I dag er det nesten umulig å finne en teknisk industri som ikke bruker harde magnetiske materialer og permanente magneter. Dette er akustikk, og radioelektronikk, og datamaskin, og måleutstyr, og automasjon, og varme og kraft, og elektrisk kraft, og konstruksjon, og metallurgi, og enhver form for transport, og landbruk, og medisin, og malmforedling, og selv på kjøkkenet til alle er det en mikrobølgeovn, den varmer opp pizzaen. Det er umulig å telle opp alt, magnetiske materialer følger oss på hvert trinn i livet vårt. Og alle produkter med deres hjelp fungerer i henhold til helt andre prinsipper: motorer og generatorer har sine egne funksjoner, og bremseanordninger har sine egne, separatoren gjør en ting, og feildetektoren gjør en annen. Sannsynligvis er det ingen fullstendig liste over tekniske enheter der harde magnetiske materialer brukes, det er så mange av dem.
Hva er magnetiske systemer
Planeten vår i seg selv er et usedvanlig velsmurt magnetsystem. Alle de andre er bygget etter samme prinsipp. Harde magnetiske materialer har svært forskjellige funksjonelle egenskaper. I leverandørkatalogene er det ikke forgjeves at ikke bare parameterne deres er gitt, men også fysiske egenskaper. I tillegg kan det være magnetisk harde og magnetisk myke materialer. Ta for eksempel resonante tomografer, der systemer med et svært jevnt magnetfelt brukes, og sammenlign med separatorer, hvor feltet er kraftig inhomogent. Et helt annet prinsipp! Magnetiske systemer er mestret, hvor feltet kan slås av og på. Det er slik grep er utformet. Og noen systemer endrer til og med magnetfeltet i rommet. Dette er velkjente klystroner og vandrende bølgelamper. Egenskapene til myke og harde magnetiske materialer er virkelig magiske. De er som katalysatorer, de fungerer nesten alltid som mellomledd, men uten det minste tap av sin egen energi, er de i stand til å forvandle andres og forvandle en art til en annen.
For eksempel omdannes en magnetisk impuls til mekanisk energi ved drift av koplinger, separatorer og lignende. Mekanisk energi omdannes ved hjelp av magneter til elektrisk energi, hvis vi har med mikrofoner og generatorer å gjøre. Og omvendt skjer! I høyttalere og motorer omdanner magneter for eksempel elektrisitet til mekanisk energi. Og det er ikke alt. Mekanisk energi kan til og med omdannes til termisk energi, det samme gjør magnetsystemet ved drift av en mikrobølgeovn eller i en bremseanordning. Er i stand tilmagnetisk harde og magnetisk myke materialer og på spesialeffekter - i Hall-sensorer, i magnetiske resonanstomografier, i mikrobølgekommunikasjon. Du kan skrive en egen artikkel om den katalytiske effekten på kjemiske prosesser, hvordan gradientmagnetiske felt i vann påvirker strukturene til ioner, proteinmolekyler og oppløste gasser.
Magi fra antikken
Naturlig materiale - magnetitt - var kjent for menneskeheten for flere årtusener siden. På den tiden var alle egenskapene til harde magnetiske materialer ennå ikke kjent, og derfor ble de ikke brukt i tekniske enheter. Og det var ingen tekniske innretninger ennå. Ingen visste hvordan man gjorde beregninger for driften av magnetiske systemer. Men påvirkningen på biologiske objekter har allerede blitt lagt merke til. Bruken av harde magnetiske materialer gikk først utelukkende til medisinske formål, inntil kineserne oppfant kompasset i det tredje århundre f. Kr. Behandling med magnet har imidlertid ikke stoppet før i dag, selv om det er stadige diskusjoner om skadeligheten av slike metoder. Bruken av harde magnetiske materialer i medisin i USA, Kina og Japan er spesielt aktiv. Og i Russland er det tilhengere av alternative metoder, selv om det er umulig å måle omfanget av virkningen på kroppen eller planten med noe instrument.
Men tilbake til historien. I Lilleasia, for mange århundrer siden, eksisterte den gamle byen Magnesia allerede ved bredden av den fullflytende Meander. Og i dag kan du besøke de pittoreske ruinene i Tyrkia. Det var der den første magnetiske jernmalmen ble oppdaget, som ble oppk alt etterbyer. Ganske raskt spredte den seg over hele verden, og kineserne for fem tusen år siden, med dens hjelp, oppfant en navigasjonsenhet som fortsatt ikke dør. Nå har menneskeheten lært å produsere magneter kunstig i industriell skala. Grunnlaget for dem er en rekke ferromagneter. Universitetet i Tartu har den største naturlige magneten, som er i stand til å løfte rundt førti kilo, mens den selv veier bare tretten. Dagens pulver er laget av kobolt, jern og diverse andre tilsetningsstoffer, de holder belastninger fem tusen ganger mer enn de veier.
Hysterese loop
Det finnes to typer kunstige magneter. Den første typen er konstanter, som er laget av harde magnetiske materialer, deres egenskaper er på ingen måte forbundet med eksterne kilder eller strømmer. Den andre typen er elektromagneter. De har en kjerne laget av jern - et magnetisk mykt materiale, og en strøm går gjennom viklingen av denne kjernen, som skaper et magnetfelt. Nå må vi vurdere prinsippene for arbeidet. Karakteriserer de magnetiske egenskapene til hysteresesløyfen for harde magnetiske materialer. Det er ganske komplekse teknologier for produksjon av magnetiske systemer, og derfor er det nødvendig med informasjon om magnetisering, magnetisk permeabilitet og energitap når magnetiseringsreversering skjer. Hvis endringen i intensitet er syklisk, vil remagnetiseringskurven (endringer i induksjon) alltid se ut som en lukket kurve. Dette er hysteresesløyfen. Hvis feltet er svakt, er løkken mer som en ellipse.
Når spenningenmagnetfeltet øker, en hel serie slike løkker oppnås, innelukket i hverandre. I prosessen med magnetisering er alle vektorer orientert langs, og på slutten vil en tilstand av teknisk metning komme, materialet vil bli fullstendig magnetisert. Sløyfen som oppnås under metning kalles grensesløyfen, den viser den maksim alt oppnådde verdien av induksjonen Bs (metningsinduksjon). Når spenningen avtar, gjenstår gjenværende induksjon. Arealet av hystereseløkkene i grense- og mellomtilstand viser energispredningen, det vil si hysteresetapet. Det avhenger mest av alt av magnetiseringens reverseringsfrekvens, materialegenskaper og geometriske dimensjoner. Den begrensende hysteresesløyfen kan bestemme følgende egenskaper for harde magnetiske materialer: metningsinduksjon Bs, restinduksjon Bc og tvangskraft Hc.
magnetiseringskurve
Denne kurven er den viktigste egenskapen, fordi den viser avhengigheten av magnetiseringen og styrken til det ytre feltet. Magnetisk induksjon måles i Tesla og er relatert til magnetisering. Byttekurven er den viktigste, det er plasseringen av toppene på hystereseløkkene, som oppnås under den sykliske remagnetiseringen. Dette gjenspeiler endringen i magnetisk induksjon, som avhenger av feltstyrken. Når den magnetiske kretsen er lukket, er feltstyrken reflektert i form av en toroid lik den eksterne feltstyrken. Hvis den magnetiske kretsen er åpen, vises poler i endene av magneten, som skaper avmagnetisering. Forskjell mellomdisse spenningene bestemmer den indre spenningen til materialet.
Det er karakteristiske seksjoner på hovedkurven som skiller seg ut når en enkelt krystall av en ferromagnet magnetiseres. Den første delen viser prosessen med å forskyve grensene for ugunstig innstilte domener, og i den andre vender magnetiseringsvektorene mot det eksterne magnetfeltet. Den tredje delen er paraprosessen, det siste stadiet av magnetisering, her er magnetfeltet sterkt og rettet. Bruken av myke og harde magnetiske materialer avhenger i stor grad av egenskapene som oppnås fra magnetiseringskurven.
Permeabilitet og energitap
For å karakterisere oppførselen til et materiale i et spenningsfelt, er det nødvendig å bruke et slikt konsept som absolutt magnetisk permeabilitet. Det er definisjoner av impuls, differensial, maksimal, initial, normal magnetisk permeabilitet. Slektningen spores langs hovedkurven, så denne definisjonen brukes ikke - for enkelhets skyld. Magnetisk permeabilitet under forhold når H=0 kalles initial, og den kan kun bestemmes i svake felt, opptil ca. 0,1 enheter. Maksimumet, tvert imot, karakteriserer den høyeste magnetiske permeabiliteten. De normale og maksimale verdiene gir en mulighet til å observere det normale forløpet av prosessen i hvert enkelt tilfelle. I metningsområdet i sterke felt tenderer den magnetiske permeabiliteten alltid til enhet. Alle disse verdiene er nødvendige for bruk av hard magnetiskmaterialer, bruk dem alltid.
Energitap under magnetiseringsreversering er irreversibelt. Elektrisitet frigjøres i materialet som varme, og tapene består av dynamiske tap og hysterese-tap. Sistnevnte oppnås ved å forskyve domeneveggene når magnetiseringsprosessen så vidt begynner. Siden det magnetiske materialet har en inhomogen struktur, blir energi nødvendigvis brukt på innrettingen av domeneveggene. Og dynamiske tap oppnås i forbindelse med virvelstrømmer som oppstår i øyeblikket med å endre styrken og retningen til magnetfeltet. Energi spres på samme måte. Og tapene på grunn av virvelstrømmer overstiger til og med hysteresetapene ved høye frekvenser. Dynamiske tap oppnås også på grunn av gjenværende endringer i tilstanden til magnetfeltet etter at intensiteten har endret seg. Mengden av ettervirkningstap avhenger av sammensetningen, av varmebehandlingen av materialet, de vises spesielt ved høye frekvenser. Ettervirkningen er den magnetiske viskositeten, og disse tapene tas alltid i betraktning hvis ferromagneter brukes i pulsmodus.
Klassifisering av harde magnetiske materialer
Begrepene som snakker om mykhet og hardhet gjelder ikke for mekaniske egenskaper i det hele tatt. Mange harde materialer er faktisk magnetisk myke, og fra et mekanisk synspunkt er myke materialer også ganske hardmagnetiske. Magnetiseringsprosessen i begge materialgruppene skjer på samme måte. Først forskyves domenegrensene, deretter begynner rotasjonen ii retning av et stadig mer magnetiserende felt, og til slutt begynner paraprosessen. Og det er her forskjellen kommer inn. Magnetiseringskurven viser at det er lettere å flytte grensene, det brukes mindre energi, men rotasjonsprosessen og paraprosessen er mer energikrevende. Myke magnetiske materialer magnetiseres ved forskyvning av grenser. Hard magnetisk - på grunn av rotasjon og paraprosess.
Formen på hysteresesløyfen er omtrent lik for begge materialgruppene, metning og restinduksjon er også nær like, men forskjellen eksisterer i tvangskraften, og den er veldig stor. Harde magnetiske materialer har Hc=800 kA-m, mens myke magnetiske materialer kun har 0,4 A-m. Tot alt er forskjellen enorm: 2106 ganger. Det er derfor, basert på disse egenskapene, ble en slik inndeling vedtatt. Selv om det må innrømmes at det er ganske betinget. Myke magnetiske materialer kan mette selv i et svakt magnetfelt. De brukes i lavfrekvente felt. For eksempel i magnetiske minneenheter. Harde magnetiske materialer er vanskelige å magnetisere, men de beholder magnetiseringen i svært lang tid. Det er fra dem gode permanente magneter oppnås. Bruksområdene for harde magnetiske materialer er mange og omfattende, noen av dem er oppført i begynnelsen av artikkelen. Det er en annen gruppe - magnetiske materialer for spesielle formål, deres omfang er veldig sm alt.
Detaljer om hardhet
Som allerede nevnt har harde magnetiske materialer en bred hystereseløkke og stor tvangskraft, lav magnetisk permeabilitet. De er preget av den maksimale spesifikke magnetiske energien som avgis irom. Og jo "hardere" det magnetiske materialet er, jo høyere styrke er det, jo lavere er permeabiliteten. Den spesifikke magnetiske energien får den viktigste rollen i vurderingen av materialets kvalitet. En permanent magnet gir praktisk t alt ikke energi til det ytre rom med en lukket magnetisk krets, fordi alle kraftlinjene er inne i kjernen, og det er ikke noe magnetfelt utenfor den. For å få mest mulig ut av energien til permanente magneter, opprettes et luftgap med en strengt definert størrelse og konfigurasjon inne i en lukket magnetisk krets.
Med tiden "blir magneten gammel", dens magnetiske fluks avtar. Slik aldring kan imidlertid være både irreversibel og reversibel. I sistnevnte tilfelle er årsakene til aldring sjokk, sjokk, temperatursvingninger, konstante ytre felt. Den magnetiske induksjonen reduseres. Men den kan magnetiseres igjen, og dermed gjenopprette dens utmerkede egenskaper. Men hvis den permanente magneten har gjennomgått noen strukturelle endringer, vil re-magnetisering ikke hjelpe, aldring vil ikke bli eliminert. Men de tjener i lang tid, og hensikten med harde magnetiske materialer er stor. Eksempler er bokstavelig t alt over alt. Det er ikke bare permanente magneter. Dette er et materiale for lagring av informasjon, for opptak av det - både lyd, og digit alt, og video. Men det ovenstående er bare en liten del av bruken av harde magnetiske materialer.
Støpte harde magnetiske materialer
I henhold til produksjonsmetoden og sammensetningen kan harde magnetiske materialer støpes, pulver og annet. De er basert på legeringer.jern, nikkel, aluminium og jern, nikkel, kobolt. Disse komposisjonene er de mest grunnleggende for å få en permanent magnet. De tilhører presisjon, siden antallet bestemmes av de strengeste teknologiske faktorene. Støpte harde magnetiske materialer oppnås under nedbørsherding av legeringen, hvor avkjøling skjer med en beregnet hastighet fra smelting til begynnelse av dekomponering, som skjer i to faser.
Den første - når sammensetningen er nær rent jern med utpregede magnetiske egenskaper. Som om plater med enkelt-domene tykkelse vises. Og den andre fasen er nærmere den intermetalliske forbindelsen i sammensetning, der nikkel og aluminium har lave magnetiske egenskaper. Det viser seg et system hvor den ikke-magnetiske fasen er kombinert med sterkt magnetiske inneslutninger med stor tvangskraft. Men denne legeringen er ikke god nok i magnetiske egenskaper. Den vanligste er en annen sammensetning, legert: jern, nikkel, aluminium og kobber med kobolt for legering. Koboltfrie legeringer har lavere magnetiske egenskaper, men de er mye billigere.
Pulverharde magnetiske materialer
Pulvermaterialer brukes til miniatyr, men komplekse permanentmagneter. De er metallkeramikk, metall-plast, oksid og mikropulver. Cermet er spesielt bra. Når det gjelder magnetiske egenskaper, er det ganske dårligere enn støpte, men noe dyrere enn dem. Keramiske metallmagneter lages ved å presse metallpulver uten bindemateriale og sintre dem ved svært høye temperaturer. Det brukes pulvermed legeringene beskrevet ovenfor, samt de som er basert på platina og sjeldne jordmetaller.
Når det gjelder mekanisk styrke, er pulvermetallurgi overlegen støping, men de magnetiske egenskapene til metallkeramiske magneter er fortsatt noe lavere enn til støpte. Platinabaserte magneter har svært høye tvangskraftverdier, og parametrene er svært stabile. Legeringer med uran og sjeldne jordmetaller har rekordverdier av maksimal magnetisk energi: grenseverdien er 112 kJ per kvadratmeter. Slike legeringer oppnås ved kaldpressing av pulveret til høyeste tetthetsgrad, deretter sintres brikettene med nærvær av en flytende fase og støping av en flerkomponentsammensetning. Det er umulig å blande komponentene i så stor grad ved enkel støping.
Andre harde magnetiske materialer
Harde magnetiske materialer inkluderer også de med et høyt spesialisert formål. Dette er elastiske magneter, plastisk deformerbare legeringer, materialer til informasjonsbærere og flytende magneter. Deformerbare magneter har utmerkede plastegenskaper, de egner seg perfekt til enhver form for mekanisk bearbeiding - stempling, skjæring, maskinering. Men disse magnetene er dyre. Kunife-magneter laget av kobber, nikkel og jern er anisotropiske, det vil si at de magnetiseres i rulleretningen, de brukes i form av stempling og tråd. Vikalloy-magneter laget av kobolt og vanadium er laget i form av et magnetbånd med høy styrke, samt ledning. Denne sammensetningen er bra for veldig små magneter med den mest komplekse konfigurasjonen.
Elastiske magneter - på gummiunderlag, i hvilkeFyllstoffet er et fint pulver av et hardt magnetisk materiale. Oftest er det bariumferritt. Denne metoden lar deg få produkter av absolutt hvilken som helst form med høy produksjonsevne. De er også perfekt kuttet med saks, bøyd, stemplet, vridd. De er mye billigere. Magnetisk gummi brukes som ark med magnetisk minne for datamaskiner, i TV, for korrigerende systemer. Som informasjonsbærere oppfyller magnetiske materialer mange krav. Dette er en restinduksjon på høyt nivå, en liten effekt av selvdemagnetisering (ellers vil informasjonen gå tapt), en høy verdi av tvangskraften. Og for å lette prosessen med å slette poster, trengs det bare en liten mengde av denne kraften, men denne motsetningen fjernes ved hjelp av teknologi.
