Tööstuslikud infovõrgud ja IT turvalisus

MAGNETILISED MATERJALID

1. Sissejuhatus magnetilistesse materjalidesse

1.1 Mis on magnetilised materjalid?

Magnetilised materjalid on materjalid, mis reageerivad magnetväljadele. Nende materjalide magnetilised omadused võimaldavad neid kasutada elektrimootorites, generaatorites, trafodes, andurites ja paljudes teistes rakendustes.

Magnetilisi materjale iseloomustab nende võime:

• Magnetväljas magnetiseeruda
• Salvestada magnetilist energiat
• Mõjutada elektrilisi ja mehaanilisi protsesse

1.2 Magnetism ja magnetvälja olemus

Magnetism on nähtus, mis tekib laetud osakeste (näiteks elektronide) liikumisel ja nende spinnide koostoimel. Magnetism avaldub materjali võimes mõjutada ja olla mõjutatud magnetväljadest.

Magnetvälja iseloomustavad järgmised põhimõisted:

• Magnetvoog  – mõõdab magnetvälja koguhulka, ühik weber .
• Magnetvoo tihedus ehk magnetiline induktsioon  – väljendab magnetvälja tugevust, ühik tesla .
• Magnetvälja tugevus ;– määrab magnetvälja tugevuse sõltumata materjalist, ühik

Oluline valem magnetinduktsiooni kohta materjalis:

kus:

• – magnetinduktsioon
•  – magnetvälja tugevus
• μ​ – vaakumi magnetiline läbitavus
• μ – materjali suhteline magnetiline läbitavus (ühikuta)

1.3 Magnetiliste materjalide liigitus

Magnetilised materjalid jagunevad nende magnetvälja reaktsiooni põhjal järgmiselt:

• Diamagnetilised materjalid: tõrjuvad magnetvälja veidi eemale (nt vask, hõbe, süsinik).
• Paramagnetilised materjalid: tõmbuvad nõrgalt magnetvälja poole (nt alumiinium, magneesium, hapnik).
• Ferromagnetilised materjalid: tugevalt magnetiseeruvad, suudavad salvestada magnetilist energiat (nt raud, nikkel, koobalt, ferriidid).
• Antiferromagnetilised ja ferrimagnetilised materjalid: erilised ferromagnetilised tüübid, mille magnetiliste momentide vastastikune paigutus annab spetsiifilisi omadusi (nt mangaanoksiidid, ferriidid).

1.4 Magnetiliste materjalide tähtsus tehnoloogias ja tööstuses

Magnetiliste materjalide tehnoloogiline tähtsus on suur, kuna nad mõjutavad otseselt elektrimasinate, elektroonika ja infotehnoloogia arengut.

Näited kasutusvaldkondadest:

• Energiatootmine ja -jaotus: elektrimootorid, generaatorid, trafod, elektromagnetid.
• Elektroonika ja andurid: magnetilised mäluseadmed (kõvakettad, magnetlindid), magnetilised andurid, releed, kontaktivabad lülitid.
• Transporditehnoloogia: elektriautode mootorid, magnetiline levitatsioon (Maglev).
• Meditsiinitehnoloogia: MRT (magnetresonantstomograafia), elektromagnetilised raviseadmed.

1.5 Levinumad magnetilised materjalid ja nende kasutusnäited

1.6 Olulised terminid magnetmaterjalide mõistmiseks

• Suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ) – näitab, mitu korda tugevam on magnetväli materjalis võrreldes vaakumiga.
• Hüsteresissilmus – näitab materjali magnetiseerumise ja demagnetiseerumise protsessi, oluline materjali energiasalvestuse ja kaoteguri määramisel.
• Curie temperatuur – temperatuur, mille juures ferromagnetilised omadused kaovad ja materjal muutub paramagnetiliseks.

1.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education. Principles of Electronic Materials and Devices
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.Materials Science and Engineering
• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.

1.8 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Magnetilised materjalid reageerivad magnetväljale, neid kasutatakse energiaseadmetes, elektroonikas ja tehnoloogias laiemalt.
• Magnetism põhineb elektronide ja nende spinnide liikumisel ning omavahelisel vastasmõjul.
• Magnetilised materjalid jagunevad diamagnetilisteks, paramagnetilisteks ja ferromagnetilisteks.
• Magnetiliste materjalide omadusi ja rakendusi iseloomustavad magnetiline läbitavus, hüsteresissilmus ja Curie temperatuur.

2. Magnetilised omadused ja põhimõisted

Magnetiliste materjalide täpseks mõistmiseks on vaja teada ja selgelt mõista olulisemaid magnetilisi omadusi ja füüsikalisi põhimõisteid.

2.1 Magnetiline läbitavus ja suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ)

Magnetiline läbitavus kirjeldab materjali võimet juhtida magnetvälja:

• Vaakumi magnetiline läbitavus (μ₀) on füüsikaline konstant:

μ₀=4π×10−7 H/mμ₀=4π×10−7H/m

• Materjali magnetiline läbitavus (μ) sõltub materjalist ja näitab, kui kergesti magnetväli levib läbi selle materjali.
• Suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ) on dimensioonita arv, mis näitab materjali magnetilise läbitavuse suhet vaakumi omaga:

μ=μ₀μᵣμ=μ0​μᵣ

Näited:

• Raud: μᵣ ≈ 5000
• Ferriidid: μᵣ ≈ 1000–5000
• Õhk, vaakum, vask, alumiinium: μᵣ ≈ 1 (mittemagnetilised)

2.2 Magnetiline induktsioon (B) ja magnetvoog (Φ)

Magnetiline induktsioon (B):

Magnetiline induktsioon väljendab magnetvälja tugevust antud materjalis ja seda mõõdetakse teslades (T). See on magnetmaterjalide põhikarakteristik, mis määrab nende praktilise kasutatavuse.

Valem: B=μH=μ0μrHB=μH=μ0​μr​H

kus

•  – magnetiline induktsioon (T)
•  – magnetvälja tugevus (A/m)

Magnetvoog (Φ):

Magnetvoog näitab, kui palju magnetvälja läbib mingit pinda. Selle ühik on weber (Wb).

Valem: Φ=B⋅AΦ=B⋅A

kus

• Φ – magnetvoog
•  – magnetiline induktsioon
•  – ristlõikepindala

2.3 Magnetvälja tugevus (H)

Magnetvälja tugevus HH näitab voolust või püsimagnetist põhjustatud magnetvälja suurust sõltumata materjalist, ühikuks on A/m.

Vooluga juhis tekitatud magnetvälja tugevus arvutatakse näiteks järgmiselt:

• Pika sirge juhi ümber:

kus

•  – voolutugevus
•  – kaugus juhist
• Pooli sees (elektromagnet):

H=NIlH=lNI​

kus

• – pooli keerdude arv
•  – voolutugevus
• – pooli pikkus

2.4 Hüsteresissilmus ja selle tähtsus

Hüsteresissilmus kirjeldab ferromagnetilise materjali magnetiseerumise protsessi:

• Hüsteresissilmus näitab materjali magnetinduktsiooni BB muutumist magnetvälja tugevuse HH muutmisel.
• Silmuse laius iseloomustab materjali magnetilisi kaotusid ja jääkmagnetismi (remanentset magnetismi).

Hüsteresissilmuse põhipunktid:

• Küllastusinduktsioon  – materjali maksimaalne magnetinduktsioon.
• Jääkinduktsioon  – materjali magnetinduktsioon pärast välise magnetvälja eemaldamist.
• Koertsitiivsus  – magnetvälja tugevus, mis on vajalik materjali täielikuks demagnetiseerimiseks (induktsiooni nullini viimiseks).

Hüsteresissilmuse pindala vastab kaotatud energiale (soojusele):

• Pehmed magnetmaterjalid (väike hüsterees): väikesed energiakaod (trafod, elektrimootorid).
• Kõvad magnetmaterjalid (lai hüsterees): püsimagnetid (kõrge jääkmagnetism).

2.5 Curie temperatuur

Curie temperatuur TCTC​ on ferromagnetilise materjali temperatuur, mille ületamisel materjali ferromagnetilised omadused kaovad ning see muutub paramagnetiliseks.

• Näiteks rauda (Fe) puhul on Curie temperatuur umbes 770 °C.
• Temperatuuri tõustes üle Curie punkti kaotavad materjali magnetilised domeenid oma organiseeritud struktuuri.

2.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Magnetiline läbitavus näitab materjali võimet magnetvälja juhtida.
• Magnetiline induktsioon ja magnetvoog iseloomustavad magnetvälja tugevust ja selle levikut.
• Hüsteresissilmus annab ülevaate materjali magnetilistest omadustest ja energiakadudest.
• Curie temperatuur määrab magnetmaterjali töötemperatuuri ülempiiri.

2.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.

3. Magnetiliste materjalide liigid

Magnetilised materjalid jaotatakse vastavalt nende käitumisele magnetväljas nelja põhikategooriasse:

1. Diamagnetilised materjalid
2. Paramagnetilised materjalid
3. Ferromagnetilised materjalid
4. Antiferro- ja ferrimagnetilised materjalid

Vaatame neid kategooriaid lähemalt.

3.1 Diamagnetilised materjalid

Diamagnetilised materjalid on nõrgalt tõukuvad igasugusest magnetväljast, mis tuleneb elektronide orbitaalsete liikumiste mõjust.

Peamised omadused:

• Suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ) veidi väiksem kui 1.
• Magnetiseerumine on väga nõrk ja vastupidine rakendatud magnetväljale.
• Efekt ei sõltu temperatuurist.

Näited materjalidest:

• Vask (Cu)
• Süsinik (C, nt grafiit, teemant)
• Vesi (H₂O)
• Enamik plastmaterjale ja orgaanilisi aineid

Diamagnetismi praktiline mõju on tavaliselt väga väike ja piiratud tehnilistes rakendustes.

3.2 Paramagnetilised materjalid

Paramagnetilised materjalid tõmbuvad magnetvälja suunas nõrgalt, sest neil on paaristamata elektronid, mis joondavad end magnetväljas.

Peamised omadused:

• Suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ) veidi suurem kui 1.
• Magnetiseerumine on nõrk, positiivne ja kaob kohe, kui magnetväli eemaldatakse.
• Paramagnetism sõltub temperatuurist: temperatuuri tõustes efekt nõrgeneb.

Näited materjalidest:

• Alumiinium (Al)
• Magneesium (Mg)
• Hapnik (O₂ gaasina)
• Titaan (Ti)

Paramagnetilisi materjale kasutatakse piiratud ulatuses, peamiselt mõõteseadmetes ja teaduslikes rakendustes.

3.3 Ferromagnetilised materjalid

Ferromagnetilised materjalid on tugevalt magnetiseeruvad ning säilitavad osa magnetiseerumisest pärast magnetvälja eemaldamist.

Peamised omadused:

• Väga suur suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ ≈ 100 kuni 10 000).
• Näitavad tugevat hüsteresisi ja jääkmagnetismi.
• Omadused kaovad temperatuuril üle Curie temperatuuri.

Näited materjalidest:

• Raud (Fe), teras
• Nikkel (Ni)
• Koobalt (Co)
• Haruldaste muldmetallide magnetid (nt neodüümmagnetid NdFeB)

Kasutusalad:

• Elektrimootorite ja trafode südamikud
• Püsimagnetid ja magnetilised salvestusseadmed (kõvakettad, magnetlindid)
• Elektroonilised andurid ja seadmed

3.4 Antiferromagnetilised materjalid

Antiferromagnetilistes materjalides on külgnevate aatomite magnetmomendid vastassuunalised ja võrdse suurusega, mis kokkuvõttes annab väga väikese või üldse mitte mingisuguse neto-magnetiseerumise.

Peamised omadused:

• Suhteline magnetiline läbitavus lähedane 1.
• Ei avalda tugevat netomagnetiseerumist välise magnetvälja mõjul.
• Neil on kindel temperatuur (Neéli temperatuur), mille juures antiferromagnetilised omadused kaovad.

Näited materjalidest:

• Mangaanoksiidid (nt MnO)
• Raudoksiidi tüübid (nt FeO)

Kasutusalad:

• Andurid ja mäluüksused elektroonikas (piiratud ulatuses)

3.5 Ferrimagnetilised materjalid (ferriidid)

Ferrimagnetilised materjalid sarnanevad ferromagnetilistega, aga nende magnetilised momendid on vastassuunalised ja erineva suurusega, mistõttu esineb netomagnetiseerumine.

Peamised omadused:

• Suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ) suur (tavaliselt 10 kuni 5000).
• Kõrge elektriline takistus (väiksemad kaod kõrgsagedusahelates).
• Mõõdukas jääkmagnetism ja hüstereesis.

Näited materjalidest:

• Magnetiit (Fe₃O₄)
• Mangaan-tsink ferriidid (MnZnFe₂O₄)
• Nikkel-tsink ferriidid (NiZnFe₂O₄)

Kasutusalad:

• Kõrgsageduslikud südamikud (trafod, induktiivpoolid)
• Elektroonikaseadmete filtrid
• Magnetilised salvestusseadmed ja andurid

3.6 Magnetiliste materjalide võrdlustabel:

3.7 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Magnetilised materjalid jagunevad diamagnetilisteks, paramagnetilisteks, ferromagnetilisteks ning antiferro- ja ferrimagnetilisteks.
• Ferromagnetilised ja ferrimagnetilised materjalid on tehnoloogiliselt olulisimad, kuna neil on tugev magnetiseerumine ja laialdased kasutusalad elektrotehnikas ja elektroonikas.
• Diamagnetilised ja paramagnetilised materjalid on tehniliselt vähem olulised, kuid kasutatavad eriotstarbelistes seadmetes ja teadusuuringutes.

4. Ferromagnetiliste materjalide omadused ja hüsterees

Ferromagnetilised materjalid on magnetismiteooria ja tehnoloogia seisukohalt kõige tähtsamad, kuna neil on tugev magnetiseerumisvõime, jääkmagnetism ja selge hüsteresissilmus.

4.1 Ferromagnetismi olemus ja põhjused

Ferromagnetismi põhjustab materjalis elektronide spinnide paralleelne joondumine:

• Domineeriv mõju: elektronide spinnide tugev vastastikmõju (vahetusenergia).
• Magnetmomendid joondavad end ühesuunaliselt, tekitades spontaanse magnetiseerumise.
• Joondumine toimub kindlates piirkondades, mida nimetatakse magnetilisteks domeenideks.

Tuntumad ferromagnetilised materjalid:

• Raud (Fe)
• Koobalt (Co)
• Nikkel (Ni)
• Rauasulamid (nt elektriteras, Alnico, NdFeB)

4.2 Magnetilised domeenid ja nende käitumine

Magnetilised domeenid on piirkonnad ferromagnetilistes materjalides, kus kõik elektronide magnetmomendid on ühesuguselt joondunud:

• Ilma välise magnetväljata on domeenid juhuslikult orienteeritud, netomagnetiseerumine on null.
• Välise magnetvälja mõjul domeenid pöörduvad ja kasvavad, põhjustades materjali tugevat magnetiseerumist ühes suunas.
• Domeenide liikumine ja pöördumine põhjustab ferromagnetilistele materjalidele omase hüsteresissilmuse.

4.3 Hüsteresissilmus ja selle olulisus

Ferromagnetiliste materjalide magnetilisi omadusi kirjeldab hüsteresissilmus (B-H kõver):

Hüsteresissilmusel on järgmised olulised parameetrid:

• Küllastusinduktsioon (Bₛ) – magnetiline induktsioon, mille juures domeenid on täielikult joondunud.
• Jääkmagnetism ehk remanentne magnetiseerumine (Bᵣ) – materjali magnetiseerumise tase pärast välise magnetvälja eemaldamist.
• Koertsitiivsus (H꜀) – vastassuunalise magnetvälja tugevus, mis on vajalik materjali täielikuks demagnetiseerimiseks (induktsiooni nullini viimiseks).

Hüsteresissilmuse pindala näitab energia kadu magnetiseerimistsüklis (soojusena hajunud energia).

Näited ferromagnetiliste materjalide hüsteresisi parameetritest:

4.4 Curie temperatuur ja selle tähtsus

Curie temperatuur (T₍C₎) on temperatuur, mille ületamisel ferromagnetiline materjal kaotab oma magnetilised omadused ja muutub paramagnetiliseks:

• Alla Curie temperatuuri on materjal ferromagnetiline.
• Üle Curie temperatuuri muutub materjal paramagnetiliseks, sest domeenide struktuur kaob.

Curie temperatuurid tüüpilistel ferromagnetilistel materjalidel:

4.5 Pehmed ja kõvad ferromagnetilised materjalid

Ferromagnetilised materjalid jaotatakse rakenduste järgi kahte tüüpi:

• Pehmed magnetmaterjalid: väikese hüstereesiga, kerge magnetiseerida ja demagnetiseerida.
  Näited: elektriteras (trafod, mootorid), permalloy (andurid).
• Kõvad magnetmaterjalid (püsimagnetid): suure hüstereesiga, raske demagnetiseerida.
  Näited: Alnico (kõlarid), NdFeB (püsimagnetid).

4.6 Ferromagnetiliste materjalide rakendused

Ferromagnetilised materjalid on elektrimasinate, elektroonika ja infotöötluse seisukohast olulised:

• Elektrimootorid ja generaatorid: Südamikud valmistatakse pehmetest magnetmaterjalidest (nt elektriteras), kuna see vähendab energiakadu.
• Trafod ja induktiivpoolid: Kasutatakse väikese hüstereesiga materjale, nagu spetsiaalsed elektriterased või ferriidid.
• Püsimagnetid: Kõvad magnetmaterjalid (NdFeB, ferriidid) elektrimootorites, kõlarites, magnetlukustustes, sensorites ja mäluseadmetes.

4.7 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Ferromagnetism tekib elektronide spinnide paralleelsest joondumisest.
• Magnetilised domeenid vastutavad ferromagnetiliste materjalide unikaalse käitumise eest.
• Hüsteresissilmus näitab ferromagnetiliste materjalide magnetiseerumise dünaamikat ning võimaldab hinnata energiakadusid ja magnetomadusi.
• Curie temperatuur määrab piirtemperatuuri ferromagnetiliste omaduste säilimisele.
• Ferromagnetilised materjalid jaotatakse rakenduste järgi pehmeteks ja kõvadeks materjalideks.

4.8 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.

5. Pehmed ja kõvad magnetmaterjalid

Ferromagnetilised materjalid jagunevad oma rakendusomaduste ja hüsteresissilmuse kuju järgi kaheks oluliseks grupiks:

• Pehmed magnetmaterjalid
• Kõvad magnetmaterjalid (püsimagnetid)

Iga grupi kasutusala ja omadused on erinevad ning vastavad konkreetsetele tehnoloogilistele vajadustele.

5.1 Pehmed magnetmaterjalid

Pehmed magnetmaterjalid magnetiseeruvad ja demagnetiseeruvad kergesti, neil on väike hüsteresissilmus ning väiksemad magnetilised kaod.

Pehmete magnetmaterjalide põhiomadused:

• Madal koertsitiivsus (H꜀): < 1000 A/m
• Kõrge suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ): ~1000–10000
• Väike jääkmagnetism (remanentsus Bᵣ)

Levinud pehmed magnetmaterjalid:

• Elektriteras (räni-rauateras) – kasutatakse trafodes, elektrimootorites, generaatorites.
• Permalloy (Ni-Fe sulam) – kasutatakse täppisinstrumentides ja andurites.
• Ferriidid (MnZn ja NiZn) – kõrgemate sageduste magnetilised südamikud (trafod, filtrid).

Näited pehmete magnetmaterjalide omadustest:

5.2 Kõvad magnetmaterjalid (püsimagnetid)

Kõvad magnetmaterjalid (ehk püsimagnetid) säilitavad magnetiseerumise kaua, neil on suur hüsteresissilmus, kõrge koertsitiivsus ja suur jääkmagnetism.

Kõvade magnetmaterjalide põhiomadused:

• Kõrge koertsitiivsus (H꜀): tavaliselt > 10^5 A/m
• Kõrge jääkmagnetism (remanentsus Bᵣ)
• Madalam magnetiline läbitavus võrreldes pehmete magnetmaterjalidega

Levinud kõvad magnetmaterjalid:

• Neodüümmagnetid (NdFeB) – tugevaimad tänapäeval kasutatavad püsimagnetid.
• Ferriidist püsimagnetid (Ba- ja Sr-ferriidid) – odavad püsimagnetid, väiksem tugevus, aga hea keemiline stabiilsus.
• Alnico magnetid (Al-Ni-Co) – kõrge temperatuuritaluvusega püsimagnetid, mõõdukas tugevus.

Näited kõvade magnetmaterjalide omadustest:

5.3 Pehmete ja kõvade magnetmaterjalide võrdlus

5.4 Rakenduste näited:

Pehmed magnetmaterjalid:

• Elektrimasinate südamikud: Elektriteras, mis tagab kõrge efektiivsuse ja väiksed magnetilised kaod (trafod, generaatorid).
• Täppisseadmed ja andurid: Permalloy võimaldab täpset mõõtmist ja madala müratasemega signaale (magnetvälja andurid, mõõteseadmed).
• Kõrgsagedustrafod ja induktiivpoolid: Ferriidid, mis on elektriliselt isoleerivad ja madala energiakaoga kõrgsagedusel.

Kõvad magnetmaterjalid:

• Elektrimootorite püsimagnetid: Neodüümmagnetid (nt elektriautode mootorites), mis annavad suure jõudluse ja kompaktsuse.
• Kõlarid ja helitehnika: Ferriit- ja Alnico magnetid, mille stabiilne magnetväli tagab kvaliteetse heli taasesituse.
• Andurid ja kontaktivabad lülitid: Kõvade magnetite stabiilne magnetväli võimaldab usaldusväärset lülitamist ja mõõtmist.

5.5 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Pehmed magnetmaterjalid magnetiseeruvad ja demagnetiseeruvad kergesti ning neid kasutatakse eelkõige trafodes ja elektrimasinates.
• Kõvad magnetmaterjalid säilitavad magnetiseerumise pikaajaliselt, neid kasutatakse püsimagnetites.
• Materjalide valikul tuleb arvestada hüsteresissilmuse kuju ja suurusega, kuna see määrab ära nende praktilise kasutamise.

5.6 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.

6. Magnetiliste materjalide kasutus elektrotehnikas ja elektroonikas

Magnetilised materjalid on elektrotehnikas ja elektroonikas kriitilise tähtsusega, võimaldades muundada ja salvestada energiat ning edastada infot. Allpool vaatame põhjalikult, kus ja miks neid materjale kasutatakse.

6.1 Trafod ja induktiivpoolid

Trafod ja induktiivpoolid on ühed levinumad magnetmaterjalide rakendused elektrotehnikas.

Kasutatavad materjalid:

• Elektriteras (räni-rauateras): Väikesed hüstereesikaod, hea magnetiline läbitavus ja kõrge küllastusinduktsioon.
• Ferriidid: Sobivad kõrgematel sagedustel (kHz-MHz), madalad kaod ja suur elektriline takistus.

Kasutuseesmärk:

• Energiakadude vähendamine
• Signaalide muundamine (pingemuundus ja voolu stabiliseerimine)
• Elektromagnetilise ühilduvuse parandamine (filtrid)

6.2 Elektrimootorid ja generaatorid

Elektrimasinad vajavad magnetmaterjale energia muundamiseks elektrienergiast mehaaniliseks ja vastupidi.

Peamised materjalid:

• Pehmed magnetmaterjalid: Elektriteras mootorite ja generaatorite südamikes, tagades madalad kaod ja kõrge efektiivsuse.
• Kõvad magnetmaterjalid (püsimagnetid): Neodüümmagnetid ja ferriidid elektrimootorites (nt elektriautodes), kus on vajalikud tugevad ja stabiilsed magnetväljad.

Kasutuseesmärk:

• Suurem efektiivsus
• Kompaktsed mõõtmed
• Suurem võimsustihedus

6.3 Elektromagnetid ja magnetlülitid

Elektromagnetid kasutavad elektrivoolu magnetvälja loomiseks, võimaldades seadmete täpset juhtimist.

Kasutatavad materjalid:

• Pehmed magnetmaterjalid (elektriteras, permalloy): Väikeste kadudega magnetiseerimine ja kiire demagnetiseerimine.
• Kõvad magnetmaterjalid: Kasutatakse magnetlülitites ja releedes, kus vajalik on stabiilne jääkmagnetism.

Kasutuseesmärk:

• Täpne ja kiire seadmete lülitamine
• Ohutud ja kontaktivabad süsteemid
• Juhtimisseadmed (tõstukid, ventiilid)

6.4 Magnetilised salvestusseadmed ja andmekandjad

Magnetilised materjalid võimaldavad info salvestamist ja säilitamist püsivalt.

Kasutatavad materjalid:

• Kõvad magnetmaterjalid (ferriidid, kroomoksiidid) magnetlintides ja vanemates kõvaketastes.
• Õhukesed ferromagnetilised kiled (Co-Cr, Fe-Ni): kaasaegsed magnetilised kõvakettad.

Kasutuseesmärk:

• Digitaalsete andmete pikaajaline salvestus
• Info salvestamise suur tihedus
• Madal hind ja töökindlus

6.5 Magnetilised andurid ja sensorid

Magnetmaterjalid võimaldavad kontaktivabu mõõtmisi ja signaalide täpset registreerimist.

Kasutatavad materjalid:

• Permalloy (Ni-Fe): tundlikud magnetilised andurid ja täppisandurid.
• Püsimagnetid (NdFeB): magnetilised lülitid, Hall-efekti andurid.

Kasutuseesmärk:

• Positsiooni, kiiruse ja nurga täpne mõõtmine
• Kontaktivabad lülitid ja automaatikasüsteemid
• Elektroonilised kompassid, tööstuslikud mõõtesüsteemid

6.6 Magnetmaterjalide kasutusnäited tabelina:

6.7 Kaasaegsed arengusuunad magnetmaterjalide kasutuses:

Tänapäeva elektrotehnikas ja elektroonikas on magnetmaterjalide areng seotud peamiselt järgmiste trendidega:

• Kõrgema energiatihedusega püsimagnetid (NdFeB magnetid elektriautodes, tuuleturbiinides)
• Väiksemate kadudega pehmed magnetmaterjalid (trafodes, elektrimasinates, energiasäästlikes seadmetes)
• Kõrgsagedusrakenduste areng (ferriitmaterjalid elektroonikas ja telekommunikatsioonis)

6.8 Kokkuvõte (võtmeideed):

• Magnetilised materjalid on olulised energia muundamisel ja salvestamisel elektrotehnikas ja elektroonikas.
• Materjali valik sõltub kasutusvaldkonnast: pehmed magnetmaterjalid energiakadu vähendamiseks, kõvad magnetmaterjalid püsiva magnetvälja tagamiseks.
• Magnetmaterjalide areng on tihedalt seotud elektrifitseerimise, miniaturiseerimise ja energiatõhususe trendidega.

6.9 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Callister, W.D. & Rethwisch, D.G. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th ed., Wiley.

7. Erilised magnetilised nähtused ja rakendused

Lisaks traditsioonilistele rakendustele elektrotehnikas ja elektroonikas on magnetmaterjalidel mitmeid eriefekte ja nähtusi, millel põhinevad uudsed tehnoloogiad ja seadmed:

• Hiigelmagnetotakistus (GMR – Giant Magnetoresistance)
• Magnetostriktsioon
• Magnetiline levitatsioon (Maglev-tehnoloogia)

7.1 Hiigelmagnetotakistus (GMR)

Hiigelmagnetotakistus (GMR) on nähtus, mille korral materjali elektritakistus muutub tugevalt välise magnetvälja mõjul.

Nähtuse olemus:

• Mitmekihiliste ferromagnetiliste õhukeste kilede elektritakistus sõltub nende magnetmomentide vastastikusest orientatsioonist.
• Magnetmomentide paralleelsel orienteerumisel on takistus väike, antiparalleelsel orienteerumisel suur.

Kasutatavad materjalid:

• Õhukesed ferromagnetilised kihid (nt Fe-Co, Ni-Fe) koos mittemagnetiliste vahekihtidega (nt Cu, Cr).

Peamised rakendused:

• Kõvaketta lugemispead (andmete tihe ja kiire lugemine)
• Magnetilised andurid ja mõõteseadmed
• Tööstuslikud ja biomeditsiinilised mõõteseadmed

7.2 Magnetostriktsioon

Magnetostriktsioon on nähtus, kus materjal muudab oma mõõtmeid (paisub või kahaneb) välise magnetvälja mõjul.

Nähtuse olemus:

• Magnetvälja rakendamisel materjali magnetilised domeenid muutuvad, põhjustades materjali mehaanilist deformatsiooni.
• Efekt toimib ka vastupidiselt: mehaaniline surve muudab materjali magnetiseerumist.

Levinud magnetostriktiivsed materjalid:

• Terfenool-D (Tb-Dy-Fe sulam) – suur magnetostriktsioon, kuni 2000 ppm.
• Nikkel (Ni), raud (Fe) – mõõdukas magnetostriktsioon.

Peamised rakendused:

• Ultraheliseadmed ja akustilised andurid
• Täppisajamid ja aktuaatorid (nanotäpsusega liikumine)
• Vibratsiooni summutamise seadmed

7.3 Magnetiline levitatsioon (Maglev-tehnoloogia)

Maglev (magnetic levitation) on tehnoloogia, kus objekt hõljub magnetvälja abil ilma füüsilise kontaktita, võimaldades hõõrdevaba liikumist.

Nähtuse olemus:

Magnetiline levitatsioon saavutatakse tavaliselt kahe põhimõttega:

• Elektromagnetiline suspensioon (EMS): Kasutab juhitavaid elektromagneteid rongi all, hoides seda stabiilselt rööpa kohal.
• Elektrodünaamiline suspensioon (EDS): Kasutab ülijuhtivaid magneteid, mille tekitatud magnetväli indutseerib liikumisel rööbastes pöörisvoolusid, tõstes rongi rööpast kõrgemale.

Peamised rakendused:

• Maglev rongid (nt Jaapanis ja Hiinas): kiired, müratud ja väga efektiivsed transpordilahendused.
• Tööstuslikud hõljuksüsteemid: täppispositsioneerimine ja vibratsioonivaba transport.

7.4 Eriliste nähtuste omaduste võrdlus tabelina:

7.5 Tulevikusuunad ja arengud magnetmaterjalide tehnoloogias:

Tulevikus on magnetmaterjalide eriefektide rakendamisel oodata:

• Uute kõrgema jõudlusega magnetmaterjalide arendamist (tugevamad püsimagnetid, väiksemad kaod pehmetes magnetmaterjalides).
• Maglev-tehnoloogia laiemat kasutuselevõttu transpordis ja tööstuses.
• Magnetiliste andurite ja andmekandjate veelgi suuremat miniaturiseerimist ja täpsust (GMR- ja magnetostriktsiooniefektid).

7.6 Kokkuvõte (võtmeideed):

• GMR-efekt võimaldab luua tundlikke magnetilisi andureid ja efektiivseid andmesalvestusseadmeid.
• Magnetostriktsioon võimaldab täpset mehaanilist liikumist ja mõõtmist magnetväljade abil.
• Maglev-tehnoloogia pakub kiireid ja hõõrdevabasid liikumislahendusi transpordis ja tööstuses.

Need nähtused avavad uusi tehnoloogilisi võimalusi ja kujundavad tuleviku elektrotehnikat ning elektroonikat.

7.7 Viited ja soovituslik lisalugemine:

• Jiles, D. (2015). Introduction to Magnetism and Magnetic Materials, 3rd ed., CRC Press.
• Kasap, S.O. (2013). Principles of Electronic Materials and Devices, 4th ed., McGraw-Hill Education.
• Cullity, B.D. & Graham, C.D. (2008). Introduction to Magnetic Materials, 2nd ed., Wiley-IEEE Press.