Danas je gotovo nemoguće pronaći tehničku industriju koja ne koristi tvrde magnetske materijale i trajne magnete. To su i akustika, i radioelektronika, i kompjuterska, i mjerna oprema, i automatika, i toplina i energija, i električna energija, i građevinarstvo, i metalurgija, i bilo kakav promet, i poljoprivreda, i medicina, i prerada rude, i čak i u kuhinji svakog ima mikrovalna pećnica, zagrijava pizzu. Nemoguće je sve nabrojati, magnetski materijali prate nas na svakom koraku našeg života. I svi proizvodi uz njihovu pomoć rade po potpuno drugačijim principima: motori i generatori imaju svoje funkcije, a kočni uređaji imaju svoje, separator radi jedno, a detektor mana drugo. Vjerojatno ne postoji potpuni popis tehničkih uređaja gdje se koriste tvrdi magnetski materijali, toliko ih je.
Što su magnetski sustavi
Sam naš planet je izuzetno dobro podmazan magnetski sustav. Svi ostali su izgrađeni na istom principu. Tvrdi magnetski materijali imaju vrlo raznolika funkcionalna svojstva. U katalozima dobavljača nisu uzalud navedeni ne samo njihovi parametri, već i fizička svojstva. Osim toga, to mogu biti magnetski tvrdi i magnetski meki materijali. Na primjer, uzmite rezonantne tomografe, gdje se koriste sustavi s vrlo ujednačenim magnetskim poljem, i usporedite s separatorima, gdje je polje oštro nehomogeno. Sasvim drugačiji princip! Savladani su magnetski sustavi, gdje se polje može uključiti i isključiti. Tako su dizajnirane ručke. A neki sustavi čak mijenjaju magnetsko polje u svemiru. To su dobro poznati klistroni i svjetiljke putujućih valova. Svojstva mekih i tvrdih magnetskih materijala uistinu su čarobna. Oni su poput katalizatora, gotovo uvijek djeluju kao posrednici, ali bez i najmanjeg gubitka vlastite energije, sposobni su transformirati tuđu, pretvarajući jednu vrstu u drugu.
Na primjer, magnetski impuls se pretvara u mehaničku energiju u radu spojnica, separatora i slično. Mehanička energija se uz pomoć magneta pretvara u električnu, ako imamo posla s mikrofonima i generatorima. I obrnuto se događa! U zvučnicima i motorima, na primjer, magneti pretvaraju električnu energiju u mehaničku energiju. I to nije sve. Mehanička se energija čak može pretvoriti u toplinsku, kao i magnetski sustav u radu mikrovalne pećnice ili u uređaju za kočenje. Su u stanjumagnetski tvrdim i magnetski mekim materijalima te na specijalnim efektima - u Hallovim senzorima, u magnetskim rezonancijskim tomografima, u mikrovalnoj komunikaciji. Možete napisati poseban članak o katalitičkom učinku na kemijske procese, kako gradijentna magnetska polja u vodi utječu na strukture iona, proteinskih molekula i otopljenih plinova.
Magija iz antike
Prirodni materijal - magnetit - bio je poznat čovječanstvu prije nekoliko tisućljeća. U to vrijeme još nisu bila poznata sva svojstva tvrdih magnetskih materijala, pa se stoga nisu koristili u tehničkim uređajima. A tehničkih uređaja još nije bilo. Nitko nije znao raditi izračune za rad magnetskih sustava. Ali utjecaj na biološke objekte već je uočen. Upotreba tvrdih magnetskih materijala isprva je išla isključivo u medicinske svrhe, sve dok Kinezi nisu izumili kompas u trećem stoljeću prije Krista. No, liječenje magnetom nije prestalo do danas, iako se stalno vode rasprave o štetnosti takvih metoda. Posebno je aktivna uporaba tvrdih magnetskih materijala u medicini u SAD-u, Kini i Japanu. I u Rusiji postoje pristaše alternativnih metoda, iako je nemoguće izmjeriti veličinu utjecaja na tijelo ili biljku bilo kojim instrumentom.
Ali natrag u povijest. U Maloj Aziji, prije mnogo stoljeća, drevni grad Magnezija već je postojao na obalama punog meandra. I danas možete posjetiti njegove slikovite ruševine u Turskoj. Tamo je otkrivena prva magnetska željezna ruda, po kojoj je i dobila imegradova. Vrlo brzo se proširio svijetom, a Kinezi su prije pet tisuća godina uz njegovu pomoć izumili navigacijski uređaj koji još uvijek ne umire. Sada je čovječanstvo naučilo umjetno proizvoditi magnete u industrijskim razmjerima. Osnova za njih su razni feromagneti. Sveučilište u Tartuu ima najveći prirodni magnet, sposoban podići četrdesetak kilograma, dok samo teži samo trinaest. Današnji puderi su napravljeni od kob alta, željeza i raznih drugih dodataka, drže teret pet tisuća puta više nego što su teži.
Histerezna petlja
Postoje dvije vrste umjetnih magneta. Prva vrsta su konstante, koje su izrađene od tvrdih magnetskih materijala, njihova svojstva ni na koji način nisu povezana s vanjskim izvorima ili strujama. Druga vrsta su elektromagneti. Imaju jezgru od željeza – magnetski mekog materijala, a kroz namot te jezgre prolazi struja koja stvara magnetsko polje. Sada moramo razmotriti principe njegovog rada. Karakterizira magnetska svojstva petlje histereze za tvrde magnetske materijale. Postoje prilično složene tehnologije za izradu magnetskih sustava, pa su stoga potrebne informacije o magnetizaciji, magnetskoj permeabilnosti i gubicima energije kada dođe do preokreta magnetizacije. Ako je promjena intenziteta ciklična, krivulja remagnetizacije (promjene indukcije) uvijek će izgledati kao zatvorena krivulja. Ovo je histerezna petlja. Ako je polje slabo, tada je petlja više kao elipsa.
Kada je napetostmagnetsko polje se povećava, dobiva se cijeli niz takvih petlji, zatvorenih jedna u drugu. U procesu magnetiziranja svi vektori su orijentirani uzduž, a na kraju će doći do stanja tehničke zasićenosti, materijal će biti potpuno magnetiziran. Petlja dobivena tijekom zasićenja naziva se granična petlja, ona pokazuje maksimalnu postignutu vrijednost indukcije Bs (indukcija zasićenja). Kada se napetost smanji, preostala indukcija ostaje. Područje histerezne petlje u graničnom i međustanjima pokazuje disipaciju energije, odnosno gubitak histereze. To najviše ovisi o učestalosti preokreta magnetizacije, svojstvima materijala i geometrijskim dimenzijama. Ograničavajuća histerezna petlja može odrediti sljedeće karakteristike tvrdih magnetskih materijala: indukciju zasićenja Bs, zaostalu indukciju Bc i koercitivnu silu Hc.
Krivulja magnetizacije
Ova krivulja je najvažnija karakteristika, jer pokazuje ovisnost magnetizacije i jakosti vanjskog polja. Magnetska indukcija se mjeri u Tesli i povezana je s magnetizacijom. Krivulja prebacivanja je glavna, to je mjesto vrhova na histereznim petljama, koje se dobivaju tijekom cikličke remagnetizacije. To odražava promjenu magnetske indukcije, koja ovisi o jakosti polja. Kada je magnetski krug zatvoren, jakost polja reflektirana u obliku toroida jednaka je vanjskoj jakosti polja. Ako je magnetski krug otvoren, na krajevima magneta pojavljuju se polovi koji stvaraju demagnetizaciju. Razlika izmeđute napetosti određuju unutarnju napetost materijala.
Postoje karakteristični dijelovi na glavnoj krivulji koji se ističu kada se magnetizira jedan kristal feromagneta. U prvom dijelu prikazan je proces pomicanja granica nepovoljno podešenih domena, au drugom se vektori magnetizacije okreću prema vanjskom magnetskom polju. Treći dio je paraproces, završna faza magnetizacije, ovdje je magnetsko polje jako i usmjereno. Primjena mekih i tvrdih magnetskih materijala u velikoj mjeri ovisi o karakteristikama dobivenim iz krivulje magnetizacije.
Propustljivost i gubitak energije
Da bi se okarakteriziralo ponašanje materijala u polju napetosti, potrebno je koristiti takav koncept kao apsolutna magnetska propusnost. Postoje definicije impulsne, diferencijalne, maksimalne, početne, normalne magnetske propusnosti. Relativna se prati duž glavne krivulje, pa se ova definicija ne koristi - radi jednostavnosti. Magnetska propusnost u uvjetima kada je H=0 naziva se početnom, a može se odrediti samo u slabim poljima, do približno 0,1 jedinica. Maksimum, naprotiv, karakterizira najveću magnetsku propusnost. Normalne i maksimalne vrijednosti pružaju mogućnost promatranja normalnog tijeka procesa u svakom pojedinom slučaju. U području zasićenja u jakim poljima, magnetska permeabilnost uvijek teži jedinici. Sve ove vrijednosti su neophodne za korištenje tvrdog magnetamaterijale, uvijek ih koristite.
Gubitak energije tijekom preokreta magnetizacije je nepovratan. Električna energija se oslobađa u materijalu kao toplina, a njezini gubici se sastoje od dinamičkih gubitaka i gubitaka na histerezi. Potonji se dobivaju pomicanjem zidova domene kada proces magnetizacije tek počinje. Budući da magnetski materijal ima nehomogenu strukturu, energija se nužno troši na poravnavanje stijenki domene. A dinamički gubici se dobivaju u vezi s vrtložnim strujama koje nastaju u trenutku promjene jakosti i smjera magnetskog polja. Energija se rasipa na isti način. A gubici zbog vrtložnih struja premašuju čak i gubitke histereze na visokim frekvencijama. Također se dobivaju dinamički gubici zbog zaostalih promjena stanja magnetskog polja nakon promjene intenziteta. Količina gubitaka nakon djelovanja ovisi o sastavu, o toplinskoj obradi materijala, pojavljuju se posebno na visokim frekvencijama. Posljedica je magnetska viskoznost, a ti se gubici uvijek uzimaju u obzir ako se feromagneti koriste u impulsnom načinu rada.
Klasifikacija tvrdih magnetskih materijala
Izrazi koji govore o mekoći i tvrdoći uopće se ne odnose na mehanička svojstva. Mnogi tvrdi materijali su zapravo magnetski mekani, a s mehaničke točke gledišta, mekani materijali su također prilično tvrdi magneti. Proces magnetizacije u obje skupine materijala odvija se na isti način. Prvo se pomiču granice domene, a zatim počinje rotacijau smjeru sve jačeg magnetizirajućeg polja, i konačno, započinje paraproces. I tu dolazi do razlike. Krivulja magnetizacije pokazuje da je lakše pomicati granice, troši se manje energije, ali su proces rotacije i paraproces energetski intenzivniji. Meki magnetski materijali magnetiziraju se pomicanjem granica. Tvrdi magnet - zbog rotacije i paraprocesa.
Oblik histerezne petlje je približno isti za obje grupe materijala, zasićenje i zaostala indukcija su također blizu jednake, ali razlika postoji u sili prisile, i to vrlo velika. Tvrdi magnetski materijali imaju Hc=800 kA-m, dok meki magnetski materijali imaju samo 0,4 A-m. Ukupno, razlika je ogromna: 2106 puta. Zato je na temelju ovih karakteristika i usvojena takva podjela. No, mora se priznati da je prilično uvjetno. Meki magnetski materijali mogu se zasićiti čak i u slabom magnetskom polju. Koriste se u poljima niske frekvencije. Na primjer, u magnetskim memorijskim uređajima. Tvrde magnetske materijale je teško magnetizirati, ali vrlo dugo zadržavaju magnetizaciju. Od njih se dobivaju dobri trajni magneti. Područja primjene tvrdih magnetskih materijala su brojna i opsežna, a neka od njih navedena su na početku članka. Postoji još jedna grupa - magnetski materijali za posebne namjene, njihov opseg je vrlo uzak.
Pojedinosti o tvrdoći
Kao što je već spomenuto, tvrdi magnetski materijali imaju široku histereznu petlju i veliku prisilnu silu, nisku magnetsku propusnost. Karakterizira ih najveća specifična magnetska energija koja se odaje uprostor. I što je magnetski materijal "tvrđi", što je veća njegova čvrstoća, to je niža propusnost. Specifična magnetska energija ima najvažniju ulogu u ocjeni kvalitete materijala. Stalni magnet praktički ne odaje energiju u vanjski prostor sa zatvorenim magnetskim krugom, jer su sve linije sile unutar jezgre, a izvan nje nema magnetskog polja. Kako bi se maksimalno iskoristila energija trajnih magneta, unutar zatvorenog magnetskog kruga stvara se zračni raspor strogo definirane veličine i konfiguracije.
S vremenom, magnet "stari", njegov magnetski tok se smanjuje. Međutim, takvo starenje može biti i nepovratno i reverzibilno. U potonjem slučaju, uzroci njegovog starenja su udarci, udarci, temperaturne fluktuacije, stalna vanjska polja. Magnetska indukcija je smanjena. Ali može se ponovno magnetizirati, čime se vraćaju njegova izvrsna svojstva. Ali ako je trajni magnet doživio bilo kakve strukturne promjene, ponovno magnetiziranje neće pomoći, starenje se neće eliminirati. Ali oni služe dugo, a namjena tvrdih magnetskih materijala je velika. Primjeri su doslovno posvuda. Nisu to samo trajni magneti. Ovo je materijal za pohranjivanje informacija, za njihovo snimanje - i zvuk, i digitalni, i video. Ali gore navedeno je samo mali dio primjene tvrdih magnetskih materijala.
Ljevani tvrdi magnetski materijali
Prema načinu proizvodnje i sastavu, tvrdi magnetski materijali mogu biti lijevani, praškasti i drugi. Temelje se na legurama.željezo, nikal, aluminij i željezo, nikal, kob alt. Ovi sastavi su najosnovniji kako bi se dobio trajni magnet. Oni spadaju u preciznost, jer je njihov broj određen najstrožim tehnološkim čimbenicima. Lijevi tvrdi magnetski materijali dobivaju se tijekom taložnog stvrdnjavanja legure, pri čemu se hlađenje događa izračunatom brzinom od taljenja do početka raspadanja, što se događa u dvije faze.
Prvi - kada je sastav blizak čistom željezu s izraženim magnetskim svojstvima. Kao da se pojavljuju ploče jednodomene debljine. A druga faza je po sastavu bliža intermetalnom spoju, gdje nikal i aluminij imaju niska magnetska svojstva. Ispada sustav u kojem se nemagnetna faza kombinira s jako magnetskim inkluzijama s velikom prisilnom silom. Ali ova legura nije dovoljno dobra u magnetskim svojstvima. Najčešći je drugi sastav, legiran: željezo, nikal, aluminij i bakar s kob altom za legiranje. Legure bez kob alta imaju niža magnetska svojstva, ali su mnogo jeftinije.
Prah tvrdi magnetski materijali
Prah materijali se koriste za minijaturne, ali složene trajne magnete. To su metal-keramika, metal-plastika, oksid i mikroprašak. Posebno je dobar kermet. Što se tiče magnetskih svojstava, dosta je inferiorniji od lijevanih, ali nešto skuplji od njih. Keramičko-metalni magneti se izrađuju prešanjem metalnih prahova bez vezivnog materijala i sinteriranjem na vrlo visokim temperaturama. Koriste se puderis gore opisanim legurama, kao i onima na bazi platine i rijetkih zemnih metala.
Što se tiče mehaničke čvrstoće, metalurgija praha je superiornija od lijevanja, ali su magnetska svojstva metal-keramičkih magneta još uvijek nešto niža od onih lijevanih. Magneti na bazi platine imaju vrlo visoke vrijednosti koercitivne sile, a parametri su vrlo stabilni. Legure s uranom i metalima rijetkih zemalja imaju rekordne vrijednosti maksimalne magnetske energije: granična vrijednost je 112 kJ po četvornom metru. Takve legure se dobivaju hladnim prešanjem praha do najvećeg stupnja gustoće, zatim se briketi sinteriraju uz prisutnost tekuće faze i lijevanjem višekomponentnog sastava. Nemoguće je miješati komponente u tolikoj mjeri jednostavnim lijevanjem.
Drugi tvrdi magnetski materijali
Tvrdi magnetski materijali također uključuju one s visoko specijaliziranom namjenom. To su elastični magneti, plastično deformabilne legure, materijali za nosače informacija i tekući magneti. Deformabilni magneti imaju izvrsna plastična svojstva, savršeno se podnose bilo kojoj vrsti mehaničke obrade - štancanju, rezanju, strojnoj obradi. Ali ovi magneti su skupi. Kunife magneti od bakra, nikla i željeza su anizotropni, odnosno magnetizirani su u smjeru valjanja, koriste se u obliku štancanja i žice. Vikalloy magneti od kob alta i vanadija izrađeni su u obliku magnetske trake visoke čvrstoće, kao i žice. Ovaj sastav je dobar za vrlo male magnete najsloženije konfiguracije.
Elastični magneti - na gumenoj podlozi, u kojojPunilo je fini prah od tvrdog magnetskog materijala. Najčešće je to barijev ferit. Ova metoda vam omogućuje da dobijete proizvode apsolutno bilo kojeg oblika s visokom produktivnošću. Također su savršeno izrezani škarama, savijeni, žigosani, upleteni. Oni su puno jeftiniji. Magnetna guma se koristi kao listovi magnetske memorije za računala, na televiziji, za korektivne sustave. Kao nositelji informacija, magnetski materijali ispunjavaju mnoge zahtjeve. Ovo je visoka razina preostale indukcije, mali učinak samodemagnetizacije (inače će se informacija izgubiti), visoka vrijednost prisilne sile. A da bi se olakšao proces brisanja zapisa, potrebna je samo mala količina te sile, ali ta je kontradikcija otklonjena uz pomoć tehnologije.
