Θεωρητική και πειραματική μελέτη του μαγνητικού ιξώδους

Abstract

The study of magnetic viscosity, ie the slow, time-dependent change in magnetization under a constant applied field and temperature, was and continues to be a constant but difficult goal in the research of magnetic materials. The connection of this phenomenon with those fundamental properties of a material that create its magnetic character, is a part of the science of magnetic materials which is still under investigation.For this purpose, the study of this phenomenon was attempted in this work, both from the theoretical and the experimental standpoint. The goal was to extensively study the widely followed experimental method for measuring the phenomenon, in order to find possible ways for improvements, and the connection of the theoretically predicted natural quantities that characterize a magnetic material, with those obtained experimentally.At first, a complete review of all the experimental efforts that were performed until today concerning the magnetic viscosity is described, along with the results that were derived from these efforts.Next, there is a description of the experimental setup that was used in this work, and of the experimental methodology used both for the characterization of a magnetic material and the measurement of magnetic viscosity. Magnetic viscosity is directly affected by the microstructural properties of the material under study. For this reason, the study was performed on materials that belong to three different ‘families’ of permanent magnets: hexagonal strontium ferrite with rare earth and cobalt substitutions (La0.2Sr0.8Co0.2Fe11.8O19), neodymium-iron-boron (Nd2Fe14B), and a samarium-cobalt compound (Sm[Co0.74Fe0.1Cu0.12Zr0.04]8.5).In all three materials, at first their chemical composition was initially identified, then their structure and microstructure was characterized, following with characterization of their magnetic properties. After their full characterization, the magnetic viscosity measurements were performed, and are presented.Finally, a theoretical model about the magnetic viscosity is described, and the evaluation of the experimental results is attempted, based on the model. The correlation of the results to the model reveals more clues about the magnetization reversal mechanisms in each material.Conclusively, it appears that if the experimental procedure is properly used, the measurement of the magnetic viscosity can be an additional tool in the effort to characterize a magnetic material.

Η μελέτη του φαινομένου του μαγνητικού ιξώδους, δηλαδή της βραδείας χρονικής μεταβολής της μαγνήτισης υπό σταθερό πεδίο και σταθερή θερμοκρασία, αποτελούσε και αποτελεί έναν σταθερό, αλλά και δύσκολο, στόχο της έρευνας πάνω στα μαγνητικά υλικά. Η σύνδεση του φαινομένου με τις θεμελιώδεις ιδιότητες ενός υλικού, που του δίνουν το μαγνητικό του χαρακτήρα, είναι ένα τμήμα της επιστήμης των μαγνητικών υλικών που διερευνάται ακόμα. Για το σκοπό αυτό, αποτολμήθηκε στην εργασία αυτή η μελέτη του φαινομένου τόσο από θεωρητική, όσο και από πειραματική σκοπιά. Σκοπός ήταν, αφενός η εκτεταμένη μελέτη της ευρέως ακολουθούμενης πειραματικής μεθόδου για τη μέτρηση του φαινομένου, προκειμένου να βρεθούν πιθανοί τρόποι βελτίωσής της, αφετέρου η σύνδεση των θεωρητικά προβλεπόμενων φυσικών μεγεθών που χαρακτηρίζουν ένα μαγνητικό υλικό με αυτά που προκύπτουν από το πείραμα.Αρχικά, γίνεται μια πλήρης ανασκόπηση όλων των ερευνητικών προσπαθειών που επιχειρήθηκαν μέχρι σήμερα σχετικά με το μαγνητικό ιξώδες, και των αποτελεσμάτων στα οποία κατέληξαν. Στη συνέχεια, περιγράφεται η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και η πειραματική μεθοδολογία τόσο για το χαρακτηρισμό ενός μαγνητικού υλικού, όσο και για τη μέτρηση του μαγνητικού ιξώδους. Το μαγνητικό ιξώδες επηρεάζεται άμεσα από τις μικροδομικές ιδιότητες του υπό μελέτη υλικού. Για το λόγο αυτό, η μελέτη πραγματοποιήθηκε σε υλικά που ανήκουν σε τρεις διαφορετικές οικογένειες μόνιμων μαγνητών: εξαγωνικό φερρίτη στροντίου με υποκαταστάσεις σπάνιας γαίας και κοβαλτίου (La0.2Sr0.8Co0.2Fe11.8O19), νεοδύμιο-σίδηρο-βόριο (Nd2Fe14B), και μια ένωση σαμαρίου-κοβαλτίου (Sm[Co0.74Fe0.1Cu0.12Zr0.04]8.5).Στα τρία αυτά υλικά ταυτοποιήθηκε αρχικά η χημική τους σύσταση, κατόπιν χαρακτηρίστηκαν ως προς τη δομή και τη μικροδομή τους, και στη συνέχεια ως προς τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Μετά τον πλήρη χαρακτηρισμό τους, πραγματοποιήθηκαν και παρουσιάζονται οι μετρήσεις του μαγνητικού ιξώδους.Τέλος, περιγράφεται ένα θεωρητικό πρότυπο για το φαινόμενο του μαγνητικού ιξώδους, και επιχειρείται η αποτίμηση των πειραματικών αποτελεσμάτων με βάση το πρότυπο. Η συσχέτιση των αποτελεσμάτων αποκαλύπτει επιπλέον στοιχεία σχετικά με τους μηχανισμούς αντιστροφής της μαγνήτισης σε κάθε υλικό.Τελικά, φαίνεται πως αν η πειραματική διαδικασία ακολουθηθεί σωστά, η μέτρηση του μαγνητικού ιξώδους μπορεί να αποτελέσει ένα πρόσθετο εργαλείο στην προσπάθεια χαρακτηρισμού ενός μαγνητικού υλικού.