Stárnutí magnetů – realita nebo fikce

Články - Principy magnetismu

Často se setkáváme s otázkou, jak dlouho vydrží „síla“ magnetu nebo zda lze obnovit magnet, který časem zeslábl. Pro někoho je naopak magnet zdrojem nevyčerpatelné energie, případně vhodným nástrojem pro vytvoření perpetum mobile. Jak to tedy ve skutečnosti s životností magnetu je?

Stabilita magnetu může být popsána jako schopnost uchovávat stav magnetizace v různých podmínkách v průběhu času. Není však dosud pevně definována žádným vzorcem. Vedle základních faktorů, ovlivňujících stabilitu magnetu, jako je druh materiálu, teplota a koeficient permeance pracovního bodu je třeba zahrnout i působení externího magnetické pole, případně také radiaci.

Čas

Ztráta magnetického toku s časem (magnetický afterefekt) je obecně velmi malá. Studie ukazují, že k nejvýraznějším změnám dochází bezprostředně po zmagnetování (tzv. „Magnetic Creep“). Postupně se ztráta magnetického toku více a více zpomaluje. Velikost tohoto efektu také závisí na druhu materiálu, teplotě a koeficientu permeance. Projevuje se nejčastěji u magnetů Alnico, méně u magnetů ze vzácných zemin SmCo a FeNdB. Hnací silou je snaha každého uzavřeného systému dosáhnout minimální vnitřní energie. Zatímco zcela uspořádaný (zmagnetovaný) stav je má velkou vnitřní energii – vždyť na zmagnetování i malého magnetu je potřeba energie mnoha kJ, je stav neuspořádaný s náhodnou orientací magnetických momentů mnohem energeticky výhodnější.

Teplota

Ztráty magnetického toku lze rozdělit do 3 kategorií: 

  • Vratné (reverzibilní) 
  • Nevratné (ireverzibilní) ale obnovitelné 
  • Nevratné a neobnovitelné

Vratné ztráty

Magnetizace se obnoví, jakmile se teplota vrátí k původní hodnotě. Tyto ztráty nelze eliminovat teplotní stabilizací (viz dále). Pro konkrétní typ materiálu jsou charakterizovány koeficientem TK, který vyjadřuje pokles veličiny při zvýšení teploty o 1oC.

Koeficient vratných ztrát Br a HC

Materiál

TK (Br )

TK (HC )

NdFeB

-0,12

-0,60

SmCo

-0,04

-0,30

AlNiCo

-0,02

-0,01

ferity

-0,20

-0,30

   

Toto hrubé rozdělení do skupin podle typu materiálu lze dále upřesnit. Například pro magnety typu FeNdB jsou hodnoty TK mírně odlišné pro různé teplotní třídy.

Teplotní třída magnetu

TK (Br )

TK (HC )

Max. pracovní teplota

-0,12

-0,60

80 ºC *

M

-0.12

-0,58

100 ºC

H

-0,11

-0,58

120 ºC

SH

-0,10

-0,55

150 ºC

UH

-0,09

-0.52

180 ºC

EH

-0,085

-0,50

200 ºC

VH / AH

-0,08

-0,45

230 ºC

    60 ºC pro N50 a N52

Graficky lze znázornit situaci na 4 kvadrantu B-H křivky (tzv. demagnetizační křivka). Pracovní bod A1 leží na přímce p1 (koeficient permeance). Po ohřátí se posuneme z bodu A1 do bodu B1. Po ochlazení se vrátíme do bodu A1.

kivky a pracovn body

Obr. 1: B-H křivky a pracovní  body při různých teplotách a permeanci

Nevratné ale obnovitelné ztráty

Tyto ztráty jsou definovány jako částečné odmagnetování působením teploty. Jsou obnovitelné pouze novým zmagnetováním materiálu. Nastává tehdy, pokud se pracovní bod magnetu dostane pod „koleno“ demagnetizační křivky. Na obr.1 je situace znázorněna přímkou p2. Zahřátím magnetu se z bodu A2 dostaneme do bodu B2, který se nachází pod “kolenem“ křivky. Po ochlazení se ale nevrátíme do bodu A2, ale jen do bodu C. Část magnetického toku  E se ztratí.

Nevratné a neobnovitelné ztráty

Při vysokých teplotách nad Curieovou teplotou dochází v materiálech ke strukturálním změnám. K obnovení magnetizace nedoje ani při opakování procesu namagnetování (působení velmi silného magnetického pole). V následující tabulce jsou uvedeny hodnoty Curieovy teploty pro různé druhy materiálu, nad nimiž hrozí trvalé poškození magnetické strukturu.

Curieova teplota různých druhů magnetů

Materiál

TK (Br )

NdFeB

310

SmCo

750

AlNiCo

860

ferity

460

  

Teplotní stabilizace

Částečně lze zmírnit ztráty magnetizace tzv. teplotní stabilizací. Je to proces, při kterém se magnet vystaví opakovaným cyklům zvýšené teploty a ochlazení. V materiálu přitom zanikají nejméně stabilní domény, které jsou zodpovědné za nevratné ztráty. To je sice spojenou s nepatrnou ztrátu magnetizace, ale když je pak takto stabilizovaný materiál vystaven teplotám nižším, než byla stabilizační teplota, nedochází již k dalším ztrátám. Navíc se ukazuje, že takto lze dosáhnout rovnoměrnějších vlastností nejen v celé výrobní dávce, ale dokonce ve všech dávkách jednoho typu materiálu.

Změny reluktance

Pokud dojde ke změně reluktance obvodu s trvalým magnetem, např. vytvořením nebo rozšířením vzduchové mezery, dochází k posouvání pracovnímu bodu na demagnetizační křivce (koeficientu permeance p) směrem k bodu Hc (viz obr.1). K nevratným změnám dochází při překročení „kolena“ křivky podobně jako při působení zvýšené teploty (viz výše).

Externí magnetické pole

Stejně jako silné magnetické pole způsobí zmagnetování materiálu, tj. orientaci magnetických dipólů v materiálu do jednoho směru, tak zase působení stejně pole stejné nebo větší intenzity v jiném směru způsobí změnu orientaci těchto dipólů. U anizotropních materiálů (většina dnes používaných magnetů) se však nevytvoří plně uspořádaný stav, ale struktura různě orientovaných domén, což se navenek projeví jako ztráta magnetizace. Intenzita externího pole, která může tyto změny způsobit, však musí dosáhnout dvou až tří násobku Hcj.

Radiace

V běžných podmínkách nebývá tento vliv významný. Existují ale speciální aplikace, kde je nutno ho brát v úvahu. Ukazuje se, že magnety SmCo mají mnohem lepší odolnost vůči radiaci než magnety FeNdB, u kterých při dávkách 104 až 105 Gy dochází k jejich úplnému odmagnetování.

RNDr. Vladimír Šimík

ředitel ABC MAGNET s.r.o.

Zdroje a další literatura

Ralph Skomski et al.: Magnetic Aging, University of Nebraska, Lincoln 2006

Minna Haavisto et al.: Magnetic Behavior of Sintered NdFeB Magnets on a Long-Term Timescale, Prizztech Oy, Magnet Technology Centre, Pori, Finland 2014

Jinfang Liu, et al.: THERMAL STABILITY AND RADIATION RESISTANCE OF SM-CO BASED PERMANENT MAGNETS, Proceedings of Space Nuclear Conf., Boston, Massachusetts 2007

http://www.magmamagnets.com/permanent-magnet-stability

http://icfa-nanobeam.web.cern.ch/icfa-nanobeam/paper/kumada.pdf

http://www.magmamagnets.com/permanent-magnet-stability

http://www.magnetapplications.com/

Přihlášení uživatele

Kdo je online

Právě připojeni - hostů: 14 
Copyright © 2017 Magnetic Portal - informační portál o magnetismu. Všechna práva vyhrazena.
Joomla! je svobodný software šířen pod GNU/GPL licencí.