Pehme magnetmaterjal

Pehme magnetmaterjal ehk magnetiliselt pehme materjal on ferromagnetiline või ferrimagnetiline materjal, mille koertsitiivsus (Hc) on alla 1000 A/m ehk alla 12,5 Oe. Pehmele magnetmaterjalile on iseloomulik kitsas hüstereesisilmus ja suur suhteline magnetiline läbitavus (μᵣ). Pehme magnetmaterjal on võrreldes kõva magnetmaterjaliga kergemini magneeditav ja demagneeditav.
Pehmeid magnetilisi materjale kasutatakse seadmetes, mis kasutavad vahelduvaid magnetväljasid ja kus energiakaod peavad olema madalad. Üheks selliseks näiteks on pehmete magnetmaterjalide kasutamine trafo südamikes.

Pehmeid magnetmaterjale iseloomustavad parameetrid

Magnetiliste parameetrite väärtused sõltuvad magnetiliselt pehmetel materjalidel aine keemilisest puhtusest ja kristallvõre kujunemisest.

Koertsitiivsus

Koertsitiivus ehk koertsitiivjõud on ferromagnetilist materjali iseloomustav suurus, mis näitab, kui tugevat magnetvälja tuleb magneeditud ferromagneetikule rakendada selleks, et viia tema jääkmagneetumus nulliks. Ehk teiste sõnadega öeldes näitab koertsitiivsus magnetmaterjali vastupanu demagneetimisele. Hüstereesisilmusel vastab koertsitiivjõule H väärtus (välise magneetiva välja tugevus) hetkel kui B = 0 (B on magnetiline induktsioon). Koertsitiivsuse tähis on Hc ja SI mõõtühik amper meetri kohta (A/m).
Pehme magnematerjali puhul on koertsitiivsuse (Hc) väärtus alla 1 kA/m. Keskmiste magnetmaterjalide puhul Hc = 1..30 kA/m ja kõvade magnetmaterjalide puhul Hc > 30 kA/m. Seega on pehmete magnetmaterjalide puhul koertsitiivsuse väärtus palju väiksem kui keskmiste ja kõvade magnetmaterjalide puhul.
Koertsitiivsus on tundlik struktuuriliste muutuste suhtes. Koertsitiivsuse madal väärtus on seotud domeeni seinte lihtsa liikumisega olukorras, kus magnetväli muudab suurust ja/või suunda. Erinevad struktuursed defektid, nagu näiteks mittemagnetilise faasi osakesed või tühimikud magnetmaterjalis, kippuvad piirama domeeni seinte liikumist ja suurendavad seeläbi koertsitiivsust. Sellest tulenevalt peab pehme magnetmaterjal olema võimalikult defektidevaba.

Kristallilised metallid

Kristallilised metallid koosnevad suurest hulgast kristalliitidest ja materjali kristallvõre orientatsioon varieerub üksikutes kristallides. Kõige levinum kristallvõre struktuur pehmetes magnetilistes sulamites on kuubiline. Selleks, et tegu oleks hea pehme magnetmaterjaliga, peavad metalli kristallid olema võimalikult defektidevabad. Peamisteks komponentideks on raud, nikkel ja koobalt. Lisaks neile kasutatakse lisanditena muuhulgas näiteks vaske, molübdeeni või kroomi, mida kasutatakse selleks, et optimeerida pehme magnetmaterjali omadusi. Tehnoloogilistel põhjustel ja töökindluse tõstmiseks lisatakse sulamisse vahel väga väikeses koguses mangaani või kaltsiumit. Erijuhtumiks on SiFe, kus 1–3,5% Si sisaldus aitab kaasa eritakistuse tõstmisele ja selle kaudu ka vähendab pöörisvoole (eddy currents). Teised laialt kasutatavad sulamid on FeNi, CoFe ja SiAlFe.

Amorfsed metallid

Amorfsetel metallidel ei ole korrapärast kristallstruktuuri. Amorfseid sulameid on kõige lihtsam luua sellistest elementidest, millel on erineva läbimõõduga ioonraadiused. Amorfne olek on metastabiilne olek. Amorfsete sulamite peamised eelised on kõrge magnetiline läbitavus ja madalad energiakaod. Tehnilise tähtsuse järgi on peamiselt kolme tüüpi amorfseid sulameid: raual baseeruvad sulamid, koobaltil baseeruvad sulamid ja NiFe sulamid.

Nanokristallilised metallid

Nanokristalliline materjal on polükristalliline materjal, mille kristalliidi suurused jäävad nanomeetrite suurusjärku. Avastati, et teatud sellised materjalid on heade pehmele magnetmaterjalile iseloomulike omadustega. Näiteks on suurepäraste pehmete magnetmaterjalile iseloomulike omadustega FeSiB sulam, millele on lisanditena juurde lisatud Cu ja Nb. Samas kipuvad nanokristallilised materjalid olema rabedad ning seetõttu on neid mehaaniliselt raske töödelda.

Pehmed ferriidid

Pehme ferriit on metallkeraamiline magnetmaterjal, mis koosneb raudoksiidist Fe₂O₃ ja teiste metallide (Ni, Mn, Zn, Mg, Cu jt) oksiididest. Ferriitidel on kõrge eritakistus ja sellest tulevalt väike pöörisvoolukadu, mistõttu on nad head isolaatorid. Miinuseks ferromagneetikutega võrreldes on madalam küllastusmagneetumus ja keskmine magnetiline läbitavus. Pehmete ferriitide näiteks on mangaantsinkferriit, nikkeltsinkferriit. Pehmete ferriitide alla kuuluvad ka magnetilised granaatmineraalid (garnets), mille üheks tuntud näiteks on ütriumi-raua granaat (yttrium-iron garnet).
Pehmeid ferriite saab jagada ka mitte-mikrolaine ferriitideks (non-microwave ferrites), mis on ette nähtud kuni 500 MHz sageduste jaoks ja mikrolaine ferriitideks (microwave ferrites) sagedustevahemiku 100 MHz ... 500 GHz jaoks. Mikrolaine ferriite, mille üheks näiteks on ütriumi-raua granaat, kasutatakse elektromagnetilise kiirguse lainejuhtides ja faasimuundurites.