, sert fazdaki bitişik moment ile hizalanmalıdır. Arayüze yakın bölgelerde, değişim kuplajı nedeniyle manyetik momentler zinciri bir yay gibi davranır. Dış alan artırılırsa, yumuşak fazdaki daha fazla moment aşağı doğru döner ve değişim enerjisi yoğunluğu arttıkça geçiş bölgesinin genişliği küçülür. Sert fazdaki manyetik momentler, dış alan, geçiş bölgesindeki değişim enerjisi yoğunluğunun sert fazdaki anizotropi enerji yoğunluğu ile karşılaştırılabilecek kadar yüksek olana kadar dönmez. Bu noktada yumuşak fazdaki manyetik momentlerin dönüşü sert fazı etkilemeye başlar. Dış alan sert malzemenin zorlayıcılığını aştığında, sert mıknatıs tamamen manyetikliği giderilir.

Önceki süreçte, sert mıknatıstaki manyetik momentler dönmeye başladığında, dış alanın yoğunluğu zaten yumuşak fazın zorlayıcılığından çok daha yüksektir, ancak yumuşak fazda hala bir geçiş bölgesi vardır. Yumuşak fazın kalınlığı, geçiş bölgesinin iki katından daha az kalınlıkta ise, yumuşak faz, sert fazın zorlayıcılığından daha küçük, ancak bununla karşılaştırılabilir büyük bir etkili zorlayıcılığa sahip olmalıdır.

Şekil 4: İnce yumuşak faz etrafındaki manyetik momentler

İnce ve yumuşak bir fazda, yüksek doygunluk manyetizasyonuna sahip sert bir mıknatısa benzer şekilde, dış alanın manyetik momentleri döndürmesi zordur. Sert fazdaki manyetik momentleri kısmen manyetikliği gidermek için yüksek bir dış alan uyguladıktan ve ardından dış alanı kaldırdıktan sonra, yumuşak fazdaki dönen momentler, sert faz ile değişim kuplajı ile geri döndürülebilir (Şekil 5). Bu fenomen, bir değişim yay mıknatısının histerez döngüsünde gösterilmektedir (Şekil 6).

Şekil 5: Nispeten büyük bir harici manyetik alan uygulayıp çıkaran bir değişim yaylı mıknatısın manyetik momentleri.

Şekil 6: Demanyetizasyon eğrileri^[5] bir değişim yay mıknatısı.

Değişim yayı mıknatısının histerezis döngüsünün geleneksel bir sert mıknatısınki ile karşılaştırılması, değişim yay mıknatısının karşıt dış alandan çıkma olasılığının daha yüksek olduğunu gösterir. Dış alan kaldırıldığında, kalıcı mıknatıslanma orijinal değerine yakın bir değeri kurtarabilir. "Değişim yayı mıknatısı" adı, manyetizasyonun tersine çevrilebilirliğinden türemiştir.^[2]

Değişim yayı mıknatısı içindeki yumuşak fazın boyutu, tersine çevrilebilir mıknatıslaşmayı muhafaza edecek kadar küçük tutulmalıdır. Ek olarak, yüksek bir mıknatıslanma doygunluğuna ulaşmak için yumuşak fazın hacim fraksiyonunun mümkün olduğu kadar büyük olması gerekir. Uygulanabilir bir malzeme geometrisi, sert parçacıkları yumuşak bir matrisin içine yerleştirerek bir mıknatıs imal etmektir. Bu şekilde, yumuşak matris malzemesi, sert parçacıklara yakın olurken en büyük hacim oranını kaplar. Sert parçacıkların boyutu ve aralığı nanometre ölçeğindedir. Sert mıknatıslar, yumuşak manyetik fazda bir fcc uzay kafesi üzerinde küreler ise, sert fazın hacim fraksiyonu% 9 olabilir. Toplam mıknatıslanma doygunluğu hacim fraksiyonu ile toplandığından, saf bir yumuşak fazın değerine yakındır.

Yapılışı

Bir değişim yay mıknatısının üretimi, nanometre ölçekli boyutta parçacık matris yapısının hassas kontrolünü gerektirir. Metalurjik yöntem, püskürtme ve parçacığın kendi kendine montajı dahil olmak üzere çeşitli yaklaşımlar test edilmiştir.

• Parçacık Kendiliğinden Birleştirme - 4 nm Fe₃Ö₄ nanopartiküller ve 4 nm Fe₅₈Pt₄₂ Çözelti içinde dağılan nanopartiküller, çözelti buharlaştırılarak kendi kendine birleştirme yoluyla kompakt yapılar olarak biriktirildi. Daha sonra tavlama yoluyla bir FePt-Fe₃Pt nanokompozit mıknatıs oluşturuldu. Enerji yoğunluğu 117 kJ / m'den yükseldi³ tek fazlı Fe₅₈Pt₄₂ 160 kJ / m'ye kadar³ FePt-Fe'nin₃Pt nanokompozit.^[6]
• Püskürtme - Sm ve Co, bir DC Magnetron kullanılarak temel hedeflerden, Sm oluşturmak için MgO (110) substratları üzerindeki bir Cr (211) tamponuna birlikte püskürtüldü.₂Co₇. 300 - 400 ° C'de bir Fe tabakası çöktü ve Cr ile kapatıldı.^[7]
• Tavlama - Çok katmanlı Fe ve Pt, elemental hedeflerden cama sıçradı. Değişen katman bileşimi ve tavlama koşullarının nihai malzemenin manyetik özelliklerini değiştirdiği bulunmuştur.^[8]

Referanslar