6

1. Moduł 6
Materiały przewodzące i magnetyczne
1. Materiały przewodowe i oporowe wykorzystywane do produkcji maszyn
elektrycznych
2. Zastosowanie materiałów przewodzących i elektroizolacyjnych
3. Materiały magnetyczne i ich podział
4. Materiały magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde

2. 2
1. Materiały przewodowe i oporowe wykorzystywane do produkcji maszyn
elektrycznych
Materiały przewodowe
Do materiałów przewodowych zaliczyć można metale i stopy, z których
są wytwarzane przewody nawojowe, przewody instalacyjne i kable elektroenergetycz-
ne. Do tej grupy należą przede wszystkim miedź i aluminium, a także niektóre brązy,
stopy aluminiowo-magnezowo-krzemowe oraz stal.
Przewody nawojowe są przeznaczone do wykonywania uzwojeń maszyn, aparatów
i innych urządzeń elektrycznych. W zależności od przeznaczenia przewody nawojowe są
produkowane o izolacji w postaci emalii, o izolacji włóknistej (papier, jedwab naturalny
i sztuczny), złożonej (emalia i materiał włóknisty), z włókna szklanego i tworzyw ter-
moplastycznych. Najczęściej spotykane typy przewodów nawojowych:
- H – przewody nawojowe miedziane okrągłe, emaliowane lakierem poliestroimi-
dowym, klasa temp. 180
- C200 – przewody nawojowe miedziane okrągłe, emaliowane lakierem poliestro-
wym, klasa temp. 200
Rysunek 1. Drut nawojowy okrągły
Źródło: http://www.eurodrut.pl, stan na dzień 21.11.13
Oba typy przewodów (H, C200) to przewody o wysokich własnościach termicznych
i dobrej odporności chemicznej. Stosowane do uzwojeń przekaźników silników, trans-
formatorów, elektronarzędzi, w przemyśle samochodowym.
- E120 – przewody emaliowane lakierem poliwinyloacetylowym, klasa temp. 120,
olejoodporne. Są to przewody o wysokiej elastyczności i odporności mechanicz-
nej. Stosowane do uzwojeń narażonych podczas ich wykonywania i eksploatacji
na uszkodzenia mechaniczne. Stosowane w transformatorach olejowych
- FL – przewody emaliowane lakierem poliuretanowym, samolutujące, klasa temp.
155
- FLN – przewody emaliowane lakierem poliuretanowym, pokryte lakierem polia-
midowym, samolutujące, klasa temp. 155

3. 3
Rysunek 2. Drut nawojowy samolutujący
Źródło: http://www.eurodrut.pl, stan na dzień 21.11.13
Powyższe typy przewodów (FL, FLN) to przewody lutujące bez usuwania izolacji.
Stosowane do uzwojeń przekaźników, transformatorów, silników małej mocy, cewek
zapłonowych, urządzeń i aparatów telekomunikacyjnych, pomiarowych, radiowych i te-
lewizyjnych. Przewody FLN zalecane do stosowania na szybkobieżnych automatycznych
uzwajarkach.
- HS – przewody emaliowane lakierem poliestroimidowym, klasa temp. 180, z po-
włoką samospiekającą
- C200 XS – przewody emaliowane lakierem poliestroimidowym i amidoimido-
wym, klasa temp.200, z powłoką samospiekającą.
Przewody typu HS i C200 XS to przewody z powłoką zewnętrzną samospiekającą.
Stosowane do wykonywania uzwojeń bez dodatkowych impregnacji, cewek bezkarka-
sowych. Stosowane do uzwojeń cewek telewizyjnych, cewek głośnikowych, indukcyj-
nych, silników i suchych i transformatorów.
Miedź używana jest zazwyczaj w stanie miękkim, natomiast aluminium – ze względu
na potrzebę polepszenia właściwości mechanicznych – w stanie półtwardym.
Przewody o specjalnym przeznaczeniu, jak np. przewody jezdne w sieci trakcyjnej,
od których wymaga się dużej wytrzymałości mechanicznej i małej ścieralności, wykonu-
je się ze stopów miedzi z dodatkiem do 1% kadmu. Przewody nawojowe przeznaczone
do dużych transformatorów są wytwarzane ze stopów miedzi i srebra, ze względu na
występowanie dużych sił elektrodynamicznych w stanach zwarciowych.
W liniach napowietrznych wysokiego napięcia znajdują zastosowanie nie tylko tzw.
sploty stalowo-aluminiowe (w przewodach tych rdzeń wykonany z liny stalowej służy
jako element nośny i zapewnia odpowiednią wytrzymałość mechaniczną), ale także linki
ze stopów aluminium, krzemu i magnezu (Al-Si-Mg) o różnych nazwach firmowych: Al-
melec, Aldrey itp. Wytrzymałość mechaniczna tych ostatnich jest na tyle duża, że nie
wymagają one elementu nośnego, konduktywność zaś jest zaledwie o kilka procent
mniejsza od konduktywności aluminium.
Przewody ze stopów aluminium są coraz powszechniej stosowane. Znacznie mniej-
sza masa przewodów wykonanych ze stopów aluminium, krzemu i magnezu w porów-
naniu ze splotami stalowo-aluminiowymi powoduje, że budowa linii jest tańsza, pomimo
wyższej ceny stopu niż aluminium. Przewody te cechuje duża odporność na korozję.
W splotach stalowo-aluminiowych, w celu nadania im odpowiedniej odporności na ko-
rozję, niezbędne jest stosowanie drutów stalowych ocynkowanych. Ocynkowanie zapo-
biega tworzeniu się ogniw na styku aluminium-stal.

4. 4
Materiały oporowe
Ze względu na zastosowanie materiały oporowe dzieli się na następujące grupy:
- stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obciążeniowe itp.
Rysunek 3. Rezystor rozruchowy szlifierki
Źródło: http://ctn.home.pl/pl/p/Opornik,-rezystor-rozruchowy-szlifierki-Makita-GA7020S-,-
GA9040S/818, stan na dzień 21.11.13
- stopy oporowe na rezystory pomiarowe, wykazujące mały współczynnik tempe-
raturowy rezystancji oraz małą jednostkową siłę termoelektryczną względem
miedzi (połączenia w miernikach)
Rysunek 4. Rezystor pomiarowy
Źródło: http://www.conrad.pl/Rezystor-do%C5%9Bwiadczalny-
MR2.htm?websale8=conrad&pi=427020, stan na dzień 21.11.13
- metale i stopy oporowe oraz materiały oporowe niemetalowe na elementy grzejne
- metale na oporowe czujniki termometryczne, wyróżniające się dużym współ-
czynnikiem temperaturowym rezystancji, ich temperatura robocza zawiera się na
ogół w granicach od 200 do 350°C
Rysunek 5. Rezystory termometryczne
Źródło: http://www.limathermsensor.pl, stan na dzień 21.11.13
- materiały na rezystory specjalne bezindukcyjne oraz o nieliniowej charakterysty-
ce napięciowo-prądowej (warystory)

5. 5
Rysunek 6. Warystory
Źródło: http://www.tme.eu/html/PL/warystory-metalowo-tlenkowe-firmy-vishay-bc-
components/ramka_474_PL_pelny.html, stan na dzień 21.11.13
Stopy używane na elementy grzejne dzieli się na dwie podstawowe grupy:
- stopy austenityczne, na bazie niklu i chromu (do 80% Ni i 20% Cr) – bezżela-
zowe (tzw. nichromy) i zawierające żelazo (tzw. ferronichromy),
- stopy ferrytyczne (tzw. ferrochromale), zawierające oprócz Fe, Cr nieznaczne
ilości domieszek uszlachetniających, np. Co.
Stopy bezżelazowe mogą pracować, zależnie od gatunku, w temperaturach 900–
1150°C. Wykazują one dużą wytrzymałość mechaniczną w wysokich temperaturach, du-
żą trwałość pracy w atmosferze obojętnej, są natomiast wrażliwe na działanie atmosfery
utleniającej oraz zawierającej siarkę lub jej związki.
Stopy ferrytyczne, w zależności od gatunku, mogą pracować w temperaturach do
1350°C. Wykazują one dużą odporność na atmosferę utleniającą, są nieodporne na dzia-
łanie związków chloru, metali alkalicznych i cyjanków. Ich wadą jest duża skłonność do
rekrystalizacji i mała wytrzymałość mechaniczna w wysokich temperaturach. Stopy te,
od nazwy producenta, są znane jako Kanthale; produkowane w Polsce – noszą nazwę
Baildonali.
Na elementy grzejne stosuje się również metale czyste – molibden i wolfram.
Rysunek 7. Molibden
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Molibden, stan na dzień 21.11.13

6. 6
Rysunek 8. Wolfram
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Wolfram, stan na dzień 21.11.13
Mogą one pracować długotrwale w temperaturach 1500-3000°C, lecz ze względu na
proces utleniania wymagają stosowania atmosfer ochronnych lub próżni. Elementy wy-
konywane z tych metali są używane w piecach oporowych do topienia oraz obróbki
cieplnej niektórych metali.
Niemetalowe elementy grzejne wykonuje się z materiałów węglowych i grafitowych
oraz z węglika krzemu (SiC – karborund) lub krzemku molibdenu (MoSi – molibdenosilit).
Rysunek 9. Karborund
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/W%C4%99glik_krzemu, stan na dzień 21.11.13
Elementy węglowe i grafitowe mogą pracować w temperaturach do 3300°C; odzna-
czają się dużą odpornością na udar cieplny, lecz małą odpornością na utlenianie (pod-
czas pracy trzeba je chronić przed dostępem powietrza). Elementy grzejne z karborundu
wykonuje się w kształcie prętów z odpowiednimi końcówkami – noszącymi nazwę silit
lub globar. W zależności od rodzaju wyrobu, rezystywność karborundu w temperaturze
20°C może wynosić 1500 – 6000 Ωˑm., w temperaturze powyżej ok. 900°C rezystywność
maleje, po czym wzrasta w przybliżeniu liniowo, osiągając w temperaturze 1450°C war-
tość ok. 1000 Ωˑm. Czas pracy karborundowych elementów grzejnych w temperaturze
nie przekraczającej 1450°C wynosi ponad 2500 h. Na skutek utleniania wartość rezy-
stywności w tym czasie może ulec znacznemu (3-krotnemu) zwiększeniu (15÷20% pod-
czas pierwszych 60÷80 godzin pracy).
Elementy grzejne z krzemku molibdenu, produkowane w kształcie formowanych
prętów. Są one odporne na atmosfery utleniające i mogą pracować w temperaturze do
1700°C.
Na oporowe czujniki termometryczne stosuje się metale czyste, zwłaszcza platynę,
rzadziej – srebro, nikiel i miedź. Charakterystyka temperaturowa tych metali zależy
przede wszystkim od ich czystości.
Rezystory bezindukcyjne wykonuje się z materiałów węglowych.

7. 7
2. Zastosowanie materiałów przewodzących i elektroizolacyjnych
Zastosowanie materiałów przewodzących w przemyśle jest zależne od ich przezna-
czenia, i tak:
- miedź i jej stopy – sama miedź stosowana jest w elektrotechnice. Z miedzi wyko-
nuje się również wycinki komutatorów. Stopy miedzi mają nieco mniejszą prze-
wodność, ale większą wytrzymałość, większą twardość i nadają się do odlewania
Rysunek 10. Miedziany krążek o czystości ≥99,95% otrzymany metodą ciągłego odlewu
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Mied%C5%BA, stan na dzień 21.11.13
- brąz – jest używany na pierścienie ślizgowe i obsady szczotkowe
Rysunek 11. Odlewy z brązu
Źródło: http://gzut.pl/odlewnia/, satn na dzień 21.11.13
- mosiądz – jest stosowany na obsady szczotkowe, śruby, nakrętki i zawory zaci-
skowe
Rysunek 12. Śruby i nakrętki z mosiądzu
Źródło: http://www.indiabrass.in/pl/brass_bolts/brass_bolts.html, stan na dzień 21.11.13
- aluminium i jej stopy – stosowane są do celów elektrotechnicznych, do odlewania
uzwojeń wirników klatkowych silników indukcyjnych, aluminium rafinowane
wykorzystywane jest do produkcji folii kondensatorowej natomiast aluminium

8. 8
hutnicze wykorzystywane jest do produkcji żył przewodów i kabli. Stop alumi-
niowo-magnezowo-krzemowy jest stosowany do wyrobu przewodów elektroe-
nergetycznych
Rysunek 13. Aluminiowe końcówki kablowe stosowane do zaprasowywania przewodów
inkowych
Źródło: http://www.zaron.com.pl/zr.php, stan na dzień 21.11.13
- cynę – stosuje się na lutowia (spoiwa) oraz na powłoki ochronne (nakładane me-
todą ogniową lub galwanicznie), a także jako dodatek do stopów (głównie z mie-
dzią). Druty miedziane z ochronną powłoką cynową znajdują się m.in. w przewo-
dach o izolacji gumowej wulkanizowanej siarką. Warstwa cyny zapobiega szko-
dliwemu oddziaływaniu siarki na miedź
Rysunek 14. Cyna do lutowania w laskach
Źródło: http://www.jaw.com.pl/lutownicze.html, stan na dzień 21.11.13
- cynk – jest stosowany tylko jako dodatek stopowy, a także jako warstwa ochron-
na nakładana metodą ogniową lub galwanicznie. Z cynku są wykonywane elek-
trody ujemne ogniw galwanicznych
Rysunek 15. Cynk
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Cynk, stan na dzień 21.11.13

9. 9
- ołów i jego stopy – ołów stosuje się do wyrobu powłok kablowych
oraz płyt akumulatorowych, anod do elektrolizy, armatury kwasoodpornej, pod-
kładek i uszczelek
Rysunek 16. Kratka ołowiana wykorzystywana do produkcji płyt akumulatorowych
Źródło: http://www.unigum.pl/porady/akumulatory/akumulator_krok_po_kroku_-_plyta.html, stan na
dzień 21.11.13
- materiały elektrotechniczne na bazie węgla i grafitu – stosowane są do wyrobu
np. szczotek
Rysunek 17. Szczotki węglowo-grafitowe do elektronarzędzi
Źródło: http://promot.firmy.net/szczotki-weglowe-do-elektronarzedzi,HX38.html, stan na dzień 21.11.13
- materiały przewodowe – są z nich wytwarzane przewody i kable elektroenerge-
tyczne
Rysunek 18. Materiały przewodowe
Źródło: http://www.energokabel.com.pl/0012_Oferta_-_kable_i_przewody.html, stan na dzień 21.11.13

10. 10
- materiały oporowe – ze względu na zastosowanie dzieli się je na następujące
grupy:
o stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obcią-
żeniowe itp.
o stopy oporowe na rezystory pomiarowe, wykazujące mały współczynnik
temperaturowy rezystancji oraz małą jednostkową siłę termoelektryczną
względem miedzi
o metale i stopy oporowe oraz materiały oporowe niemetalowe
na elementy grzejne
o metale na oporowe czujniki termoelektryczne, wyróżniające się dużym
współczynnikiem temperaturowym rezystancji
o materiały na rezystory specjalne bezindukcyjne, oraz o nieliniowej cha-
rakterystyce napięciowo-prądowej (warystory).
- materiały stykowe – mogą być jednorodne, dwuwarstwowe (bimetale oraz
z warstwą zewnętrzną nakładaną galwanicznie lub natryskiwaną) i wielowar-
stwowe. Materiały stykowe jednorodne wykonuje się w kształcie prętów, drutów,
płytek, nakładek stykowych lub blach
- materiały na ogniwa termoelektryczne – termoelementy lub inaczej materiały
termoelektrodowe. Do tych materiałów należą zarówno metale szlachetne z gru-
py platynowców i ich stopy, a także złoto, jak i metale nieszlachetne z rodziny
chromowców (chrom, wolfram, molibden), żelazowców (żelazo, nikiel) oraz alu-
minium, miedź i mangan
- termobimetale – są stosowane na elementy termoregulacyjne w obwodach elek-
trycznych
- luty (spoiwa) – to stopy metali o temperaturze niższej niż temperatura łączonych
metali. Rozróżnia się luty miękkie o temperaturze topnienia poniżej 400°C i luty
twarde o temperaturze topnienia powyżej 700°C. Luty miękkie stosuje się do po-
łączeń szczelnych, a luty twarde do połączeń szczelnych i przenoszących obcią-
żenia.
Materiały przewodzące znajdują zastosowanie jako materiały przewodowe, oporo-
we i stykowe. Osobną grupę stanowią materiały przewodzące stosowane w ogniwach
termoelektrycznych, termobimetale oraz spoiwa1.
Przewody nawojowe okrągłe są stosowane we wszystkich małych i średnich silni-
kach indukcyjnych, a profilowe – w wirnikach silników pierścieniowych i większych sil-
nikach prądu stałego na uzwojenie twornika i biegunów zwrotnych.
1 Praca zbiorowa, Poradnik inżyniera elektryka Tom 1, WNT, Warszawa 1996, s. 171

11. 11
3. Materiały magnetyczne i ich podział
Do technicznych materiałów magnetycznych zalicza się ferromagnetyki i ferrima-
gnetyki.
Materiały magnetyczne można również ogólnie podzielić na:
- metaliczne,
- niemetaliczne.
Rysunek 19. Szkło metaliczne posiadające właściwości magnetyczne przewyższające tra-
dycyjne materiały magnetyczne
Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Szk%C5%82o_metaliczne, stan na dzień 21.11.13
Metaliczne materiały magnetycznie miękkie, których głównym składnikiem jest że-
lazo, występują często w postaci blach, przeznaczonych głównie na magnetowody ma-
szyn prądu przemiennego oraz transformatorów.
Rysunek 20. Kształtki do budowy rdzeni transformatorowych wykrawane z taśmy elek-
trotechnicznej
Źródło: http://www.sizei.idsl.pl/product.php?id_product=51, stan na dzień 21.11.13
Są również stosowane wyroby lite jako odkuwane czy walcowane profile, przezna-
czone m.in. na jarzma niektórych odmian maszyn prądu stałego oraz znacznie rzadziej
jako odlewy. W odniesieniu do blach, używa się terminu elektrotechniczne blachy
magnetyczne, bez dodatku „magnetycznie miękkie”.
Podstawową grupę niemetalicznych materiałów magnetycznych, wykonywanych
najczęściej techniką proszków spiekanych, są związki tlenków metali zwane ferrytami.
W zależności od składu ferryty mają właściwości materiałów magnetycznie miękkich
lub magnetycznie twardych. Ze względu na trudną obrabialność najkorzystniejsze jest
wytwarzanie ferrytów w postaci gotowych elementów obwodu magnetycznego.
Do niemetalicznych zalicza się również materiały proszkowo niespiekane: magne-
tycznie miękkie, zwane magnetodielektrykami i magnetycznie twarde, zwane ferro-

12. 12
plastami. Jednym składnikiem wykorzystywanym do ich produkcji jest proszek metalu
lub stopu ferromagnetycznego zaś drugim jest sproszkowany materiał izolacyjny.
Materiały ferromagnetyczne odznaczają się bardzo dużą podatnością magnetyczną
zależną od natężenia pola. W grupie materiałów wykazujących efekt antyferromagne-
tyczny rozróżnia się:
- antyferromagnetyki – gdy występuje całkowita kompensacja momentów magne-
tycznych,
- ferrimagnetyki lub antyferrimagnetyki – gdy wchodzące w skład danego związku
(stopu) atomy mają różne co do wartości momenty magnetyczne. Przy ich anty-
równoległym ustawieniu całkowita kompensacja momentów jest niemożliwa.
Ferromagnetyki i ferrimagnetyki wykazują zjawisko histerezy, które opisać można
analizując krzywą magnesowania ciała ferromagnetycznego:
Rysunek 21. Krzywa magnesowania (pętla histerezy)
Źródło: Opracowanie własne
Widoczna na rysunku krzywa 0, 1, 2, 3, 4 jest nazywana krzywą magnesowania
pierwotnego, czyli rozpoczynającą się od stanu niemagnetycznego, przy indukcji magne-
tycznej B = 0 i natężeniu pola magnetycznego H = 0. Odcinek charakterystyki między
punktami 0,1 jest nazywany zagięciem dolnym, odcinek 1, 2 określa magnesowanie
„prawie” prostoliniowe. Dalsze zwiększanie natężenia pola magnetycznego H powoduje
zagięcie się górne charakterystyki na odcinku 2, 3. Odcinek 3, 4 to część prosta o nie-
wielkim nachyleniu, określająca przejście ferromagnetyku w stan nasycenia. Stan nasy-
cenia charakteryzuje się tym, że wszystkie domeny układają się osiami swoich biegunów
zgodnie z natężeniem pola magnetycznego H. Sam proces układania się spinów w para-
magnetykach i domen w ferromagnetykach zgodnie z kierunkiem wektora natężenia po-
la H nazywamy magnetyzacją lub polaryzacją magnetyczną mierzoną w T (Teslach) –
podobnie jak indukcję magnetyczną. Jeżeli po osiągnięciu stanu nasycenia zaczniemy
zmniejszać natężenie pola do wartości H = 0 wówczas indukcja magnetyczna osiągnie

13. 13
swoją minimalną wartość w punkcie 5 noszącym nazwę indukcji szczątkowej. W celu
zmniejszenia indukcji B do wartości równej 0 należy zmienić zwrot natężenia pola ma-
gnetycznego, wówczas H przyjmie wartość ujemną zaś B = 0 (punkt 6 krzywej magne-
sowania).Punkt ten nazywamy natężenie koercji lub natężeniem powściągającym. Dal-
sze zwiększanie natężenia pola w kierunku ujemnym powoduje przeciwne magnesowa-
nie się ferromagnetyku aż do punktu – Hm, w którym indukcja B = -Bm (punkt 7 na
krzywej magnesowania). Dalsze przemagnesowywanie tworzy krzywą przechodzącą
przez punkty 8 i 9.
Proces magnesowania ferromagnetyków wyraża się nieodwracalnymi zmianami in-
dukcji magnetycznej w następstwie zmian natężenia zewnętrznego pola magnetycznego,
co przedstawia wykres B(H), zwany pętlą histerezy.
Materiały magnetyczne można także podzielić na:
- magnetycznie miękkie,
- magnetycznie twarde.
Magnetycznie miękkie charakteryzują się wąską pętlą histerezy, a więc i małą koer-
cją, twarde zaś – szeroką pętlą i dużą koercją.
Rysunek 22. Pętla histerezy a) materiał magnetycznie twardy, b) materiał magnetycznie
miękki
Źródło: http://www.edupedia.pl/words/index/show/532692_slownik_fizyczny-ferromagnetyk.html, stan
na dzień 21.11.13
Stąd też często w literaturze wartość Hk jest traktowana jako jedno z kryteriów kwa-
lifikujących materiał magnetyczny do określonej grupy. Wartość graniczna nie jest ściśle
określona (wartości od 1 do 1000 A/m).
W materiałach magnetycznie miękkich namagnesowanie nie jest trwałe i wyma-
ga ciągłego działania zewnętrznego pola magnesującego. Dlatego też materiały magne-
tycznie miękkie stosuje się głównie jako magnetowody aparatów i maszyn, gdzie służą
do ukierunkowania i skupienia strumienia magnetycznego.
Materiały magnetycznie twarde stosuje się w aparatach, maszynach i przyrządach
jako magnesy trwałe. Są one źródłami stałych, nie wymagających zewnętrznego zasila-
nia pól magnetycznych, wywołujących użyteczne oddziaływania, np. mechaniczne
w sprzęgłach, łożyskach magnetycznych, głośnikach, urządzeniach odchylających itd.
Różnorodność zastosowań magnesów trwałych powoduje, że i wymagania odnoszące
się do parametrów, stawiane materiałom magnetycznie twardym, są zróżnicowane.
W wyniku stosowania różnych połączeń metali i przyjmowania różnych technologii ich
wytwarzania powstaje wiele odmian tych materiałów.

14. 14
Do najnowszych odkryć w dziedzinie materiałów magnetycznych można zaliczyć
szkła metaliczne, zwane magnetykami amorficznymi. Stopy amorficzne odznaczają się
unikalnymi właściwościami fizycznymi. Należy do nich wyjątkowa wytrzymałość na
rozciąganie, duża twardość i odporność na ścieranie. Zachowują również elastyczność
zarówno przy rozciąganiu jak i przeginaniu, aż do granicy plastyczności. Niektóre szkła
metaliczne są wyjątkowo odporne na korozję nie ustępując najlepszym stalom nie-
rdzewnym. Magnetyki amorficzne znajdują zastosowanie w zasilaczach impulsowych
stosowanych coraz powszechniej w sprzęcie audio-tele-video, w technice komputerowej
oraz automatyce.
Kolejnym odkryciem po amorfikach są stopy nanokrystaliczne znajdujące coraz
większe zastosowanie w przemyśle. Do ich najważniejszych właściwości zaliczyć można
niską stratność, prawie zerową magnetostrykcję i wysoką indukcję nasycenia. Z uwagi
na powyższe stopy nanokrystaliczne są wykorzystywane w urządzeniach techniki im-
pulsowej i w układach wysokoczęstotliwościowych. Ich zastosowanie prowadzi do mi-
niaturyzacji magnetowodów np. w dławikach przeciw zaburzeniowych, rdzeniach trans-
formatorów impulsowych, wyłącznikach różnicowoprądowych itp. Stanowią idealny
materiał do zastosowań, w których magnetostrykcja jest szczególnie niepożądana np.
w indukcyjnych głowicach urządzeń audiowizualnych. Są stosowane również w bez-
szumowych urządzeniach w zakresie częstotliwości do 100 kHz, a w dławikach do 30
MHz. Ze względów ekonomicznych bardzo ważną zaletą magnetyków nanokrystalicz-
nych jest to, że nie zawierają one kobaltu, metalu który jest kilkaset razy droższy od że-
laza będącego z reguły w składzie konwencjonalnych materiałów niemagnetostrykcyj-
nych.
Innym materiałem magnetycznym są ferryty, czyli otrzymywane drogą spiekania
proszków materiały ceramiczne wykazujące właściwości ferrimagnetyczne. Charaktery-
zuje je silna anizotropowość oraz naprężenia wewnętrzne wpływające na znaczne straty
histerezowe. Są to materiały bardzo twarde i za razem kruche.
4. Materiały magnetycznie miękkie i magnetycznie twarde
Materiały magnetycznie miękkie charakteryzuje przede wszystkim krzywa ma-
gnesowania pierwotnego oraz stratność magnetyczna. Przyjęto podawać wartości in-
dukcji B przy określonych z tej krzywej wartościach natężenia pola H. Na przykład B25
oznacza indukcję magnesowania danego materiału przy natężeniu pola równym 25
A/cm (2,5 kA/m). Krzywa magnesowania pierwotnego jest jednocześnie miejscem geo-
metrycznym punktów szczytowych rodziny symetrycznych pętli histerezy wyznaczo-
nych metodą statyczną dla różnych wartości krańcowych pola.
Stratność p wyrażoną w W/kg, odniesioną zazwyczaj do temperatury 20C, podaje
się przy określonej wartości amplitudy sinusoidalnie zmiennej indukcji o częstotliwości
f. Najczęściej operuje się wartościami p1,0 i p1,5, tj. stratnościami w przypadkach takiego
wysterowania przebiegu dynamicznej pętli histerezy, w którym uzyskuje się maksymal-
ne wartości indukcji odpowiednio 1,0 i 1,5 T2.
Do wielkości charakteryzujących materiały magnetycznie miękkie należą również:
- przenikalność początkowa p , odpowiadająca początkowemu odcinkowi krzy-
wej magnesowania pierwotnego przy H ≈ 0,
2 T (Tesla) – jednostka indukcji magnetycznej B

15. 15
- przenikalność maksymalna max określona stosunkiem indukcji do natężenia pola
w punkcie styczności prostej wyprowadzonej z początku układu współrzędnych
(B, H) i krzywej magnesowania pierwotnego.
Rysunek 23. Pętla histerezy z oznaczeniem przenikalności początkowej i maksymalnej
Źródło: Opracowanie własne
Materiały magnetycznie twarde charakteryzuje krzywa odmagnesowania (frag-
ment pętli histerezy zawarty w II ćwiartce układu współrzędnych), jak np. krzywa 1.
W materiałach informacyjnych zamiast przebiegu krzywej nieraz są podawane wartości
parametrów materiału odpowiadające trzem punktom leżącym na krzywej odmagneso-
wania: Br, Hk oraz punktowi A o współrzędnych Bd i Hd. Trzeciemu wymienionemu
punktowi odpowiada największa wartość iloczynu indukcji i natężenia pola magnetycz-
nego (BH)max na krzywej iloczynu BH (krzywa 2). Spotyka się czasem również wartość
natężenia koercyjnego polaryzacji HcJ, tzn. wartość natężenia pola odmagnesowującego,
przy którym polaryzacja próbki magnesu uprzednio namagnesowanego do stanu nasy-
cenia jest równa zeru.

16. 16
Rysunek 24. Pętla histerezy
Źródło: Opracowanie własne
Materiały łatwo, ale nietrwale polaryzujące się (magnesujące) pod wpływem dzia-
łania zewnętrznego pola magnetycznego noszą nazwę materiałów magnetycznie mięk-
kich. Gdy stan namagnesowania wymaga dużego wydatku energetycznego, lecz jest
trwały, mowa jest o materiałach magnetycznie twardych. W praktyce – w zależności od
rodzaju materiału magnetycznego – korzysta się tylko z jednego z dwóch charaktery-
stycznych fragmentów pętli histerezy, wyznaczanych na próbkach materiału.
W przypadku materiału magnetycznie miękkiego jest to fragment 1 pętli, zwany
krzywą (charakterystyką) magnesowania pierwotnego, a dla materiału magnetycznie
twardego – fragment 2 pętli, zwany krzywą (charakterystyką) odmagnesowania. Krzywe
magnesowania pierwotnego zamieszczane w katalogach materiałów są zwykle krzywy-
mi magnesowania statycznego, czyli są wyznaczane przy wolnych zmianach natężenia
pola magnetycznego. Przy szybkich zmianach natężenia pola uzyskuje się zmianę prze-
biegu krzywej w stosunku do krzywej magnesowania statycznego. W przypadku mate-
riałów magnetycznie miękkich, wraz ze wzrostem szybkości zmian pola magnesującego,
następuje rozszerzanie pętli histerezy, co jest równoznaczne wzrostowi strat na magne-
sowanie. W niektórych materiałach magnetycznie twardych przy szybkościach powyżej
pewnych wartości, można w ogóle nie uzyskać stanu pełnego namagnesowania materia-
łu. W materiałach o dużej konduktywności przy dużych szybkościach zmian pola będą
występowały prądy wirowe wytwarzające własne pole, przeciwdziałające polu magne-
sującemu. Krzywa o przebiegu zmienionym w wyniku zwiększenia szybkości zmian pola
nazywa się krzywą magnesowania dynamicznego. Aby uzyskać krzywą pierwotnego
magnesowania, na ogół potrzebne jest rozpoczęcie procesu od stanu pełnego rozmagne-
sowania próbki. Praktycznie, magnesowanie może być poprzedzone rozmagnesowa-
niem cieplnym lub rozmagnesowaniem w polu przemiennym o malejącej amplitudzie.
Za stan rozmagnesowania cieplnego uważa się stan uzyskany w wyniku powolnego ob-
niżenia temperatury próbki od temperatury nieco powyżej punktu Curie do temperatu-
ry otoczenia przy braku zewnętrznego pola magnetycznego.
Przebiegi wymienionych wyżej dwóch fragmentów pętli histerezy odgrywają istotną
rolę w ocenie właściwości materiałów magnetycznych. Przyjęcie kilku charakterystycz-

17. 17
nych punktów na krzywych 1 i 2 umożliwia dokonywanie podziału materiałów magne-
tycznych na grupy oraz ułatwia sprecyzowanie wymagań dotyczących pożądanych war-
tości parametrów, a w konsekwencji prowadzi do normalizacji zarówno w zakresie pa-
rametrów, jak i metod pomiarowych.
Rozpatrując górną połówkę pętli histerezy, można wyróżnić co najmniej trzy ważne
punkty leżące na obu fragmentach krzywych. Charakteryzują one:
- indukcję nasycenia B, występującą w materiale w stanie nasycenia magnetycznego,
- remanencję Br lub inaczej pozostałość magnetyczną – czyli indukcję szczątkową
materiału wyprowadzonego ze stanu nasycenia w wyniku monotonicznego
zmniejszania pola magnetycznego,
- natężenie powściągające, zwane koercją Hk, czyli natężenie pola magnetycznego,
przy którym indukcja jest równa zeru.
Bibliografia:
1. Goźlińska E. (2013) Maszyny elektryczne. WSIP
2. Latek W. (1978) Zarys maszyn elektrycznych, WNT
3. Praca zbiorowa (1978) Maszyny i napęd elektryczny. WSiP
4. Praca zbiorowa (1995) Poradnik inżyniera elektryka. WNT
5. Latek W. (1994) Maszyny elektryczne w pytaniach i odpowiedziach. WNT
6. Kotlarski W., Grand J. (2012) Aparaty i urządzenia elektryczne. WSIP