Astăzi este aproape imposibil să găsești o industrie tehnică care să nu folosească materiale magnetice dure și magneți permanenți. Acestea sunt acustică și electronică radio și computere și echipamente de măsurare și automatizare și căldură și energie electrică și energie electrică și construcții și metalurgie și orice fel de transport, și agricultură, și medicină și prelucrarea minereului și chiar si in bucataria tuturor exista un cuptor cu microunde, incalzeste pizza. Este imposibil de enumerat totul, materialele magnetice ne însoțesc la fiecare pas al vieții noastre. Și toate produsele cu ajutorul lor funcționează după principii complet diferite: motoarele și generatoarele au propriile funcții, iar dispozitivele de frânare au propriile lor, separatorul face una, iar detectorul de defecte face altceva. Probabil, nu există o listă completă a dispozitivelor tehnice în care sunt utilizate materiale magnetice dure, sunt atât de multe.
Ce sunt sistemele magnetice
Planeta noastră în sine este un sistem magnetic excepțional de bine uns. Toate celel alte sunt construite pe același principiu. Materialele magnetice dure au proprietăți funcționale foarte diverse. În cataloagele furnizorilor, nu degeaba sunt dați nu numai parametrii acestora, ci și proprietățile fizice. În plus, poate fi materiale dure magnetic și moi magnetic. De exemplu, luați tomografe rezonante, unde sunt utilizate sisteme cu un câmp magnetic foarte uniform, și comparați cu separatoarele, unde câmpul este puternic neomogen. Cu totul alt principiu! Au fost stăpânite sisteme magnetice, unde câmpul poate fi pornit și oprit. Așa sunt concepute mânerele. Și unele sisteme chiar modifică câmpul magnetic în spațiu. Acestea sunt bine-cunoscute klystroni și lămpi cu val care călătoresc. Proprietățile materialelor magnetice moi și dure sunt cu adevărat magice. Sunt ca catalizatorii, acționează aproape întotdeauna ca intermediari, dar fără cea mai mică pierdere a propriei energie, sunt capabili să o transforme pe a altcuiva, transformând o specie în alta.
De exemplu, un impuls magnetic este convertit în energie mecanică în funcționarea cuplajelor, separatoarelor și altele asemenea. Energia mecanică este transformată cu ajutorul magneților în energie electrică, dacă avem de-a face cu microfoane și generatoare. Și invers se întâmplă! În difuzoare și motoare, magneții convertesc electricitatea în energie mecanică, de exemplu. Și asta nu este tot. Energia mecanică poate fi chiar convertită în energie termică, la fel ca și sistemul magnetic în funcționarea unui cuptor cu microunde sau într-un dispozitiv de frânare. Poatemateriale magnetic dure și magnetic moi și pe efecte speciale - în senzori Hall, în tomografe cu rezonanță magnetică, în comunicare cu microunde. Puteți scrie un articol separat despre efectul catalitic asupra proceselor chimice, despre modul în care câmpurile magnetice în gradient din apă afectează structurile ionilor, moleculelor de proteine și gazelor dizolvate.
Magia din antichitate
Materialul natural - magnetita - era cunoscut omenirii cu câteva milenii în urmă. La acel moment, toate proprietățile materialelor magnetice dure nu erau încă cunoscute și, prin urmare, nu erau utilizate în dispozitivele tehnice. Și încă nu existau dispozitive tehnice. Nimeni nu știa să facă calcule pentru funcționarea sistemelor magnetice. Dar influența asupra obiectelor biologice a fost deja observată. Utilizarea materialelor magnetice dure la început a mers exclusiv în scopuri medicale, până când chinezii au inventat busola în secolul al III-lea î. Hr. Cu toate acestea, tratamentul cu magnet nu s-a oprit până astăzi, deși există discuții constante despre nocivitatea unor astfel de metode. Utilizarea materialelor magnetice dure în medicină în SUA, China și Japonia este deosebit de activă. Și în Rusia există adepți ai metodelor alternative, deși este imposibil să măsurați amploarea impactului asupra organismului sau plantei cu orice instrument.
Dar înapoi la istorie. În Asia Mică, cu multe secole în urmă, orașul antic Magnesia exista deja pe malurile Meandrului care curge plin. Și astăzi puteți vizita ruinele sale pitorești din Turcia. Acolo a fost descoperit primul minereu de fier magnetic, care a primit numeleorase. Destul de repede, s-a răspândit în întreaga lume, iar chinezii în urmă cu cinci mii de ani, cu ajutorul lui, au inventat un dispozitiv de navigație care încă nu moare. Acum omenirea a învățat să producă magneți artificial la scară industrială. Baza lor este o varietate de feromagneți. Universitatea din Tartu are cel mai mare magnet natural, capabil să ridice aproximativ patruzeci de kilograme, în timp ce ea însăși cântărește doar treisprezece. Pulberile de astăzi sunt făcute din cob alt, fier și diverși alți aditivi, țin încărcături de cinci mii de ori mai mult decât cântăresc.
buclă de histerezis
Există două tipuri de magneți artificiali. Primul tip sunt constantele, care sunt realizate din materiale magnetice dure, proprietățile lor nu sunt în niciun fel asociate cu sursele sau curenții externi. Al doilea tip este electromagneții. Au un miez din fier - un material moale magnetic, iar prin înfășurarea acestui miez trece un curent, care creează un câmp magnetic. Acum trebuie să luăm în considerare principiile activității sale. Caracterizează proprietățile magnetice ale buclei de histerezis pentru materiale magnetice dure. Există tehnologii destul de complexe pentru fabricarea sistemelor magnetice și, prin urmare, sunt necesare informații despre magnetizare, permeabilitatea magnetică și pierderile de energie atunci când are loc inversarea magnetizării. Dacă modificarea intensității este ciclică, curba de remagnetizare (modificările de inducție) va arăta întotdeauna ca o curbă închisă. Aceasta este bucla de histerezis. Dacă câmpul este slab, atunci bucla este mai mult ca o elipsă.
Când tensiuneacâmpul magnetic crește, se obține o serie întreagă de astfel de bucle, închise una în alta. În procesul de magnetizare, toți vectorii sunt orientați de-a lungul, iar la sfârșit, va veni o stare de saturație tehnică, materialul va fi complet magnetizat. Bucla obținută în timpul saturației se numește buclă limită, ea arată valoarea maximă realizată a inducției Bs (inducerea saturației). Când tensiunea scade, inducția reziduală rămâne. Zona buclelor de histerezis în stările limită și intermediare arată disiparea energiei, adică pierderea de histerezis. Depinde cel mai mult de frecvența de inversare a magnetizării, proprietățile materialului și dimensiunile geometrice. Bucla limitatoare de histerezis poate determina următoarele caracteristici ale materialelor magnetice dure: inducția de saturație Bs, inducția reziduală Bc și forța coercitivă Hc.
Curba de magnetizare
Această curbă este cea mai importantă caracteristică, deoarece arată dependența magnetizării și puterea câmpului exterior. Inducția magnetică este măsurată în Tesla și este legată de magnetizare. Curba de comutare este cea principală, este localizarea vârfurilor pe buclele de histerezis, care se obțin în timpul remagnetizării ciclice. Aceasta reflectă schimbarea inducției magnetice, care depinde de intensitatea câmpului. Când circuitul magnetic este închis, intensitatea câmpului reflectată sub forma unui toroid este egală cu intensitatea câmpului extern. Dacă circuitul magnetic este deschis, la capetele magnetului apar poli, care creează demagnetizare. Diferență întreaceste tensiuni determină tensiunea internă a materialului.
Există secțiuni caracteristice pe curba principală care ies în evidență atunci când un singur cristal al unui feromagnet este magnetizat. Prima secțiune prezintă procesul de deplasare a limitelor domeniilor reglate nefavorabil, iar în a doua, vectorii de magnetizare se întorc către câmpul magnetic extern. A treia secțiune este paraprocesul, etapa finală a magnetizării, aici câmpul magnetic este puternic și direcționat. Aplicarea materialelor magnetice moi și dure depinde în mare măsură de caracteristicile obținute din curba de magnetizare.
Permeabilitate și pierderi de energie
Pentru a caracteriza comportamentul unui material într-un câmp de tensiune, este necesar să folosim un astfel de concept ca permeabilitatea magnetică absolută. Există definiții ale permeabilității magnetice de impuls, diferențială, maximă, inițială, normală. Relativa este urmărită de-a lungul curbei principale, astfel încât această definiție nu este utilizată - pentru simplitate. Permeabilitatea magnetică în condițiile în care H=0 se numește inițială și poate fi determinată doar în câmpuri slabe, până la aproximativ 0,1 unități. Maximul, dimpotrivă, caracterizează cea mai mare permeabilitate magnetică. Valorile normale și maxime oferă o oportunitate de a observa cursul normal al procesului în fiecare caz particular. În regiunea de saturație în câmpuri puternice, permeabilitatea magnetică tinde întotdeauna spre unitate. Toate aceste valori sunt necesare pentru utilizarea magnetică durmateriale, folosiți-le întotdeauna.
Pierderea de energie în timpul inversării magnetizării este ireversibilă. Electricitatea este eliberată în material sub formă de căldură, iar pierderile sale sunt formate din pierderi dinamice și pierderi de histerezis. Acestea din urmă sunt obținute prin deplasarea pereților domeniului atunci când procesul de magnetizare abia începe. Deoarece materialul magnetic are o structură neomogenă, energia este în mod necesar cheltuită pentru alinierea pereților domeniului. Iar pierderile dinamice se obțin în legătură cu curenții turbionari care apar în momentul modificării intensității și direcției câmpului magnetic. Energia este disipată în același mod. Iar pierderile datorate curenților turbionari depășesc chiar și pierderile prin histerezis la frecvențe în alte. De asemenea, pierderile dinamice se obțin datorită modificărilor reziduale ale stării câmpului magnetic după modificarea intensității. Cantitatea pierderilor după efecte depinde de compoziție, de tratamentul termic al materialului, ele apar mai ales la frecvențe în alte. Efectul secundar este vâscozitatea magnetică, iar aceste pierderi sunt întotdeauna luate în considerare dacă feromagneții sunt utilizați în modul pulsat.
Clasificarea materialelor magnetice dure
Termenii care vorbesc despre moliciune și duritate nu se aplică deloc proprietăților mecanice. Multe materiale dure sunt de fapt moi magnetic, iar din punct de vedere mecanic, materialele moi sunt, de asemenea, destul de dure magnetice. Procesul de magnetizare în ambele grupuri de materiale are loc în același mod. Mai întâi, granițele domeniului sunt deplasate, apoi rotația începe înîn direcția unui câmp din ce în ce mai magnetizant și, în final, începe paraprocesul. Și aici intervine diferența. Curba de magnetizare arată că este mai ușor să mutați limitele, este cheltuită mai puțină energie, dar procesul de rotație și paraprocesul sunt mai consumatoare de energie. Materialele magnetice moi sunt magnetizate prin deplasarea limitelor. Magnetic dur - datorită rotației și paraprocesului.
Forma buclei de histerezis este aproximativ aceeași pentru ambele grupuri de materiale, saturația și inducția reziduală sunt, de asemenea, aproape egale, dar diferența există în forța coercitivă și este foarte mare. Materialele magnetice dure au Hc=800 kA-m, în timp ce materialele magnetice moi au doar 0,4 A-m. În total, diferența este uriașă: de 2106 ori. De aceea, pe baza acestor caracteristici, a fost adoptată o astfel de împărțire. Deși, trebuie să admitem că este mai degrabă condiționată. Materialele magnetice moi se pot satura chiar și într-un câmp magnetic slab. Sunt utilizate în câmpuri de joasă frecvență. De exemplu, în dispozitivele de memorie magnetică. Materialele magnetice dure sunt greu de magnetizat, dar păstrează magnetizarea foarte mult timp. Din ei se obțin magneți permanenți buni. Domeniile de aplicare a materialelor magnetice dure sunt numeroase și extinse, unele dintre ele fiind enumerate la începutul articolului. Există un alt grup - materiale magnetice pentru scopuri speciale, domeniul lor de aplicare este foarte îngust.
Detalii despre duritate
După cum sa menționat deja, materialele magnetice dure au o buclă largă de histerezis și o forță coercitivă mare, permeabilitate magnetică scăzută. Ele se caracterizează prin energia magnetică specifică maximă emisă înspaţiu. Și cu cât materialul magnetic este „mai dur”, cu atât rezistența lui este mai mare, cu atât permeabilitatea este mai mică. Energiei magnetice specifice i se acordă rolul cel mai important în aprecierea calității materialului. Un magnet permanent practic nu emite energie în spațiul exterior cu un circuit magnetic închis, deoarece toate liniile de forță sunt în interiorul miezului și nu există niciun câmp magnetic în afara acestuia. Pentru a profita la maximum de energia magneților permanenți, în interiorul unui circuit magnetic închis este creat un spațiu de aer cu o dimensiune și o configurație strict definite.
În timp, magnetul „îmbătrânește”, fluxul său magnetic scade. Cu toate acestea, o astfel de îmbătrânire poate fi atât ireversibilă, cât și reversibilă. În acest din urmă caz, cauzele îmbătrânirii sale sunt șocurile, șocurile, fluctuațiile de temperatură, câmpurile externe constante. Inducția magnetică este redusă. Dar poate fi magnetizat din nou, redându-și astfel proprietățile excelente. Dar dacă magnetul permanent a suferit modificări structurale, remagnetizarea nu va ajuta, îmbătrânirea nu va fi eliminată. Dar servesc mult timp, iar scopul materialelor magnetice dure este grozav. Exemplele sunt literalmente peste tot. Nu sunt doar magneți permanenți. Acesta este un material pentru stocarea informațiilor, pentru înregistrarea lor - atât sunet, cât și digital, și video. Dar cele de mai sus reprezintă doar o mică parte din aplicarea materialelor magnetice dure.
Materiale magnetice dure turnate
În conformitate cu metoda de producție și compoziție, materialele magnetice dure pot fi turnate, pulbere și altele. Se bazează pe aliaje.fier, nichel, aluminiu și fier, nichel, cob alt. Aceste compoziții sunt cele mai de bază pentru a obține un magnet permanent. Ele aparțin preciziei, deoarece numărul lor este determinat de cei mai stricti factori tehnologici. Materialele magnetice dure turnate sunt obținute în timpul întăririi prin precipitare a aliajului, unde răcirea are loc la o viteză calculată de la topire până la debutul descompunerii, care are loc în două faze.
Primul - când compoziția este aproape de fier pur cu proprietăți magnetice pronunțate. Ca și cum ar apărea plăci de grosime cu un singur domeniu. Și a doua fază este mai aproape de compusul intermetalic în compoziție, unde nichelul și aluminiul au proprietăți magnetice scăzute. Se dovedește un sistem în care faza nemagnetică este combinată cu incluziuni puternic magnetice cu o forță coercitivă mare. Dar acest aliaj nu este suficient de bun în proprietăți magnetice. Cea mai comună este o altă compoziție, aliată: fier, nichel, aluminiu și cupru cu cob alt pentru aliere. Aliajele fără cob alt au proprietăți magnetice mai scăzute, dar sunt mult mai ieftine.
Pudră de materiale magnetice dure
Materiale sub formă de pulbere sunt folosite pentru magneții permanenți în miniatură, dar complexi. Sunt metalo-ceramice, metalo-plastice, oxid și micropulbere. Cermetul este deosebit de bun. În ceea ce privește proprietățile magnetice, este destul de inferioară celor turnate, dar ceva mai scumpe decât acestea. Magneții ceramico-metali sunt fabricați prin presarea pulberilor metalice fără nici un material de legare și sinterizarea acestora la temperaturi foarte ridicate. Se folosesc pulbericu aliajele descrise mai sus, precum și cu cele pe bază de platină și metale din pământuri rare.
În ceea ce privește rezistența mecanică, metalurgia pulberilor este superioară turnării, dar proprietățile magnetice ale magneților metalo-ceramici sunt încă ceva mai mici decât cele ale celor turnați. Magneții pe bază de platină au valori foarte mari ale forței coercitive, iar parametrii sunt foarte stabili. Aliajele cu uraniu și metale pământuri rare au valori record de energie magnetică maximă: valoarea limită este de 112 kJ pe metru pătrat. Astfel de aliaje se obțin prin presarea la rece a pulberii la cel mai în alt grad de densitate, apoi brichetele sunt sinterizate cu prezența unei faze lichide și turnarea unei compoziții multicomponente. Este imposibil să amestecați componentele într-o asemenea măsură prin turnare simplă.
Alte materiale magnetice dure
Materialele magnetice dure le includ și pe cele cu un scop foarte specializat. Este vorba despre magneți elastici, aliaje deformabile plastic, materiale pentru purtători de informații și magneți lichizi. Magneții deformabili au proprietăți plastice excelente, se pretează perfect oricărui tip de prelucrare mecanică - ștanțare, tăiere, prelucrare. Dar acești magneți sunt scumpi. Magneții Kunife din cupru, nichel și fier sunt anizotropi, adică sunt magnetizați în direcția de rulare, sunt utilizați sub formă de ștanțare și sârmă. Magneții Vikalloy din cob alt și vanadiu sunt fabricați sub formă de bandă magnetică de în altă rezistență, precum și sub formă de sârmă. Această compoziție este bună pentru magneți foarte mici, cu cea mai complexă configurație.
Magneți elastici - pe o bază de cauciuc, în careUmplutura este o pulbere fină dintr-un material magnetic dur. Cel mai adesea este ferită de bariu. Această metodă vă permite să obțineți produse de absolut orice formă, cu o capacitate de fabricație ridicată. De asemenea, sunt perfect tăiate cu foarfece, îndoite, ștanțate, răsucite. Sunt mult mai ieftine. Cauciucul magnetic este folosit ca foi de memorie magnetică pentru calculatoare, în televiziune, pentru sistemele corective. Ca purtători de informații, materialele magnetice îndeplinesc multe cerințe. Aceasta este o inducție reziduală de nivel în alt, un efect mic de autodemagnetizare (altfel informația se va pierde), o valoare ridicată a forței coercitive. Și pentru a facilita procesul de ștergere a înregistrărilor, este nevoie doar de o mică cantitate din această forță, dar această contradicție este eliminată cu ajutorul tehnologiei.
