W dzisiejszych czasach prawie niemożliwe jest znalezienie przemysłu technicznego, który nie wykorzystuje materiałów magnetycznie twardych i magnesów trwałych. Są to akustyka i radioelektronika i komputer i aparatura pomiarowa i automatyka i ciepło i energia elektryczna i budowlana i metalurgia i wszelkiego rodzaju transport i rolnictwo i medycyna i przeróbka rud oraz nawet w kuchni wszystkich jest kuchenka mikrofalowa, która podgrzewa pizzę. Nie sposób wyliczyć wszystkiego, materiały magnetyczne towarzyszą nam na każdym etapie naszego życia. A wszystkie produkty z ich pomocą działają na zupełnie innych zasadach: silniki i generatory mają swoje funkcje, a urządzenia hamulcowe swoje, separator robi jedno, a defektoskop drugie. Prawdopodobnie nie ma pełnej listy urządzeń technicznych, w których stosowane są materiały magnetycznie twarde, jest ich tak dużo.
Co to są systemy magnetyczne
Nasza planeta sama w sobie jest wyjątkowo dobrze naoliwionym systemem magnetycznym. Cała reszta jest zbudowana na tej samej zasadzie. Materiały magnetycznie twarde mają bardzo różnorodne właściwości użytkowe. W katalogach dostawców nie na próżno podaje się nie tylko ich parametry, ale także właściwości fizyczne. Ponadto mogą to być materiały magnetycznie twarde i magnetycznie miękkie. Na przykład weźmy tomografy rezonansowe, w których stosowane są systemy z bardzo jednorodnym polem magnetycznym, i porównajmy je z separatorami, w których pole jest bardzo niejednorodne. Zupełnie inna zasada! Opanowano systemy magnetyczne, w których pole można włączać i wyłączać. Tak zaprojektowano uchwyty. A niektóre systemy zmieniają nawet pole magnetyczne w kosmosie. Są to dobrze znane klistrony i lampy z falą podróżną. Właściwości miękkich i twardych materiałów magnetycznych są naprawdę magiczne. Są jak katalizatory, prawie zawsze działają jako pośrednicy, ale bez najmniejszej utraty własnej energii są w stanie przekształcić cudzą energię, zamieniając jeden gatunek w inny.
Na przykład impuls magnetyczny jest przetwarzany na energię mechaniczną podczas działania sprzęgieł, separatorów i tym podobnych. Energia mechaniczna jest przekształcana za pomocą magnesów w energię elektryczną, jeśli mamy do czynienia z mikrofonami i generatorami. I na odwrót! Na przykład w głośnikach i silnikach magnesy przekształcają energię elektryczną w energię mechaniczną. A to jeszcze nie wszystko. Energię mechaniczną można nawet przekształcić w energię cieplną, podobnie jak system magnetyczny w działaniu kuchenki mikrofalowej lub urządzenia hamującego. Potrafiąmagnetycznie twardych i magnetycznie miękkich materiałów oraz na efektach specjalnych - w czujnikach Halla, w tomografach rezonansu magnetycznego, w komunikacji mikrofalowej. Możesz napisać osobny artykuł o katalitycznym wpływie na procesy chemiczne, jak gradientowe pola magnetyczne w wodzie wpływają na struktury jonów, cząsteczek białek i rozpuszczonych gazów.
Magia od starożytności
Materiał naturalny – magnetyt – był znany ludzkości kilka tysięcy lat temu. W tamtym czasie wszystkie właściwości materiałów magnetycznie twardych nie były jeszcze znane, dlatego nie były one stosowane w urządzeniach technicznych. A urządzeń technicznych jeszcze nie było. Nikt nie wiedział, jak wykonać obliczenia dotyczące działania systemów magnetycznych. Ale wpływ na obiekty biologiczne został już zauważony. Stosowanie twardych materiałów magnetycznych początkowo służyło wyłącznie celom medycznym, dopóki Chińczycy nie wynaleźli kompasu w III wieku p.n.e. Jednak leczenie magnesem nie ustało do dziś, mimo że ciągle toczą się dyskusje na temat szkodliwości takich metod. Szczególnie aktywne jest stosowanie materiałów magnetycznie twardych w medycynie w USA, Chinach i Japonii. A w Rosji są zwolennicy metod alternatywnych, chociaż nie można zmierzyć wielkości wpływu na organizm lub roślinę żadnym instrumentem.
Ale wracając do historii. W Azji Mniejszej, wiele wieków temu, nad brzegami pełnego Meanderu istniało starożytne miasto Magnesia. A dziś możesz odwiedzić jego malownicze ruiny w Turcji. To tam odkryto pierwszą magnetyczną rudę żelaza, której nazwa pochodzi odmiasta. Dość szybko rozprzestrzenił się na całym świecie, a Chińczycy pięć tysięcy lat temu z jego pomocą wynaleźli urządzenie nawigacyjne, które wciąż nie umiera. Teraz ludzkość nauczyła się sztucznie wytwarzać magnesy na skalę przemysłową. Podstawą dla nich są różnorodne ferromagnetyki. Uniwersytet w Tartu dysponuje największym naturalnym magnesem, zdolnym unieść około czterdziestu kilogramów, a sam waży tylko trzynaście. Dzisiejsze proszki wykonane są z kob altu, żelaza i różnych innych dodatków, utrzymują ładunki pięć tysięcy razy więcej niż same ważą.
Pętla histerezy
Istnieją dwa rodzaje sztucznych magnesów. Pierwszy typ to stałe, które są wykonane z materiałów magnetycznie twardych, ich właściwości nie są w żaden sposób związane z zewnętrznymi źródłami lub prądami. Drugi typ to elektromagnesy. Posiadają rdzeń wykonany z żelaza - magnetycznie miękkiego materiału, a przez uzwojenie tego rdzenia przepływa prąd, który wytwarza pole magnetyczne. Teraz musimy zastanowić się nad zasadami jego pracy. Charakteryzuje właściwości magnetyczne pętli histerezy dla materiałów magnetycznie twardych. Istnieją dość złożone technologie wytwarzania systemów magnetycznych, dlatego potrzebne są informacje na temat namagnesowania, przepuszczalności magnetycznej i strat energii w przypadku odwrócenia namagnesowania. Jeśli zmiana natężenia jest cykliczna, krzywa przemagnesowania (zmiany indukcji) zawsze będzie wyglądać jak krzywa zamknięta. To jest pętla histerezy. Jeśli pole jest słabe, pętla przypomina bardziej elipsę.
Kiedy napięciepole magnetyczne wzrasta, uzyskuje się całą serię takich pętli, zamkniętych w sobie. W procesie magnetyzacji wszystkie wektory są zorientowane wzdłuż, a na koniec nastąpi stan nasycenia technicznego, materiał zostanie całkowicie namagnesowany. Pętla uzyskana podczas nasycenia nazywana jest pętlą graniczną, pokazuje maksymalną osiągniętą wartość indukcji Bs (indukcja nasycenia). Gdy napięcie spada, pozostaje indukcja szczątkowa. Obszar pętli histerezy w stanach granicznych i pośrednich pokazuje rozproszenie energii, czyli utratę histerezy. Zależy to przede wszystkim od częstotliwości odwrócenia namagnesowania, właściwości materiału i wymiarów geometrycznych. Pętla histerezy granicznej może wyznaczyć następujące właściwości materiałów magnetycznie twardych: indukcję nasycenia Bs, indukcję szczątkową Bc oraz siłę koercji Hc.
Krzywa namagnesowania
Ta krzywa jest najważniejszą charakterystyką, ponieważ pokazuje zależność namagnesowania od natężenia pola zewnętrznego. Indukcja magnetyczna jest mierzona w Tesli i jest związana z namagnesowaniem. Krzywa przełączania jest najważniejsza, jest to położenie pików na pętlach histerezy, które uzyskuje się podczas cyklicznego przemagnesowania. Odzwierciedla to zmianę indukcji magnetycznej, która zależy od natężenia pola. Gdy obwód magnetyczny jest zamknięty, natężenie pola odzwierciedlone w postaci toroidu jest równe sile pola zewnętrznego. Jeśli obwód magnetyczny jest otwarty, na końcach magnesu pojawiają się bieguny, które powodują rozmagnesowanie. Różnica pomiędzyte naprężenia determinują wewnętrzne napięcie materiału.
Na głównej krzywej znajdują się charakterystyczne odcinki, które wyróżniają się, gdy pojedynczy kryształ ferromagnesu jest namagnesowany. W pierwszej części przedstawiono proces przesuwania granic niekorzystnie dostrojonych domen, w drugiej wektory namagnesowania kierują się w stronę zewnętrznego pola magnetycznego. Trzecia sekcja to paraproces, ostatni etap namagnesowania, tutaj pole magnetyczne jest silne i ukierunkowane. Zastosowanie miękkich i twardych materiałów magnetycznych zależy w dużej mierze od charakterystyk uzyskanych z krzywej namagnesowania.
Przepuszczalność i straty energii
Aby scharakteryzować zachowanie się materiału w polu naprężeń, konieczne jest zastosowanie pojęcia bezwzględnej przenikalności magnetycznej. Istnieją definicje przenikalności magnetycznej impulsowej, różnicowej, maksymalnej, początkowej, normalnej. Względny jest śledzony wzdłuż głównej krzywej, więc ta definicja nie jest używana - dla uproszczenia. Przepuszczalność magnetyczna w warunkach, gdy H=0 nazywamy początkowym i można ją określić tylko w słabych polach, do około 0,1 jednostki. Przeciwnie, maksimum charakteryzuje najwyższą przepuszczalność magnetyczną. Wartości normalne i maksymalne dają możliwość obserwowania normalnego przebiegu procesu w każdym konkretnym przypadku. W obszarze nasycenia w silnych polach przepuszczalność magnetyczna zawsze dąży do jedności. Wszystkie te wartości są niezbędne do zastosowania twardego magnesumateriałów, zawsze ich używaj.
Strata energii podczas odwrócenia magnetyzacji jest nieodwracalna. Energia elektryczna uwalniana jest w materiale w postaci ciepła, a na jej straty składają się straty dynamiczne i straty histerezy. Te ostatnie uzyskuje się poprzez przemieszczenie ścianek domen, gdy proces magnetyzacji dopiero się rozpoczyna. Ponieważ materiał magnetyczny ma niejednorodną strukturę, energia jest z konieczności zużywana na wyrównanie ścian domen. A straty dynamiczne uzyskuje się w związku z prądami wirowymi, które występują w momencie zmiany siły i kierunku pola magnetycznego. Energia jest rozpraszana w ten sam sposób. A straty spowodowane prądami wirowymi przewyższają nawet straty histerezy przy wysokich częstotliwościach. Uzyskuje się również straty dynamiczne z powodu szczątkowych zmian stanu pola magnetycznego po zmianie natężenia. Wielkość strat następczych zależy od składu, od obróbki cieplnej materiału, pojawiają się one zwłaszcza przy wysokich częstotliwościach. Skutkiem tego jest lepkość magnetyczna, a straty te są zawsze brane pod uwagę, jeśli ferromagnesy są używane w trybie impulsowym.
Klasyfikacja materiałów magnetycznie twardych
Terminy mówiące o miękkości i twardości w ogóle nie mają zastosowania do właściwości mechanicznych. Wiele twardych materiałów jest w rzeczywistości magnetycznie miękkich, a z mechanicznego punktu widzenia miękkie materiały są również dość twarde magnetycznie. Proces namagnesowania w obu grupach materiałów przebiega w ten sam sposób. Najpierw granice domen są przesunięte, a następnie rozpoczyna się rotacja ww kierunku coraz bardziej magnetyzującego pola i wreszcie zaczyna się paraproces. I tu właśnie pojawia się różnica. Krzywa magnetyzacji pokazuje, że łatwiej jest przesuwać granice, zużywa się mniej energii, ale proces rotacji i paraproces są bardziej energochłonne. Miękkie materiały magnetyczne są namagnesowane przez przesunięcie granic. Twardy magnetyczny - dzięki rotacji i paraprocesowi.
Kształt pętli histerezy jest w przybliżeniu taki sam dla obu grup materiałów, nasycenie i indukcja resztkowa są również bliskie sobie, ale różnica występuje w sile koercji i jest bardzo duża. Materiały magnetycznie twarde mają Hc=800 kA-m, podczas gdy materiały magnetycznie miękkie mają tylko 0,4 A-m. W sumie różnica jest ogromna: 2106 razy. Dlatego w oparciu o te cechy przyjęto taki podział. Chociaż trzeba przyznać, że jest to raczej warunkowe. Miękkie materiały magnetyczne mogą nasycać się nawet w słabym polu magnetycznym. Są używane w polach o niskiej częstotliwości. Na przykład w urządzeniach z pamięcią magnetyczną. Materiały magnetycznie twarde są trudne do namagnesowania, ale zachowują namagnesowanie przez bardzo długi czas. To z nich uzyskuje się dobre magnesy trwałe. Obszary zastosowań materiałów magnetyczno-twardych są liczne i rozległe, niektóre z nich wymieniono na początku artykułu. Jest jeszcze inna grupa - materiały magnetyczne do celów specjalnych, ich zakres jest bardzo wąski.
Szczegóły twardości
Jak już wspomniano, materiały magnetycznie twarde mają szeroką pętlę histerezy i dużą siłę koercji oraz niską przenikalność magnetyczną. Charakteryzują się maksymalną jednostkową energią magnetyczną wydzielaną wprzestrzeń. A im „twardszy” materiał magnetyczny, tym wyższa jego wytrzymałość, tym mniejsza przepuszczalność. W ocenie jakości materiału najważniejszą rolę odgrywa właściwa energia magnetyczna. Magnes trwały praktycznie nie oddaje energii w przestrzeń kosmiczną przy zamkniętym obwodzie magnetycznym, ponieważ wszystkie linie sił znajdują się wewnątrz rdzenia, a poza nim nie ma pola magnetycznego. Aby maksymalnie wykorzystać energię magnesów trwałych, wewnątrz zamkniętego obwodu magnetycznego tworzy się szczelina powietrzna o ściśle określonej wielkości i konfiguracji.
Z biegiem czasu magnes "starze się", jego strumień magnetyczny zmniejsza się. Jednak takie starzenie się może być zarówno nieodwracalne, jak i odwracalne. W tym ostatnim przypadku przyczyną jej starzenia są wstrząsy, wstrząsy, wahania temperatury, stałe pola zewnętrzne. Indukcja magnetyczna jest zmniejszona. Ale można go ponownie namagnesować, przywracając w ten sposób jego doskonałe właściwości. Ale jeśli magnes trwały przeszedł jakiekolwiek zmiany strukturalne, ponowne namagnesowanie nie pomoże, starzenie się nie zostanie wyeliminowane. Ale służą przez długi czas, a przeznaczenie twardych materiałów magnetycznych jest świetne. Przykłady są dosłownie wszędzie. To nie tylko magnesy trwałe. To materiał do przechowywania informacji, do ich nagrywania – zarówno dźwiękowego, jak i cyfrowego oraz wideo. Ale powyższe to tylko niewielka część zastosowania twardych materiałów magnetycznych.
Odlewanie twardych materiałów magnetycznych
Zgodnie z metodą produkcji i składem, materiały magnetycznie twarde mogą być odlewane, proszkowane i inne. Oparte są na stopach.żelazo, nikiel, aluminium i żelazo, nikiel, kob alt. Te kompozycje są najbardziej podstawowe, aby uzyskać magnes trwały. Należą do precyzji, ponieważ o ich liczbie decydują najsurowsze czynniki technologiczne. Odlewane materiały magnetycznie twarde uzyskuje się podczas utwardzania wydzieleniowego stopu, gdzie chłodzenie następuje z obliczoną szybkością od topienia do początku rozkładu, który zachodzi w dwóch fazach.
Pierwszy - gdy skład jest zbliżony do czystego żelaza o wyraźnych właściwościach magnetycznych. Jakby pojawiły się płyty o grubości pojedynczej domeny. A druga faza jest bliższa składowi związku międzymetalicznego, w którym nikiel i aluminium mają niskie właściwości magnetyczne. Okazuje się układ, w którym faza niemagnetyczna jest połączona z silnie magnetycznymi wtrąceniami o dużej sile koercji. Ale ten stop nie ma wystarczająco dobrych właściwości magnetycznych. Najpopularniejszy jest inny skład, stopowy: żelazo, nikiel, aluminium i miedź z kob altem do stopowania. Stopy bezkob altowe mają niższe właściwości magnetyczne, ale są znacznie tańsze.
Materiały magnetycznie twarde w proszku
Materiały proszkowe są używane do produkcji miniaturowych, ale złożonych magnesów trwałych. Są metalowo-ceramiczne, metalowo-plastikowe, tlenkowe i mikroproszkowe. Cermet jest szczególnie dobry. Pod względem właściwości magnetycznych jest nieco gorszy od odlewanych, ale nieco droższy od nich. Magnesy ceramiczno-metalowe powstają poprzez prasowanie proszków metali bez materiału wiążącego i spiekanie ich w bardzo wysokich temperaturach. Stosowane są proszkize stopami opisanymi powyżej, a także na bazie platyny i metali ziem rzadkich.
Pod względem wytrzymałości mechanicznej metalurgia proszków przewyższa odlewanie, ale właściwości magnetyczne magnesów metalowo-ceramicznych są nadal nieco niższe niż magnesów odlewanych. Magnesy na bazie platyny mają bardzo wysokie wartości siły koercji, a parametry są bardzo stabilne. Stopy z uranem i metalami ziem rzadkich mają rekordowe wartości maksymalnej energii magnetycznej: wartość graniczna wynosi 112 kJ na metr kwadratowy. Stopy takie uzyskuje się przez prasowanie na zimno proszku do najwyższego stopnia gęstości, następnie brykiety spiekane są w obecności fazy ciekłej i odlewane z kompozycji wieloskładnikowej. Niemożliwe jest mieszanie składników w takim stopniu przez proste odlewanie.
Inne twarde materiały magnetyczne
Materiały magnetycznie twarde obejmują również te o wysoce specjalistycznym przeznaczeniu. Są to magnesy elastyczne, stopy odkształcalne plastycznie, materiały na nośniki informacji oraz magnesy płynne. Magnesy odkształcalne posiadają doskonałe właściwości plastyczne, doskonale nadają się do wszelkiego rodzaju obróbki mechanicznej - tłoczenie, cięcie, obróbka skrawaniem. Ale te magnesy są drogie. Magnesy Kunife wykonane z miedzi, niklu i żelaza są anizotropowe, to znaczy są namagnesowane w kierunku walcowania, stosowane są w postaci tłoczenia i drutu. Magnesy Vikalloy wykonane z kob altu i wanadu wykonane są w postaci taśmy magnetycznej o wysokiej wytrzymałości, a także drutu. Ta kompozycja jest dobra dla bardzo małych magnesów o najbardziej złożonej konfiguracji.
Elastyczne magnesy - na gumowej podstawie, w którejWypełniacz jest drobnym proszkiem twardego materiału magnetycznego. Najczęściej jest to ferryt baru. Ta metoda pozwala uzyskać produkty o absolutnie dowolnym kształcie o wysokiej produktywności. Są również doskonale cięte nożyczkami, wyginane, tłoczone, skręcane. Są znacznie tańsze. Guma magnetyczna jest używana jako arkusze pamięci magnetycznej do komputerów, w telewizji, do systemów korekcyjnych. Materiały magnetyczne jako nośniki informacji spełniają wiele wymagań. Jest to indukcja szczątkowa wysokiego poziomu, niewielki efekt samorozmagnesowania (w przeciwnym razie informacja zostanie utracona), duża wartość siły przymusu. Aby ułatwić proces wymazywania rekordów, wystarczy niewielka ilość tej siły, ale ta sprzeczność jest usuwana za pomocą technologii.
