Mechanical Engineering

A great deal of information can be learned about the magnetic properties of a material by studying its  hysteresis  loop.  A  hysteresis  loop  shows  the relationship  between  the induced magnetic flux density (B) and the magnetizing force (H). It is often referred to as the B-H loop. An example hysteresis loop is shown below. The loop is generated by measuring the magnetic flux of a ferromagnetic material while the magnetizing force is changed. A ferromagnetic material that has never been previously magnetized or has been thoroughly demagnetized will follow the dashed line as H is increased. As the line demonstrates, the greater the amount of current applied (H+), the stronger the magnetic field in the component (B+). At point "a" almost all of the magnetic domains are aligned and an additional increase in the magnetizing force will produce very little increase in magnetic flux. The material has reached the point of magnetic saturation. When H is reduced to zero, the curve will move from point "a" to point "b." At this point, it can be seen that some magnetic flux remains in the material even though the magnetizing force is zero. This is referred to as the point of retentivity on the graph and indicates the remanence or level of residual magnetism in the material. (Some of the magnetic domains remain aligned but some…

Any ferromagnetic or ferromagnetic material that is at a temperature below Tc is composed of small-volume regions in which there is a mutual alignment in the same direction of all magnetic dipole moments. Such a region is called a domain, and each one is magnetized to its saturation magnetization. Adjacent domains are separated by domain boundaries or walls across which the direction of magnetization gradually changes. Normally, domains are microscopic in size and for a polycrystalline specimen, each grain may consist of a single domain. Thus, in a microscopic piece  of  material,  there  will  be  large  number  of  domains  and  all  may  have  different magnetization orientations

Temperature can also influence the magnetic characteristics of materials. The atomic magnetic moments are free to rotate, hence with rising temperature, the increased thermal motion of the atoms tends to randomize the directions of any moments that may be aligned. For ferromagnetic, antiferromagentic and ferrimagentic materials, the atomic thermal motions counteract  the coupling  forces  between  the  adjacent  atomic dipole moments,  causing some dipole misalignment, regardless of whether an external field is present. The result is a decrease in the saturation magnetization for both ferro and ferrimagnets. The saturation magnetization is a maximum at ) K, at which temperature the thermal vibrations are a minimum. With increasing temperature, the saturation magnetization diminishes gradually and then abruptly drops to zero at what is called the curie temperature Tc. The magnitude of the curie temparature varies from material to material; for example, for iron, cobalt, nickel., the respective values are 768,1120,335 and  585  degree  Celsius.  Antiferromagnetism  is  also  affected  by temperature;  this  behavior vanishes at what is called the Neel temperature. At temperatures above this point, antiferromagnteic materials also…

Soft magnetic materials are those materials that are easily magnetised and demagnetised. They typically have intrinsic coercivity less than 1000 Am-1. They are used primarily to enhance and/or channel the flux produced by an electric current. The main parameter, often used as a figure of merit for soft magnetic materials, is the relative permeability ( mr, where mr = B/moH), which is a measure of how readily the material responds to the applied magnetic field. The other main parameters of interest are the coercivity, the saturation magnetisation and the electrical conductivity.

Hard magnets, also referred to as permanent magnets, are magnetic materials that retain their magnetism after being magnetised. Practically, this means materials that have an intrinsic coercivity of greater than ~10kAm-1. It is believed that permanent magnets have been used for compasses by the Chinese since ~2500BC. However, it was only in the early twentieth century that high carbon steels and then tungsten / chromium containing steels replaced lodestone as the best available permanent magnet material. These magnets were permanent magnets due to the pinning of domain walls by dislocations and inclusions. The movement of dislocations within a material is often hindered by the same factors that effect the motion of domain walls and as a consequence these steels are mechanically very hard and are the origin of the term hard magnetic. These magnets had an energy product of approximately 8kJm-

This phenomenon of magnetic moment coupling between adjacent atoms or ions occurs in materials other than those that are ferromagnetic. In one such group, this coupling results in an antiparallel alignment; the alignment of the spin moments of neighbouring atoms or ions in exactly opposite directions is termed antiferromagentism. Manganese Oxide (MnO) is one such material that displays this behavior. Manganese oxide is a ceramic material that is ionic in character, having both Mn and O ions. No net magnetic moment is associated with O ions, since there is a total cancellation of both spin and orbital moments. However, the Mn ions possesses s nrt magnetic moment that is Material predominantly of spin origin. These Mn ions are arrayed in the crystal structure such that the moments of adjacent ions are antiparallel. Obvioulsy, the opposing magnetic moments cancel one another and as a consequence, the solid as a whole possesses no net magnetic moment.

Certain metallic materials possess a permanent magnetic moment in the absence of an external field, and manifest very large and permanent magnetizations. These are the characteristics of ferromagnetism, and they are displayed by the transition metals iron, cobalt, nickel, and some of the rare  earth  metals.  Permanent  magnetic moments  in  ferromagnetic  materials  result  from atomic magnetic moments due to electron spinuncancelled electron spins as a consequence of the electron  structure.  There is  also  an  orbital  magnetic  moments  contribution  that  is  small  in comparison to the spin moment. Furthermore, in a ferromagnetic material, coupling interactions cause net spin magnetic moments of adjacent atoms to align with one another, even in the absence of an external field. The maximum possible magnetization or saturation magnetization Ms of a ferromagnetic material represents the magnetization that results when all the magnetic diploes in a solid piece are mutually aligned with the external field; there is also a corresponding saturation flux density Bs. Iron, nickel, and cobalt are examples of ferromagnetic materials.

Diamagnetism is a very weak form of magnetism that is nonpermanent and persists only while an external field is being applied. It is induced by a change in the orbital motion of electrons due to an applied magnetic field. The magnitude of the induced magnetic moment is extremely small and in a direction opposite to that of the applied field. Most elements in the periodic table, including copper, silver, and gold, are diamagnetic. Paramagnetic material is one whose atoms do have permanent dipole moments, but the magic of ferromagnetism is not active. If a magnetic field is applied to such a material, the dipole moments try to line up with the magnetic field, but are prevented from becoming perfectly aligned by their random thermal motion. Because the dipoles try to line up with the applied field, the susceptibilities of such materials are positive, but in the absence of the strong ferromagnetic effect, the susceptibilities are rather small, say in the range to . When a paramagnetic material is placed in a strong magnetic field, it becomes a magnet, and as long as the strong magnetic field is present, it will attract and repel other magnets in the usual way. But when the strong magnetic field is removed, the net magnetic alignment is lost as the dipoles relax back to their normal random  motion.   Paramagnetic  materials  include  magnesium,  molybdenum,  lithium,  and tantalum.

Another test term sometimes used is ‘intrinsic dielectric strength’, which is the maximum voltage gradient a homogeneous substance will withstand in a uniform electric field. This shows the ability of an insulating material to resist breakdown, but practical tests produce lower values for a number of reasons: •     Defects, voids, and foreign particles introduced during manufacture which lower the dielectric strength locally, having the effect of reducing the test values as the area tested is increased •     The presence of a stress concentration at the electrode edges or points where the electric field is higher than average. •   Due to the damaging effect of an electric discharge during testing •     Because of dielectric heating, which raises the temperature and lowers the breakdown…

All insulating materials fail at some level of applied voltage, and ‘dielectric strength’ is the voltage  a  material  can  withstand  before breakdown  occurs.  Dielectric  strength  is  measured through the thickness of the material (taking care to avoid surface effects) and is normally expressed  as  a  voltage  gradient  (volts  per  unit  length).  Note  that  the  voltage  gradient  at breakdown is much higher for very thin test pieces (<100µm thick) than for thicker sections. The value of dielectric strength for a specimen is also influenced by its temperature and ambient humidity, by any voids or foreign materials in the specimen, and by the conditions of test, so that it is often difficult to compare data from…