Twoja wyszukiwarka

HENRYK LACHOWICZ
MAGNETYKI AMORFICZNE
Wiedza i Życie nr 9/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/1997

PRZECIĘTNY CZŁOWIEK NIE ZDAJE SOBIE SPRAWY, JAK OGROMNĄ ROLĘ W ŻYCIU CODZIENNYM ODGRYWA MAGNETYZM, A ZWŁASZCZA MATERIAŁY MAGNETYCZNE. ŚWIADOMOŚĆ TA NIE JEST RÓWNIEŻ POWSZECHNA NAWET WŚRÓD PROFESJONALISTÓW O WYKSZTAŁCENIU TECHNICZNYM.

Materiały magnetyczne zajmują dzisiaj niezwykle ważną pozycję w wielu dziedzinach życia, decydujących o istnieniu współczesnej cywilizacji i jej dalszym rozwoju. Świadczy o tym ich sprzedaż na świecie porównywalna ze sprzedażą materiałów i przyrządów półprzewodnikowych, które, jak słusznie się uważa, zrewolucjonizowały postęp techniczny (począwszy od tranzystora po współczesne mikroprocesory). Trudno byłoby znaleźć obszar ludzkiej aktywności technicznej, w której materiały magnetyczne nie znalazły zastosowania. Są one podstawą wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej, gromadzenia i przetwarzania informacji oraz najszerzej rozumianej telekomunikacji - telefonii, radiofonii i telewizji. Oprócz tych głównych obszarów zastosowań, są wykorzystywane praktycznie we wszystkich innych gałęziach przemysłu, w wielu urządzeniach i przyrządach, na przykład silnikach elektrycznych.

Powszechnie znanym przykładem zastosowania tych materiałów, skądinąd dość prymitywnym, są zamki magnetyczne stosowane w meblach i lodówkach. Z kolei, do najbardziej spektakularnych można zaliczyć najnowocześniejsze idee w kolejnictwie, w których wykorzystuje się w konstrukcji pojazdów szynowych poduszkę magnetyczną (działającą podobnie jak poduszka powietrzna w szybkich statkach lewitujących nad powierzchnią wody), dzięki której osiągają one rekordowe prędkości rzędu 700 km/godz.

Materiały magnetyczne, w najbardziej ogólny sposób, można podzielić na dwie grupy: pierwszą, charakteryzującą się tzw. "miękkimi" właściwościami magnetycznymi, i drugą, której właściwości określa się jako "twarde". Do "miękkich" zalicza się te, które można łatwo magnesować (zmieniać ich indukcję) polami magnetycznymi o bardzo małych natężeniach. "Twarde" to takie, które wymagają silnych pól do ich magnesowania, a po namagnesowaniu same wytwarzają pole magnetyczne (powszechnie znane magnesy trwałe).

Procesy magnesowania są nieliniowe z samej ich natury. Typowy przebieg charakterystyki magnesowania materiału, zwanej pętlą histerezy magnetycznej, przedstawia ryc. 1. Zależnie od wartości natężenia pola koercji, dany materiał kwalifikuje się jako "miękki" bądź "twardy". Obydwie grupy obejmują bardzo różnorodne materiały magnetyczne, zróżnicowane pod względem składu chemicznego i sposobu ich wytwarzania, struktury oraz geometrii (objętościowe, cienkowarstwowe lub wielowarstwowe).

W konsekwencji charakteryzują się bardzo zróżnicowanymi właściwościami przydatnymi dla określonych zastosowań. Wobec tej różnorodności, nie sposób przedstawić w jednym artykule wszystkich, bardzo dziś licznych, materiałów magnetycznych najnowszych generacji. Dlatego ograniczymy się jedynie do materiałów objętościowych, amorficznych oraz nanokrystalicznych, a o innych napiszemy wkrótce.

Taśma magnetycznego szkła metalicznego

Fot. TOSHIBA

Pierwszym poznanym materiałem magnetycznym była ruda żelaza (magnetyt, Fe3O4). Aczkolwiek pisma greckiego filozofa Talesa podają, że minerał ten był znany w Europie już w starożytności (wg nich nazwa wywodzi się od nazwy greckiej prowincji Magnezji), to jednak odkrycie magnetytu, jak również obserwacje jego wówczas dziwnych i niezrozumiałych zachowań należy przypisać Chińczykom już 4000 lat przed narodzeniem Chrystusa. Ten najwcześniej znany materiał magnetyczny już kilkadziesiąt wieków temu wykorzystano w Chinach do konstrukcji kompasu.

Wiele stuleci później William Gilbert (1544-1603) doszedł do przekonania, że Ziemia jest olbrzymim magnesem i dopiero wówczas uświadomiono sobie, że działanie kompasu jest efektem oddziaływań magnetycznych. Zasada działania współcześnie używanych kompasów niczym nie różni się od tych sprzed pięciu tysiącleci. Wówczas igła magnetyczna miała formę małej łyżeczki z magnetytu spoczywającej na podstawce z drzewa korkowego (małe tarcie), której rączka wskazywała południe. Przypuszcza się, że podobnym kompasem posługiwali się również wikingowie i Krzysztof Kolumb, choć prawdopodobnie skonstruowano go w Europie (pierwsze doniesienie o kompasie w literaturze europejskiej pochodzi z początku XIII wieku i jego autorstwo przypisuje się Anglikowi Aleksandrowi Neckmanowi). O tym, że magnetyt wpływa na żelazo i udziela mu właściwości magnetycznych, wzmiankował już Sokrates. Tak więc odkrycie zjawiska magnetyzmu trwałego i indukowanego można uważać za jedno z najwcześniejszych osiągnięć naukowych ludzkości.

Współczesna wiedza o magnetyzmie datuje się dopiero od początku XIX wieku, kiedy to dokonano znaczących odkryć w tej dziedzinie. W 1820 roku duński fizyk Hans Christian Orsted zauważył, że prąd elektryczny, płynący przez przewód, oddziałuje na magnes położony w jego pobliżu. André Marie Ampère, fizyk i matematyk francuski żyjący w latach 1775-1836, opierając się na tym odkryciu, sformułował prawo określające siły magnetyczne między prądami elektrycznymi. Z kolei fizyk i chemik angielski Michael Faraday odkrył w roku 1831 zjawisko indukcji magnetycznej (właściwość materiałów magnetycznych), wprowadzając jednocześnie pojęcie pola magnetycznego jako odrębnej wielkości fizycznej. Wiedziony intuicją badacza, oczekującego występowania symetrii w zjawiskach fizycznych, przewidział również istnienie efektu odwrotnego do zaobserwowanego przez Ampère'a, a mianowicie wpływu pola magnetycznego na prąd elektryczny, dzięki czemu stało się możliwe wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą prądnic.

Ryc. 1. Pętla histerezy magnetycznej

Kulminacją wczesnych badań magnetyzmu było sformułowanie przez angielskiego fizyka Jamesa Clerka Maxwella (1831-1879) równań opisujących współistnienie pól magnetycznych i elektrycznych (pole elektromagnetyczne). Istotny postęp w zrozumieniu mikroskopowej natury zjawisk magnetycznych również zawdzięczamy Ampère'owi, który postulował istnienie w materiale wewnętrznych prądów elektrycznych, odpowiedzialnych za jego właściwości magnetyczne. W tej sugestii niewiele się mylił, przyjmując bowiem bardzo uproszczony model, można powiedzieć, że magnetyzm ma swe źródło w ruchu ładunku elektrycznego, czyli elektronu. Współczesna wiedza o tym zjawisku wiąże istnienie magnetyzmu z tzw. spinowym momentem magnetycznym wykazywanym przez elektrony zarówno swobodne, jak i zlokalizowane w powłokach atomowych. Przyczynek do całkowitego momentu magnetycznego atomu wnosi także tzw. moment orbitalny, związany z ruchem elektronu po jego orbicie wokół jądra atomowego. Spin (ang. to spin - wprawiać ciało w ruch wirowy) wyraża moment pędu elektronu (w ogólności mikrocząstki).

Najpowszechniej używanym dzisiaj materiałem magnetycznym są tzw. stale transformatorowe (stopy żelaza z krzemem), znane już od początku XX wieku i wykorzystywane do budowy transformatorów oraz innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych, a w szczególności transformatorów rozdzielczych, służących do dystrybucji energii elektrycznej (pozwalają obniżyć napięcie w energetycznych liniach przesyłowych doprowadzanych do indywidualnego użytkownika). Transformatory te, w odróżnieniu od większości innych urządzeń elektrycznych, pracują w sposób ciągły przez cały okres ich eksploatacji, zwykle kilkudziesięcioletni. Wskutek ciągłego magnesowania rdzenia z częstotliwością sieci elektrycznej (pięćdziesięciokrotnie w ciągu sekundy) jest w nim tracona energia elektryczna, nawet wówczas gdy użytkownicy nie pobierają prądu, to jest przy braku obciążenia transformatora (w jego pierwotnym uzwojeniu płynie wówczas tzw. prąd jałowy). Straty energii przejawiają się wydzielaniem ciepła w rdzeniu, a następnie jego wypromieniowaniem do otoczenia. Oszacowanie rocznych strat w transformatorach rozdzielczych zainstalowanych w Stanach Zjednoczonych, według danych z początku lat dziewięćdziesiątych, wyraża się ogromną liczbą
35 mld kWh wartych 1.6 mld dolarów.

Ze względu na te straty stale transformatorowe są ciągle udoskonalane, jednak istotny przełom w ograniczaniu strat nastąpił dopiero z chwilą odkrycia nowych materiałów - magnetyków amorficznych. Magnetyki konwencjonalne mają budowę krystaliczną (w większości są polikryształami składającymi się z ziaren monokrystalicznych). Wykazują, jak mówią fizycy, translacyjną symetrię sieci - komórka elementarna, w której poszczególne atomy pierwiastków stopu zajmują ściśle określone położenia, jest odwzorowywana w całej objętości materiału. W przypadku materiału amorficznego (powszechnie znanym materiałem amorficznym jest szkło, stąd też takie materiały nazywa się również szklistymi) mamy do czynienia z nieporządkiem zarówno chemicznym, jak i topologicznym. Oznacza to, że zarówno położenia, jak i rodzaj atomów w otoczeniu wybranego atomu oraz liczba wiązań chemicznych, ich odległości i kąty, jakie tworzą, są odmienne dla różnych położeń tego atomu. Ułożenie atomów w strukturze nie jest jednak całkiem przypadkowe i, pomimo istniejącego nieporządku, struktura ta odzwierciedla w pewnym stopniu strukturę krystaliczną stopu o podobnym składzie chemicznym.

Ryc. 4. Schemat linii produkcyjnej do ciągłego wytwarzania magnetycznych szkieł metalicznych; A - piec indukcyjny do topienia materiału wyjściowego; B - zasobnik ciekłego stopu; C - dozownik zapewniający kontrolowany przepływ; D - głowica z dyszą; E - walec chłodzący; F - urządzenie korygujące geometrię taśmy; G - urządzenie kontrolujące zwijanie taśmy; H - zwijarka.

Fot. Allied Metglas Products

Jakkolwiek historia magnetyków amorficznych datuje się od roku 1950, kiedy to A. Brenner ze współpracownikami z amerykańskiego Narodowego Biura Standardów otrzymali po raz pierwszy warstwę amorficzną stopu Ni-P metodą elektrolityczną, to jednak zasadniczy przełom w opanowaniu technologii tych materiałów nastąpił dopiero w początku lat siedemdziesiątych, gdy w Stanach Zjednoczonych pokazano sposób wytwarzania magnetyków amorficznych w ciągłym cyklu. Dzięki temu osiągnięciu możliwa stała się ich produkcja przemysłowa.

Istotny wpływ na to, że od chwili pokazania możliwości wytwarzania tych materiałów do momentu ich praktycznego wykorzystania upłynęło aż 25 lat, miało ówczesne przekonanie fizyków, iż w materiale amorficznym nie może wystąpić kolektywny magnetyzm (uporządkowanie elementarnych momentów magnetycznych, np. ferromagnetyczne). Przekonanie to było tak silne, że gdy w roku 1964 Amerykanie R. D. Fisher i D. E. Koopman zaobserwowali pętlę histerezy magnetycznej w amorficznej warstwie stopu Co-P (osadzonej chemicznie), fakt ten uznali za przekonujący dowód krystaliczności warstwy, nawet wbrew wynikom dyfrakcji rentgenowskiej, które wskazywały jednoznacznie na amorficzność materiału. Paradoksalne jest przy tym to, że już w roku 1960 rosyjski fizyk
A. I. Gubanow opublikował pracę teoretyczną (w języku rosyjskim, a przez to, niestety, mało wówczas upowszechnioną), w której wykazał, że uporządkowanie magnetyczne może z powodzeniem występować również w materiałach amorficznych.

W połowie lat siedemdziesiątych amerykański koncern Allied Chemical rozpoczął produkcję przemysłową magnetyków amorficznych, wkrótce przeniesioną do specjalnie powołanej firmy Allied Signal. Materiały te (szkła metaliczne o handlowej nazwie Metglas) są wytwarzane w postaci cienkiej taśmy (o grubości około 30 mikrometrów), o standardowych szerokościach 0.5, 1, 2 i 4 cale (około 10 cm). Taką taśmę pokazano na fotografii na s. 28-29. Dzisiaj taśmy szkieł metalicznych są produkowane również w Niemczech (Vacuumschmelze) oraz Japonii (Hitachi Metals). W skali laboratoryjnej, pozwalającej uzyskiwać próbki do badań, otrzymują je liczne ośrodki na świecie (w Polsce na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej).

Linia technologiczna do produkcji taśm magnetycznych szkieł metalicznych

Fot. Allied Signal

W odróżnieniu od technologii stali transformatorowych, wytwarzanych za pomocą klasycznych metod metalurgicznych, a w konsekwencji w ogromnych halach i ze znacznym zużyciem energii elektrycznej, produkcja szkieł metalicznych może przebiegać w stosunkowo niewielkim pomieszczeniu i przy znacznie mniejszym zużyciu energii (w pomieszczeniu o wymiarach 6x16x9 m można wytwarzać
10 000 ton tego materiału rocznie z prędkością ok. 100 km/h). Na ryc. 4 pokazano w sposób schematyczny linię produkcyjną do ciągłego wytwarzania taśm szkieł metalicznych oraz rzeczywiste urządzenia technologiczne służące do tego celu w firmie Allied Signal. Ten przykład wskazuje na dodatkową istotną zaletę magnetycznych szkieł metalicznych, a mianowicie na to, że producent transformatorów rozdzielczych (czy też innych podzespołów wymagających użycia dużych ilości materiału magnetycznego) może stosunkowo łatwo uruchomić produkcję tego materiału w swoim zakładzie.

Straty energii elektrycznej w rdzeniach transformatorów budowanych z taśm szkieł metalicznych wynoszą zaledwie ok. 25% strat w rdzeniach z materiału konwencjonalnego. W niektórych rozwiązaniach nawet mniej,
np. 20% w prototypowym transformatorze o mocy 30 kVA zbudowanym w japońskiej firmie Osaka Transformers i pokazanym na ryc. 5. Uwzględniając ten fakt, wymiana wszystkich rdzeni w transformatorach rozdzielczych w Stanach Zjednoczonych pozwoliłaby zaoszczędzić 23 mld kWh (lub 1.2 mld dolarów), co wystarcza do zasilania w ciągu roku kilkusettysięcznego miasta!

Zmniejszenie strat energii jest szczególnie ważne dla energetycznych urządzeń pokładowych w pojazdach kosmicznych, samolotach i statkach, a także ruchomym sprzęcie wojskowym. Użycie lepszych materiałów pozwala konstruować lżejsze i mniejsze urządzenia. Ze względu na doskonałe właściwości mechaniczne (np. porównywalne z wytrzymałością najlepszych strun fortepianowych), magnetyczne szkła metaliczne znajdują szerokie zastosowanie w różnorakich czujnikach i przetwornikach wielkości nieelektrycznych (np. siły, ciśnienia, przyspieszenia itd.), w których zwykle wykorzystuje się zjawiska magnetosprężyste, przejawiające się we współzależności naprężeń bądź odkształceń mechanicznych materiału i jego właściwości magnetycznych. Dzięki swym doskonałym "miękkim" właściwościom magnetycznym szkła te znajdują również zastosowanie w konstrukcji czułych magnetometrów - urządzeń do pomiaru natężenia pól magnetycznych i jego fluktuacji. Służą one na przykład do pomiaru niewielkich zmian pola ziemskiego wywołanych obecnością przedmiotów z metali magnetycznych (wykrywacze min).

Ryc. 5. Prototypowy transformator rozdzielczy o mocy 30 kVA z rdzeniem ze szkła metalicznego (Metglas) zbudowany przez japońską firmę Osaka Transformers i jego konstruktorzy

Fot. Allied Metglas Products

Magnetyki amorficzne stały się prekursorami nowej generacji materiałów magnetycznych, a mianowicie materiałów nanokrystalicznych. W roku 1988 Y. Yoshizawa wraz ze współpracownikami z laboratorium japońskiego koncernu Hitachi Metals wykazali, że magnetyczne szkła metaliczne można wykorzystać jako materiał wyjściowy dla magnetyków nanokrystalicznych. Taśmę szkła metalicznego o typowym składzie FeSiB (z niewielkimi domieszkami miedzi i niobu ułatwiającymi otrzymanie nadzwyczaj drobnej struktury nanokrystalicznej) poddano obróbce cieplnej. W odpowiednich warunkach tego procesu w materiale tworzy się, w sposób jednorodny w jego objętości, struktura drobnokrystaliczna zawierająca krystality (cząstki) roztworu stałego FeSi (o stosunkowo dużej zawartości krzemu ok. 20%) o średnich rozmiarach 10-30 nm. Krystality te są "zanurzone" w resztkowej matrycy amorficznej ze szkła metalicznego wzbogaconej w bor i niob.

Strukturę powstałego w ten sposób materiału przedstawia w sposób poglądowy ryc. 6. Bardzo mała koercja tego materiału, pozwalająca zaliczyć go do nielicznej grupy magnetyków o najbardziej "miękkich" właściwościach magnetycznych, jest wynikiem właściwej mu nieoczekiwanie małej efektywnej anizotropii.

Niezwykle korzystną cechą z punktu widzenia zastosowań materiałów nanokrystalicznych jest ich niezmiernie mała magnetostrykcja. Zjawisko to objawia się zmianą wymiarów i kształtu magnetyka podczas jego magnesowania (dość powszechnym i raczej niezbyt przyjemnym przejawem tego zjawiska jest słyszalne "brzęczenie" transformatorów rozdzielczych).

Wśród znanych dzisiaj niemagnetostrykcyjnych materiałów magnetycznych, takich jak np. permaloje (stopy Fe-Co-Ni) czy też szkła metaliczne zawierające poza żelazem również kobalt, magnetyki nanokrystaliczne mają największy moment magnetyczny (indukcję magnetyczną). Ta ich cecha czyni z magnetyków nanokrystalicznych doskonały materiał do tych zastosowań, w których magnetostrykcja jest szczególnie niepożądana, np. w indukcyjnych głowicach urządzeń audiowizualnych (w urządzeniach cyfrowych są zwykle stosowane głowice oparte na zjawisku magnetorezystancyjnym). Ze względów ekonomicznych ważną zaletą magnetyków nanokrystalicznych jest to, że nie zawierają one kobaltu, metalu stosunkowo drogiego (kilkasetkrotnie droższy od żelaza). Konwencjonalne materiały niemagnetostrykcyjne mają z reguły w swym składzie kobalt.

Ryc. 6. Poglądowy szkic struktury nanokrystalicznego materiału magnetycznego; 1 - obszary (klastery) o dużej koncentracji miedzi; 2 - krystality roztworu stałego żelaza z krzemem (Fe 20%-Si); 3 - matryca amorficzna wzbogacona w niob i bor w stosunku do składu wyjściowego szkła metalicznego

Omawiane magnetyki nanokrystaliczne stały się już dzisiaj materiałem komercyjnym produkowanym pod nazwą handlową Finemet przez Hitachi Metals oraz na licencji tego koncernu przez niemiecką firmę Vacuumschmelze. Należy dodać, iż prezentowane magnetyki amorficzne, poza ich atrakcyjnymi właściwościami do praktycznych zastosowań, są również bardzo wdzięcznym obiektem badań natury poznawczej fundamentalnych zjawisk magnetycznych (np. oddziaływań).

Artykuł w niewielkim tylko stopniu wyczerpuje tematykę nowoczesnych materiałów magnetycznych. Poza dwiema opisanymi klasami tych materiałów, istnieje wiele innych, a wśród nich nowoczesne magnetyki "twarde" (magnesy) oraz najbardziej dziś fascynujące zarówno fizyków, jak i technologów, magnetyczne struktury wielowarstwowe, dzięki którym odkryto wiele nowych zjawisk fizycznych (na przykład tzw. gigantyczny efekt magnetorezystancyjny). Dają one duże nadzieje na to, że uda się skonstruować nowe generacje urządzeń do zapamiętywania informacji cyfrowej o ogromnych gęstościach zapisu. Niebawem na łamach "Wiedzy i Życia" przedstawię pozostałe, nowoczesne materiały magnetyczne.

Prof. dr hab. HENRYK KONRAD LACHOWICZ kieruje Oddziałem Fizyki Magnetyków Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.

O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(11/97) O IGLE MAGNETYCZNEJ I MAGNESACH TRWAŁYCH