Einfluss der Compoundrezeptur auf die Eigenschaften kunststoffgebundener multipolarer Dauermagnete


Studienarbeit, 2009

98 Seiten, Note: 1,3


Leseprobe

Inhalt

1 Verwendung von kunststoffgebundenen Dauermagneten
1.1 Verwendung bei magnetischen Codierern
1.2 Verwendung bei Elektromotoren

2 Magnetische Grundlagen
2.1 Kenngrößen des Magnetismus
2.2 Ausprägungen des Magnetismus
2.2.1 Magnetische Momente eines Stoffes
2.2.2 Diamagnetismus
2.2.3 Paramagnetismus
2.2.4 Ferromagnetismus
2.2.5 Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus
2.3 Theorie der Magnetisierungskurve
2.3.1 Theoretische Grundlagen für die Hysteresekurve
2.3.2 Hart- und weichmagnetische Stoffe

3 Versuchsmaterialien und -vorrichtungen
3.1 Verwendete Probenmaterialien
3.1.1 Matrixmaterial Polyamid 12
3.1.2 Ferrite als Füllstoffe
3.1.2.1 Charakterisierung von Ferriten
3.1.2.2 Strontiumferrit als eingesetzter Probenfüllstoff
3.1.3 Seltene Erden-Eisenlegierungen als Füllstoff
3.1.3.1 Charakterisierung von Seltenen Erden
3.1.3.2 Neodym-Eisen-Bor als verwendeter Probenfüllstoff
3.2 Eigenschaften hochgefüllter Kunststoffe mit magnetischen Eigenschaften
3.3 Werkzeuge und Anlagen zur Probenherstellung
3.3.1 Herstellung der Compounds
3.3.2 Spritzguss der Proben

4 Versuchsdurchführung
4.1 Aufmagnetisierung der Proben im magnetischen Richtfeld
4.1.1 Aufmagnetisierung von bipolaren Probenplättchen
4.1.2 Aufmagnetisierung von multipolaren Probenplättchen
4.2 Messanlagen und -geräte
4.2.1 Hall-Sensor
4.2.2 Permagraph
4.3 Versuchsplan der durchgeführten Versuche
4.3.1 Variation der Compoundzusammensetzung
4.3.2 Variation der Polbreite und der Probengeometrie
4.3.3 Variation der Richtfelder im Werkzeug

5 Ergebnisse der durchgeführten Messungen
5.1 Ergebnisse für bipolare Proben
5.1.1 Messung der magnetischen Eigenschaften mit Hilfe des
Permagraph
5.1.1.1 Ergebnisse für die Remanenzinduktion Br
5.1.1.2 Ergebnisse für die Koerzitivfeldstärken HcJ
5.1.1.3 Ergebnisse für das maximale Energieprodukt BHmax
5.1.1.4 Messergebnisse für bestimmte Probenbereiche
5.1.2 Messung der Flussdichte an der Magnetoberfläche mit Hilfe des Hall
Sensors
5.2 Ergebnisse für multipolare Proben - Messung der Flussdichte an der Magnetoberfläche mit Hilfe des Hall-Sensors
5.2.1 Ergebnisse für strontiumferritgefüllte Proben mit unterschiedlichen
Polbreiten
5.2.1.1 Ergebnisse für eine Polbreite von 2.5mm
5.2.1.2 Ergebnisse für eine Polbreite von 5mm
5.2.1.3 Ergebnisse für eine Polbreiten von 10mm
5.2.2 Exkurs: Ergebnisse multipolarer Proben gefüllt mit
Samarium-Cobalt
5.2.3 Exkurs: Ergebnisse vierpoliger Proben gefüllt mit Strontiumferrit und
Neodym-Eisen-Bor

6 Auswertung der durchgeführten Messungen
6.1 Auswertung der bipolaren Proben
6.1.1 Magnetische Eigenschaften
6.1.2 Flussdichte an der Probenoberfläche
6.2 Auswertung der multipolaren Proben
6.2.1 Ergebnisse für strontiumferritgefüllte Proben mit unterschiedlichen
Polbreiten
6.2.2 Exkurs: Auswertung multipolarer Proben gefüllt mit
Samarium-Cobalt
6.2.3 Exkurs: Auswertung vierpoliger Proben gefüllt mit Strontiumferrit und
Neodym-Eisen-Bor

7 Zusammenfassung

8 Literaturverzeichnis

9 Anhang

1 Verwendung von kunststoffgebundenen Dauermagneten

Magnetismus ist ein physikalisches Phänomen, welches uns jeden Tag umgibt ohne das es uns immer bewusst ist. Der Mensch hat kein Sinnesorgan für Magnetismus und so fühlen wir die uns umgebenden magnetischen Felder nicht.

Der Magnetismus ist eine Erscheinung, die schon früh von der Menschheit für technische Erfindungen genutzt wurde. Magnetische Bauteile umgeben uns in fast allen Bereichen des Lebens, sei es in dem hochtechnologischen Objekt Automobil oder als Magnetpin an unserem Kühlschrank. Ständig kommt es zu neuen Entwicklungen im Bereich der Werkstoffwissenschaften und der technischen Anwendung von Magneten. Eines dieser Forschungsgebiete sind Kunststoffe, welche als Matrizen genutzt und mit magnetischen Partikeln gefüllt werden. Die Einleitung dieser Arbeit soll einen Überblick über zwei aktuelle Einsatzgebiete dieser kunststoffgebundenen Dauermagneten geben. Anschließend werden die physikalischen Grundlagen des Magnetismus und die verwendeten Materialien besprochen. In späteren Teilen der Arbeit wird auf die Versuchsdurchführung und auf die magnetischen Untersuchungsergebnisse von kunststoffgebundenem Strontiumferrit, Neodym-Eisen-Bor und Samarium-Cobalt eingegangen.

1.1 Verwendung bei magnetischen Codierern

Ein Anwendungsgebiet, welches ein großes Potenzial für kunststoffgebundene Magnete verspricht, sind magnetische Codierer. Codierer (auch Kodierer, Coder oder Encoder genannt) sind technische Elemente, die sowohl in der Nachrichten- als auch in der Antriebstechnik eingesetzt werden. Dabei beschreibt der Begriff „Codierer“ jeweils verschiedene Bauteile. Interessant ist vor allem der Einsatz in der mechanischen Antriebstechnik. Hier spricht man von Codierern als magnetische Messwertaufnehmer, welche die aktuelle Position einer Antriebseinheit, z.B. einer Motorwelle, erkennen und als elektrisches Signal ausgeben. Ziel ist, eine exakte Position zu bestimmen und gegebenenfalls eine zweite Position immer wieder genau anzufahren, z.B. einen Startpunkt. Dabei unterscheidet man zwischen rotatorischen und linearen Codierern [24].

In Bild 1.1 sind einige magnetische Codierer dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.1: Magnetische Codierer aus hochgefüllten Kunststoffen [27]

Es gibt einige Vorteile der magnetischen Codierer gegenüber optischen oder mechanischen Codierern. So sind sie im allgemeinen robuster, kleiner und weniger anfällig gegenüber optischen oder mechanischen Störeinflüsse, wie z.B. Sichtbehinderungen oder Schmutz. Ihr Messprinzip beruht auf dem Hall-Effekt (vgl. Kapitel 4.2.1), und ist somit unabhängig von Temperaturschwankungen oder beschlagenen Oberflächen ist. Ein weiterer Vorteil ist ihr niedrigerer Preis, der durch die Verwendung von kostengünstigen kunststoffgebundenen Dauermagneten noch weiter gesenkt werden kann. Allerdings gibt es auch zwei entscheidenden Nachteile der magnetischen Codierer. Zum einen reagieren sie auf elektrische und magnetische Störfelder, was zu Verfälschungen der Messergebnisse führen kann. Zum anderen lassen sich nur schlechtere Auflösungen als bei optischen Codierern realisieren [25][26].

1.2 Verwendung bei Elektromotoren

Ein besonders wichtiges Anwendungsfeld von kunststoffgebundenen Permanentmagneten ist der Einsatz in Elektromotoren. Vor allem dienen diese zur Erregung von Synchron- bzw. Gleichstrommaschinen. Hier kommen sie vor allem dann zum Einsatz, wenn kleine Leistungen zu erzeugen sind. Bei diesen Anwendungen kommt der Vorteil zum Tragen, dass sich kompakte Bauweisen bei gleichzeitig hohen Wirkungsgraden realisieren lassen [10].

Besondere Möglichkeiten ergeben sich für hochgefüllte Kunststoffe im Bereich der bürstenlosen Gleichstrommotoren. Dabei handelt es sich um Elektromotoren, bei denen der Rotor aus einem Permanentmagneten besteht. Der Stator hingegen besteht aus mehreren Elektromagneten. Der Aufbau ist in Bild 1.2 dargestellt. Durch die wechselnden Felder der Elektromagneten entsteht ein rotierendes äußeres Magnetfeld, dem der Rotor folgt, vgl. Richtungspfeil in Bild 1.2. Bei dieser Bauform gibt es keine Bürsten mehr, was den Motor sehr verschleißarm werden lässt [23].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.2: Aufbau und Bewegungsrichtung eines bürstenlosen Gleichstrommotors [23]

Bei dieser Motorform kommen hochgefüllte magnetische Kunststoffe als Rotoren zum Einsatz. In Bild 1.3 sind verschiedene Bauformen abgebildet.

Wichtige Eigenschaften für den erfolgreichen Einsatz von bürstenlosen Gleichstrommotoren sind, dass verschiedenen Magnetbauformen realisiert werden können und dass möglichst wenige Bauteile benötigt werden. Durch die Herstellung der Magnete im Spritzgussverfahren können beide Anforderungen erfüllt werden [10].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1.3: Rotoren aus hochgefüllten magnetischen Kunststoffen [10]

Bei der Dimensionierung solcher Permanentmagnetmotoren sind aber einige Besonderheiten zu beachten. So ist es wichtig, Kenntnisse sowohl über die Feldverteilung der Magnetrichtfelder bei der Herstellung als auch über die Orientierung der Partikel zu erlangen. Zusätzlich muss die Gegenfeldstabilität bekannt sein, um einer Entmagnetisierung durch externe Felder vorzubeugen. Darüber hinaus stoßen die Konstruktionen an ihre Grenzen, wenn hohe Forderungen an die oben erwähnte Gegenfeldstabilität gestellt werden oder eine sehr hohe Energiedichte gefordert wird. Außerdem können durch die niedrige maximal mögliche Betriebstemperatur der Kunststoffmatrix und die schlechtere mechanische Festigkeit Probleme entstehen. Dies würde zu einem immer höheren und kostspieligeren Entwicklungsaufwand führen [10].

2 Magnetische Grundlagen

Nachdem im ersten Abschnitt bereits zwei wichtige Anwendungsgebiete für kunststoffgebundene Permanentmagnete beschrieben wurden, hat das kommende Kapitel die magnetisch-physikalischen Grundlagen zum Thema. Hierzu werden zuerst die magnetischen Größen mit ihren Definitionen eingeführt und anschließend die verschiedenen Ausprägungen des Magnetismus erläutert. Abschließend wird die magnetische Hysterese für hart- und weichmagnetische Stoffe vorgestellt.

2.1 Kenngrößen des Magnetismus

Wie bei den elektrischen Größen, lässt sich auch das Phänomen des Magnetismus durch Feldgrößen beschreiben. Im Falle des Magnetismus laufen die Feldlinien vom Nord- zum Südpol, man spricht von einer positiven Feldrichtung. Dieser Sachverhalt ist in Bild 2.1 dargestellt, wobei der grüne Bereich den Nordpol und der rote Bereich den Südpol beschreibt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.1: Verlauf der magnetischen Feldlinien vom Nord- zum Südpol

Die Tangenten an den Feldlinien geben die Kraftrichtung an. Diese Kraftrichtung ist eindeutig, d.h. die Feldlinien schneiden sich nicht. Die Dichte der gezeichneten Linien ist ein Maß für die Stärke der Kraftwirkung [16]. Die Kraftwirkung ist an den Polen besonders stark, es gibt keine magnetischen Monopole [22].

Die Feldstärke wird in der Literatur mit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bezeichnet und hat nach dem SI-System die Einheit A/m (Ampere pro Meter; nach Andrè-Maria Ampere, 1775-1836). Sie symbolisiert das magnetische Feld [12]. Das Feld selbst entsteht durch elektrische Ströme [16]. Dies kann auf makroskopischer Ebene durch einen stromdurchflossenen Leiter geschehen, oder auf mikroskopischer Ebene durch die Atomelektronen. Auf die Entstehung von Magnetismus wird zu einem späteren Zeitpunkt in Kapitel 2.2 eingegangen.

Eine weitere Größe, die zur Kennzeichnung der Stärke und Richtung der magnetischen Wirkung dient, ist die magnetische Flussdichte [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Diese beschreibt das Verhältnis eines magnetischen Stroms F zu der durchsetzten Fläche A:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Einheit der Flussdichte ist Tesla (nach Nikola Tesla, 1856-1943), wobei gilt: [B]=Vs/m2=Wb/m2=T [16]

Ein Zusammenhang zwischen der magnetischen Feldstärke und der Flussdichte besteht durch die Maxwellgleichung, gültig im Vakuum:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hierbei beschreibt m0 die magnetische Feldkonstante mit einem Wert [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] [7]

Bringt man nun Materie in das magnetische Feld ein, so ändert sich die magnetische Flussdichte. Aus dem Verhältnis der Flussdichte im Vakuum B0 und der Flussdichte Bm mit eingebrachter Materie berechnet sich die relative Permeabilitätszahl mr:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese dimensionslose Verhältniszahl gibt an, um welchen Faktor sich die Flussdichte mit Materie im Verhältnis zur magnetischen Flussdichte ohne Materie verändert hat.

Setzt man nun diese Permeabilitätszahl in die obige Gleichung ein, so ergibt sich:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten][16]

Dieser Zusammenhang lässt sich nicht nur in multiplikativer, sondern auch in additiver Form ausdrücken. Dies geschieht mit Hilfe der sog. magnetischen Polarisation J, welche die Flussdichte beschreibt, die zusätzlich zum Vakuumanteil in der Materie auftritt. Sie beschreibt also die Flussdichte, die vom Stoff verursacht wird:

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten][12]

Für die spätere Einteilung der verschiedenen magnetischen Stoffe muss noch die magnetische Suszeptibilität (wörtlich: magnetische Aufnahmefähigkeit) c eingeführt werden. Diese ist neben der Permeabilität m ebenfalls eine Maßzahl für das magnetische Leitvermögen. Die Suszeptibilität hängt über folgende Gleichung eng mit der Permeabilität m zusammen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Suszeptibilität kann auch als das Verhältnis der Polarisation, hervorgerufen durch Materie im Magnetfeld, und der magnetischen Flussdichte B0 ohne Materie angesehen werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus Gründen der Vollständigkeit sei hier auch noch kurz die Magnetisierung M erwähnt. Die Magnetisierung beschreibt den Feldstärkeanteil, der notwendig ist, um einen zusätzlichen Flussdichteanteil in der Materie zu erzeugen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 Ausprägungen des Magnetismus

Nachdem im vorangegangenen Kapitel die physikalischen Größen des Magnetismus definiert wurden, dient dieser Teil der Einführung in die Ausprägungen von magnetischem Verhalten. Dazu werden in diesem Kapitel die verschiedenen Formen des Magnetismus vorgestellt. In Kapitel 2.3 wird dann auf die Einteilung der magnetischen Stoffe und die Hysteresekurve eingegangen.

2.2.1 Magnetische Momente eines Stoffes

Wie bereits in Kapitel 2.1 angedeutet, entsteht Magnetismus durch elektrische Ströme. Um die Entstehung von Magnetismus auf Elementarebene zu verstehen, ist das Verständnis des Bohr’schen Atommodells notwenig. Danach besteht ein Atom aus einem positiv geladenen Kern, welcher auch die Atommasse ausmacht. Um diesen Kern kreisen negativ geladene Elektronen auf festen Bahnen. Diese Elektronen bilden nun einen elektrischen Ringstrom, welcher für die magnetische Charakteristik eines Elements verantwortlich ist. Dabei erzeugen sie durch ihre Bahnbewegung ein sog. magnetisches Bahnmoment. Ebenfalls bekannt ist, dass die Elektronen einen Eigendrehimpuls, einen sog. Spin, besitzen. Dieser Spin erzeugt ein weiteres magnetisches Moment, das Spinmoment. Diese beiden magnetischen Momente tragen die Einheit Bohr’sches Magneton (nach Niels Bohr, 1885-1962) mit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das resultierende Moment eines Atoms bzw. eines Stoffes setzt sich also aus seinen Bahn- und Spinmomenten zusammen. Theoretisch hat auch der Atomkern ein magnetisches Moment, welches aber so gering ist, das es in den weiteren Betrachtungen vernachlässigt werden kann. In Abhängigkeit der Atomstruktur und des Molekülaufbaus einstehen nun die verschiedenen Ausprägungen des Magnetismus, gebildet durch die stoffspezifischen magnetischen Momente. Die fünf wichtigsten Formen werden im Folgenden näher beschrieben [7][15][21].

2.2.2 Diamagnetismus

Der Diamagnetismus tritt bei allen Stoffen auf. In diesem Fall kompensieren sich die Bahn- und Spinmomente der Elektronen, das resultierenden Moment ist gleich Null. Der Stoff erscheint nach außen hin als unmagnetisch. Im kubischen Gitter sind keine nach außen nachweisbaren magnetischen Momente wirksam, siehe Bild 2.2.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.2: Diamagnetismus im kubischen Gitter - keine Momente nach Außen messbar [7]

Dies ist nur möglich, wenn alle Elektronenschalen abgeschlossen, also vollbesetzt, sind. Wird nun ein äußeres magnetisches Feld aufgebracht, kommt es zu einer Koppelung der Bahnmomente. Dadurch entstehen Ringströme, wodurch eine magnetische Kraft gemäß der Lenz’schen Regel (nach Heinrich Lenz, 1804-1865) auf die Elektronen induziert wird. Diese Regel besagt, dass die Kraft im Atom entgegengesetzt dem externen Feld gerichtet ist. Dadurch ist das resultierende magnetische Feld schwächer als das erregende Feld, ein diamagnetischer Probekörper würde aus dem Feld herausgedrückt werden. Typische diamagnetische Elemente sind z.B. Silber (Ag) oder Gold (Au). Der Diamagnetismus ist durch ein negative Suszeptibilität c mit der Größenordnung -10-5 bis -10-6 gekennzeichnet. Dementsprechend ist die relative Permeabilität [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]<[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]. Die Suszeptibilität ist nicht temperaturabhängig und der Effekt des Diamagnetismus verschwindet bei Abschaltung des externen Feldes wieder. Diamagnetismus tritt zwar bei allen Elementen auf, kann aber durch andere magnetische Phänomene überlagert werden [7][15][21].

2.2.3 Paramagnetismus

Besitzt ein Atom unaufgefüllte Elektronenschalen bzw. eine ungerade Anzahl von Elektronen, entstehen freie Elektronen. So werden nicht alle Spinmomente kompensiert. Dadurch werden nicht nur die Bahnmomente, sondern auch die resultierenden Spinmomente der unpaarigen Elektronen durch ein externes magnetisches Feld ausgerichtet. Es kommt nicht zu einer vollständigen Kompensation der magnetischen Momente im Stoff, wie es beim Diamagnetismus der Fall ist. In Bild 2.3 wird deutlich, dass sich die magnetischen Momente der einzelnen Gitteratome teilweise überlagern, aber nicht vollständig kompensieren. Ein resultierendes magnetisches Moment entsteht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.3: Momente des Paramagnetismus im kubischen Gitter [7]

Die Ausrichtung der Spinmomente erfolgt in Richtung des Feldes. Das resultierende Feld ist somit größer als das erregende Feld. Die Suszeptibilität c des Stoffes ist positiv und nimmt Werte zwischen 10-3 und 10-6 an. Die relative Permeabilität mr ist größer 1. Zu beachten ist, dass der Ausrichtung der magnetischen Momente die Wärmebewegung der Atome entgegensteht. Steigt die Temperatur, nehmen die Wärmebewegungen zu. Dies führt dazu, dass der Grad der Ausrichtung abnimmt. Dadurch sinkt die Suszeptibilität wieder. Der Paramagnetismus ist also ein temperaturabhängiger Effekt. Diese Wärmebewegungen sind auch der Grund dafür, dass ein paramagnetischer Stoff ohne äußeres Feld unmagnetisch erscheint. Die Momente sind statistisch verteilt und werden erst durch ein externes Feld ausgerichtet. Wird das Feld wieder entfernt, so verschwindet auch die Ausrichtung wieder, der Stoff erscheint wieder magnetisch neutral [7][21][22].

2.2.4 Ferromagnetismus

Während Dia- und Paramagnetismus Eigenschaften aller Stoffe sind, ist der Ferromagnetismus ein Phänomen von bestimmten Metallen und Legierungen. Zu diesen Metallen gehören Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) bei Raumtemperatur. Bei tieferen Temperaturen werden auch andere Metalle ferromagnetisch, z.B. Gadolinium (Gd) [7].

Für das Auftreten von Ferromagnetismus in einem Stoff müssen drei Bedingungen erfüllt sein [7]:

1. im Atom existiert eine unvollständige innere Elektronenschale
2. in der unvollständigen Elektronenschale sind unkompensierte Spins vorhanden
3. der Atomabstand weist mindestens den 3-fachen Radius der nicht spinkompensierten Schale auf

Der Stoff muss paramagnetisch sein, d.h. die Spinmomente der Elektronen dürfen sich nicht kompensieren. Eine weitere wichtige Eigenschaft ferromagnetischer Stoffe ist die Kristallstruktur. Diese bildet eine Vorzugsrichtung für die Magnetisierung [21].

Für das Auftreten von Ferromagnetismus werden zudem bestimmte mikroskopische Erscheinungen im Stoff benötigt, die sog. Weiß’schen Bezirke (nach Pierre-Ernest Weiß, 1865-1940), siehe Bild 2.4.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.4: Weiß’sche Bezirke mit magnetischen Momenten durch Spontanmagnetisierung [12]

Sie werden auch als Domänen oder Elementarbereiche bezeichnet, ihre Bildung orientiert sich an der oben erwähnten Kristallstruktur und nicht an den Korngrenzen des Metalls. Diese Bezirke beschreiben Volumenbereiche der Größe 10mm bis 1mm, in denen es zur sog. spontanen Magnetisierung kommt. In diesen Domänen richten sich die magnetischen Momente parallel zu ihren Nachbarn aus. Sie streben nach der Bildung eines geschlossenen magnetischen Kreises, wie er in Kapitel 2.1 durch Bild 2.1 beschrieben wurde. Durch die Austauschkoppelung zwischen den magnetischen Momenten sind die einzelnen Bereiche bis zur Sättigung aufmagnetisiert. Die Elementarbereiche selbst sind statistisch verteilt, so dass der Stoff nach außen pauschal unmagnetisch erscheint.

Wird der Stoff nun einem externen Feld ausgesetzt, kommt es zu einer Ausrichtung der magnetischen Momente in Feldrichtung. Die Orientierung der Momente geschieht zum einen durch sog. Blochwandverschiebungen und zum anderen durch reversible und irreversible Drehprozesse. Blochwände (nach Felix Bloch, 1905-1983) sind Grenzen zwischen einzelnen Weiß’schen Bezirken. Sie bestehen aus mehreren Atomen und haben eine endliche Dicke. Innerhalb dieser Grenzen gehen die Magnetisierungsvektoren bzw. die magnetischen Momente kontinuierlich von der Richtung des einen Weiß’schen Bezirks in die Richtung des Nachbarbezirks über. An Bild 2.5 wird gezeigt, dass sich dieser Übergang über mehrere Atome und verschiedene Richtungen erstreckt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.5: Blochwand mit atomarem Übergang von einem Weiß’schen Bezirk in einen anderen [7]

Wird ein äußeres Feld angelegt, so verschieben sich zuerst die Blochwände. Bild 2.6 zeigt, dass die Domänen mit der Orientierung in Feldrichtung auf Kosten der anderen Bereiche wachsen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.6: Blochwandverschiebung und Wachstum der Domänen durch ein äußeres magnetisches Feld [21]

Diese Bereiche haben eine geringere potentielle Energie bzw. die Magnetvektoren schließen einen spitzen Winkel mit dem externen Feld ein, lassen sich also schon durch schwächere Felder ausrichten. Wird das Feld stärker, kommt es zu irreversiblen Drehungen. Die Vektoren „klappen“ um, drehen sich also um 180° Grad. Hierbei wird auch von Barkhausensprüngen gesprochen (nach Heinrich Barkhausen, 1881-1956). Bei einer weiteren Zunahme des Feldes werden auch die letzten Momente durch reversible Drehungen ausgerichtet. Wird das äußere Feld abgeschaltet, drehen sich nicht alle Vektoren wieder in ihre Ausgangslage zurück. Für sie ist es energetisch optimal, in ihrer neuen Lage zu verbleiben. Dieser Effekt führt zu dem Phänomen, dass ferromagnetische Stoffe auch ohne externes Feld nach außen magnetisch erscheinen [21].

Die Anzahl der ausrichtbaren Momente in einem Stoff ist begrenzt. Die Magnetisierung wird auch bei unendlich großen Felder immer eine Sättigungsmagnetisierung erreichen. Im Zustand der Sättigungsmagnetisierung sind alle Momente in die gleiche Richtung orientiert, deutlich wird dies durch Bild 2.7 [7].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.7: Momente des Ferromagnetismus im kubischen Gitter [7]

Der Ferromagnetismus ist temperaturabhängig. Oberhalb der stoffspezifischen Curie-Temperatur (nach Pierre Curie, 1859-1906) verhalten sich die Stoffe paramagnetisch. Die Curie-Temperatur bezeichnet dabei keinen bestimmten Temperaturpunkt, sondern einen Temperaturbereich. In diesem Bereich zerstören die Wärmebewegungen der Atome die parallele Ausrichtung der Spinmomente, die Domänenstruktur geht verloren [22].

Die Suszeptibilität c ist wesentlich größer als 1, ebenso die relative Permeabilität mr [7].

2.2.5 Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus

Wie beim Ferromagnetismus sind unaufgefüllte innere Elektronenschalen die Voraussetzung für den Antiferromagnetismus. Allerdings richten sich die gleichgroßen, ferromagnetischen Untergitter des Metalls nicht parallel aus [16]. Diese antiparallele Ausrichtung entsteht durch sog. Superaustauschkoppelung innerhalb des Metallgitters. Dabei koppeln die Metallionen über diamagnetische Anionen, wie z.B. Sauerstoff, die magnetischen Momente der Untergitter heben sich so gegenseitig auf. Das System ist also nach innen ferromagnetisch, nach außen wirkt es allerdings unmagnetisch und verhält sich wie ein paramagnetischer Stoff, siehe Bild 2.8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.8: Momente des Antiferromagnetismus im kubischen Gitter [7]

Wie bei den ferromagnetischen Stoffen gibt es auch bei den Antiferromagnetika eine Temperatur, oberhalb derer sich der Stoff nur noch paramagnetisch verhält. Diese Temperatur wird Nèel-Temperatur (nach Louis Nèel, 1904-2000) genannt. Genau wie bei der Curie-Temperatur verhindern hier die Wärmebewegungen der Moleküle eine Ausrichtung der magnetischen Momente [7]. Typische antiferromagnetische Stoffe sind Manganoxid (MnO), Nickeloxid (NiO) oder Cobaltoxid (CoO), die Suszeptibilität c solcher Stoffe ist schwach positiv [16].

Ferrimagnetismus tritt bei magnetischen, oxid-keramischen Werkstoffen, den sog. magnetischen Ferriten, auf. Ferrite werden aus Ionen gebildet und haben eine Gitterstruktur [12]. Physikalisch betrachtet, ist der Ferrimagnetismus ein nicht kompensierter Antiferromagnetismus. Die magnetischen Momente der Untergitter sind zwar antiparallel orientiert, heben sich aber nicht auf [15]. In Bild 2.9 wird dieser Zusammenhang durch die gegeneinander verschobenen, antiparallelen Momentpfeile symbolisiert.

So entsteht ein resultierendes Moment. Ein nach außen hin messbares magnetischen Moment [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] tritt also nur auf, wenn sich die Beträge der magnetischen Momente [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] der Untergitter nicht vollständig kompensieren.

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] mit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] [21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.9: Momente des Ferrimagnetismus im kubischen Gitter [7]

Deutlich wird hier die enge Verwandtschaft zwischen Antiferromagnetismus und Ferrimagnetismus. Nimmt man die Beträge der magnetischen Momente der Untergitter als Vergleichsbasis, so kann man den Antiferromagnetismus als einen Sonderfall des Ferrimagnetismus mit kompensierten magnetischen Momenten bezeichnen [15].

Aufgrund ihres ferromagnetischen Verhaltens haben die Ferrite viele technische Anwendungen von den reinen Metallen übernommen. Vorteile gegenüber den Ferromagnetika sind vor allem der geringe elektrische Widerstand, welcher zu geringen Wirbelströmen im Wechselfeld führt, sowie ihre hohe Wirtschaftlichkeit [12][21].

Auf weitere Eigenschaften, den Aufbau und die Herstellung von Ferriten wird in Kapitel 3.1.2 dieser Arbeit näher eingegangen.

2.3 Theorie der Magnetisierungskurve

Generell lassen sich Magnetika durch zwei Eigenschaften in Gruppen einteilen. Entweder nach der Art ihres Werkstoffs, z.B. in Metalle, magnetische Ferrite oder bestimmte Legierungen, oder nach der Höhe ihrer Koerzitivfeldstärke in hart- und weichmagnetische Materialen [7].

Die Koerzitivfeldstärke wird durch eine Hysteresekurve ermittelt. Hierzu werden in Kapitel 2.3.1 die theoretischen Grundlagen für die Hysteresekurve erläutert. Anschließend werden in Kapitel 2.3.2 hart- und weichmagnetische Stoffe und deren Eigenschaften vorgestellt.

2.3.1 Theoretische Grundlagen für die Hysteresekurve

Die Unterscheidung der Ferromagnetika in hart- und weichmagnetische Stoffe basiert auf der Koerzitivfeldstärke Hc, welche mit Hilfe der Hysteresekurve erklärt werden kann. Diese Kurve, auch als Hystereseschleife bezeichnet, gibt die Abhängigkeit der Flussdichte B von der aufgetragenen magnetischen Feldstärke H wieder. Angetragen wird B an der Ordinate, H an der Abszisse. Diese Abhängigkeit ist für jeden Stoff charakteristisch, womit jedes Material seine spezifische Hystereseschleife besitzt. Diese Kurven werden empirisch ermittelt [16][22].

Bei der Bildung einer Hysteresekurve wird ausgehend von einem magnetisch neutralen Zustand begonnen. Bei diesem Vorgehen kann sowohl das Magnetfeld der Erde, als auch die Tatsache, dass es keinen vollständig entmagnetisierten Stoff gibt, vernachlässigt werden [22]. Ausgehend von diesem Punkt wird ein stetig wachsendes magnetisches Feld angelegt. Die folgenden Beschreibungen werden durch Bild 2.10 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.10: Hysteresekurve eines ferromagnetischen Stoffs inklusive der Neukurve

Es kommt zur Bildung der sog. Neukurve. Dabei werden die Werte [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] bei erstmaliger Magnetisierung in das Diagramm eingetragen. Den Verlauf der Neukurve bestimmen die reversiblen und irreversiblen Elementarprozesse, die in Kapitel 2.2.4 in Zusammenhang mit den Weiß’schen Bezirken diskutiert wurden. So kommt es bei kleinen Feldstärken zu reversiblen Blochwandverschiebungen. Die Weiß’schen Bezirke, welche in Feldrichtung orientiert sind, vergrößern sich. Wird das Feld abgeschaltet, so geht die Flussdichte B auf Null zurück. Überschreitet die Feldstärke H einen bestimmten Wert, kommt es zu Umklappvorgängen. Hierbei werden alle Weiß’schen Bezirke in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung, also in Kristallgitterrichtung, ausgerichtet. Dabei kommt es zu Drehprozessen um 180° Grad, welche auch nach Ausschaltung des Feldes bestehen bleiben. Wird die Feldstärke noch weiter erhöht, werden die magnetischen Momente entgültig in Feldrichtung gedreht. Der Stoff ist nun bis zur Sättigung aufmagnetisiert. Eine weitere Erhöhung der Feldstärke H würde keine zusätzliche Erhöhung der Flussdichte B mehr erzeugen [5][6][12][22].

Wird das Feld wieder auf Null zurückgeführt, ist auf Grund der irreversiblen Veränderungen der Weiß’schen Bezirke immer noch eine Flussdichte B messbar. In Bild 2.10 wird deutlich, dass trotz H=0 die Kurve die y-Achse bei einem endlichen Wert für B schneidet. Diese Restflussdichte wird mit Remanenz bzw. mit BR (oder Br) bezeichnet. Um nun wieder einen unmagnetischen Materialzustand zu erreichen, muss ein gegengerichtetes Feld aufgebracht werden. Bei einer bestimmten Feldstärke, der sog. Koerzitivfeldstärke Hc, verschwindet die Restflussdichte. Nun ist B=0, wobei die x-Achse bei einem endlichen Wert für die magnetische Feldstärke geschnitten wird. Erhöht man die Feldstärke weiter, so kann man auch in die entgegengesetzte Richtung eine Sättigungsmagnetisierung erreichen. Verbindet man nun die Kurven, erhält man die in Bild 2.10 gezeigte Hystereseschleife [5][6][12][22].

Anhand dieser Hysteresekurve ist nun eine Aufteilung der Ferro- und Ferrimagnetika in hart- und weichmagnetische Stoffe möglich.

2.3.2 Hart- und weichmagnetische Stoffe

Wie oben gezeigt, ist die Hysteresekurve die charakteristische Darstellung des Verhaltens eines Stoffes in einem magnetischen Wechselfeld. Abhängig von der Koerzitivfeldstärke Hc werden die ferro- bzw. ferrimagnetischen Materialien in hart- und weichmagnetische Stoffe eingeteilt [22].

Die Fläche, die von der Hysteresekurve eingeschlossen wird, lässt sich auch mit Hilfe der Energie des Ummagnetisierungsprozesses interpretieren. So ist die eingeschlossene Fläche der Schleife proportional zur Energie, die als Wärme im Prozess der Auf- und Entmagnetisierung verloren geht. Ist diese Fläche nun klein, findet nur ein geringer Energieverlust im Stoff statt. Man spricht hierbei von einem magnetisch weichem Material. Magnetisch harte Stoffe sind solche, die eine große Hysteresefläche einschließen. Ihr Energieverlust bei den Ummagnetisierungsvorgängen ist hoch [37].

Deutlich werden die Unterschiede von hart- und weichmagnetischen Stoffen beim Vergleich der typischen Hysteresekurven, wie sie in Bild 2.11 dargestellt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.11: Hysteresekurven für hart- und weichmagnetische Werkstoffe [37]

Weichmagnetika haben eine wesentlich kleinere Remanenz Br im Vergleich zu den Hartmagnetika. Eingeteilt werden die magnetischen Stoffe durch absolute Werte der Koerzitivfeldstärke Hc. Wie durch Bild 2.12 deutlich wird, haben weichmagnetische Stoffe eine kleine Koerzitivfeldstärke von 0,1<Hc<103 A/m, während hartmagnetische Stoffe große Werte von über Hc>4,5×104 A/m annehmen. Dazwischen gibt es noch eine Übergangsgruppe, die sog. magnetisch halbharten Werkstoffe. Sie haben Koerzitivfeldstärken zwischen 103<Hc<4,5×104 A/m [1][3][16]. Typische Stoffe aller drei Gruppen sind in Bild 2.12 zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2.12: Übersicht der hart- und weichmagnetischen Stoffe nach der Einteilung bzgl. der Koerzitivfeldstärke [17]

Von besonderem Interesse für diese Arbeit sind die hartmagnetischen Stoffe Strontiumferrit, Neodym-Eisen-Bor und Samarium-Cobalt. Diese werden in späteren Kapiteln ausführlicher diskutiert.

Die Ansprüche an Hartmagnetika, auch als Dauer- oder Permanentmagnete bezeichnet, unterscheiden sich deutlich von denen eines weichmagnetischen Stoffs. Ein Ziel bei weichmagnetischen Materialien ist die Flussverstärkung auch bei kleinen Feldern. Nach

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

bedeutet dies, dass die Maximalpermeabilität hoch, während die Koerzitivfeldstärke gering sein muss. Eine weitere Forderung sind geringe Ummagnetisierungsverluste. Die verbrauchte Energie soll also gering bleiben, was zu einer schmalen Hysteresekurve führt. Zum Einsatz kommen Weichmagnetika z.B. als Verstärker für den Kraftlinienfluss in stromdurchflossenen Wicklungen oder als magnetische Abschirmung in elektrischen Messinstrumenten [3][31][37].

Die Aufgabe von fast allen Permanentmagneten ist die Erzeugung eines höchstmöglichen und zeitlich konstanten Magnetfelds innerhalb eines Luftspaltes [1][3]. Gefordert werden hohe Koerzitivkräfte und Remanenzen, also eine breite Fläche unter der Hysteresekurve. Ziel ist also eine möglichst große Arbeitsleistung des Magneten bzw. eine hohe Abgabe von Energie an den Raum [31]. Die Energie eines Magneten lässt sich durch folgende Gleichung bestimmen, wobei V das Volumen des Magneten beschreibt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eine hohe Arbeitsleistung ist also nur möglich, wenn das Produkt BH maximal wird. Dieses maximale Produkt BHmax heißt Energieprodukt und ist ein Maß für die hartmagnetischen Qualitäten eines Stoffs. Das Energieprodukt beschreibt das Maximum der negativen Feldstärke -H und der Flussdichte B auf der Entmagnetisierungskurve (also im II. Quadranten der Hystereseschleife) und wird in der Einheit der Energiedichte J/m3 gemessen [1][13][31].

Nachdem im Kapitel 2 die Grundlagen für ein Verständnis der magnetischen Vorgänge und Stoffe gelegt wurden, wird im kommenden Kapitel auf die Eigenschaften und die Verarbeitung bzw. Herstellung der untersuchten Proben eingegangen.

[...]

Ende der Leseprobe aus 98 Seiten

Details

Titel
Einfluss der Compoundrezeptur auf die Eigenschaften kunststoffgebundener multipolarer Dauermagnete
Hochschule
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg  (Maschinenbau)
Note
1,3
Autor
Jahr
2009
Seiten
98
Katalognummer
V147444
ISBN (eBook)
9783640590650
ISBN (Buch)
9783640590926
Dateigröße
2322 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Schlagworte
Ferrit, kunststoffgebundene Magnete, Kunststoff, magnetische Kennwerte, neue Materialien
Arbeit zitieren
Helena Preiß (Autor), 2009, Einfluss der Compoundrezeptur auf die Eigenschaften kunststoffgebundener multipolarer Dauermagnete, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/147444

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