Šodien ir gandrīz neiespējami atrast tehnisko nozari, kurā neizmantotu cietos magnētiskos materiālus un pastāvīgos magnētus. Tās ir akustika un radioelektronika, un datortehnika, un mērīšanas iekārtas, un automatizācija, un siltums un jauda, un elektroenerģija, un celtniecība, un metalurģija, un jebkāda veida transports, un lauksaimniecība, un medicīna, un rūdas apstrāde, un pat visiem virtuvē ir mikroviļņu krāsns, tā uzsilda picu. Visu nav iespējams uzskaitīt, magnētiskie materiāli mūs pavada ik uz soļa mūsu dzīvē. Un visi produkti ar to palīdzību darbojas pēc pilnīgi atšķirīgiem principiem: dzinējiem un ģeneratoriem ir savas funkcijas, un bremžu ierīcēm ir savas, atdalītājs dara vienu, bet defektu detektors dara citu. Iespējams, nav pilnīgs saraksts ar tehniskajām ierīcēm, kurās tiek izmantoti cietie magnētiskie materiāli, to ir tik daudz.
Kas ir magnētiskās sistēmas
Mūsu planēta pati par sevi ir īpaši labi ieeļļota magnētiskā sistēma. Visi pārējie ir veidoti pēc tāda paša principa. Cietajiem magnētiskajiem materiāliem ir ļoti dažādas funkcionālās īpašības. Piegādātāju katalogos ne velti ir norādīti ne tikai to parametri, bet arī fizikālās īpašības. Turklāt tie var būt magnētiski cieti un magnētiski mīksti materiāli. Piemēram, ņemiet rezonanses tomogrāfus, kur tiek izmantotas sistēmas ar ļoti vienmērīgu magnētisko lauku, un salīdziniet ar separatoriem, kur lauks ir krasi neviendabīgs. Pavisam cits princips! Ir apgūtas magnētiskās sistēmas, kur var ieslēgt un izslēgt lauku. Tā tiek veidoti rokturi. Un dažas sistēmas pat maina magnētisko lauku kosmosā. Tie ir labi zināmie klistroni un ceļojošo viļņu lampas. Mīksto un cieto magnētisko materiālu īpašības ir patiesi maģiskas. Viņi ir kā katalizatori, gandrīz vienmēr darbojas kā starpnieki, taču bez mazākā savas enerģijas zuduma spēj pārveidot svešo, pārvēršot vienu sugu citā.
Piemēram, magnētiskais impulss tiek pārveidots mehāniskā enerģijā, darbojoties sakabēm, separatoriem un tamlīdzīgi. Mehāniskā enerģija ar magnētu palīdzību tiek pārvērsta elektroenerģijā, ja runa ir par mikrofoniem un ģeneratoriem. Un notiek otrādi! Piemēram, skaļruņos un motoros magnēti elektroenerģiju pārvērš mehāniskā enerģijā. Un tas vēl nav viss. Mehānisko enerģiju pat var pārvērst siltumenerģijā, tāpat kā magnētisko sistēmu mikroviļņu krāsns darbībā vai bremžu ierīcē. Ir pieejamsmagnētiski cieti un magnētiski mīksti materiāli un uz specefektiem - Hall sensoros, magnētiskās rezonanses tomogrāfos, mikroviļņu komunikācijā. Varat uzrakstīt atsevišķu rakstu par katalītisko ietekmi uz ķīmiskajiem procesiem, kā gradienta magnētiskie lauki ūdenī ietekmē jonu, olb altumvielu molekulu un izšķīdušo gāzu struktūras.
Maģija no senatnes
Dabīgais materiāls - magnetīts - cilvēcei bija zināms pirms vairākiem gadu tūkstošiem. Tajā laikā visas cieto magnētisko materiālu īpašības vēl nebija zināmas, un tāpēc tos neizmantoja tehniskajās ierīcēs. Un tehnisko ierīču vēl nebija. Neviens nezināja, kā veikt aprēķinus magnētisko sistēmu darbībai. Bet ietekme uz bioloģiskajiem objektiem jau ir pamanīta. Cietie magnētiskie materiāli sākotnēji tika izmantoti tikai medicīniskiem nolūkiem, līdz ķīnieši izgudroja kompasu trešajā gadsimtā pirms mūsu ēras. Taču ārstēšana ar magnētu nav apstājusies līdz pat mūsdienām, lai arī nemitīgi tiek runāts par šādu metožu kaitīgumu. Īpaši aktīvi cieto magnētisko materiālu izmantošana medicīnā ir ASV, Ķīnā un Japānā. Un Krievijā ir alternatīvu metožu piekritēji, lai gan nav iespējams ar kādu instrumentu izmērīt ietekmes lielumu uz ķermeni vai augu.
Bet atpakaļ vēsturē. Mazāzijā pirms daudziem gadsimtiem pilna plūduma līkloču krastos jau pastāvēja senā Magnēzijas pilsēta. Un šodien jūs varat apmeklēt tās gleznainās drupas Turcijā. Tieši tur tika atklāta pirmā magnētiskā dzelzsrūda, kas tika nosaukta pēc nosaukumapilsētas. Diezgan ātri tas izplatījās visā pasaulē, un ķīnieši pirms pieciem tūkstošiem gadu ar tās palīdzību izgudroja navigācijas ierīci, kas joprojām nemirst. Tagad cilvēce ir iemācījusies ražot magnētus mākslīgi rūpnieciskā mērogā. To pamatā ir dažādi feromagnēti. Tartu Universitātei ir lielākais dabiskais magnēts, kas spēj pacelt apmēram četrdesmit kilogramus, bet pati sver tikai trīspadsmit. Mūsdienu pulveri ir izgatavoti no kob alta, dzelzs un dažādām citām piedevām, tie notur slodzes piecus tūkstošus reižu vairāk nekā sver.
Histerēzes cilpa
Ir divu veidu mākslīgie magnēti. Pirmais veids ir konstantes, kuras ir izgatavotas no cietiem magnētiskiem materiāliem, to īpašības nekādā veidā nav saistītas ar ārējiem avotiem vai strāvām. Otrs veids ir elektromagnēti. Viņiem ir kodols, kas izgatavots no dzelzs - magnētiski mīksta materiāla, un caur šī serdeņa tinumu iet strāva, kas rada magnētisko lauku. Tagad mums ir jāapsver tās darbības principi. Raksturo cieto magnētisko materiālu histerēzes cilpas magnētiskās īpašības. Magnētisko sistēmu ražošanai ir diezgan sarežģītas tehnoloģijas, tāpēc ir nepieciešama informācija par magnetizāciju, magnētisko caurlaidību un enerģijas zudumiem, kad notiek magnetizācijas maiņa. Ja intensitātes izmaiņas ir cikliskas, remagnetizācijas līkne (indukcijas izmaiņas) vienmēr izskatīsies kā slēgta līkne. Šī ir histerēzes cilpa. Ja lauks ir vājš, tad cilpa vairāk atgādina elipsi.
Kad spriedzemagnētiskais lauks palielinās, tiek iegūta vesela virkne šādu cilpu, kas ir noslēgtas viena otrā. Magnetizācijas procesā visi vektori ir orientēti gar, un beigās iestāsies tehniskā piesātinājuma stāvoklis, materiāls tiks pilnībā magnetizēts. Piesātinājuma laikā iegūto cilpu sauc par robežcilpu, tā parāda maksimālo sasniegto indukcijas Bs (piesātinājuma indukcijas) vērtību. Kad spriedze samazinās, paliek atlikušā indukcija. Histerēzes cilpu laukums robežstāvokļos un starpstāvokļos parāda enerģijas izkliedi, tas ir, histerēzes zudumu. Tas visvairāk ir atkarīgs no magnetizācijas maiņas frekvences, materiāla īpašībām un ģeometriskajiem izmēriem. Ierobežojošā histerēzes cilpa var noteikt šādus cieto magnētisko materiālu raksturlielumus: piesātinājuma indukciju Bs, atlikušo indukciju Bc un koercitīvo spēku Hc.
Magnetizācijas līkne
Šī līkne ir vissvarīgākais raksturlielums, jo tā parāda magnetizācijas atkarību un ārējā lauka stiprumu. Magnētiskā indukcija tiek mērīta Teslā un ir saistīta ar magnetizāciju. Pārslēgšanās līkne ir galvenā, tā ir pīķu atrašanās vieta uz histerēzes cilpām, kas iegūtas cikliskās remagnetizācijas laikā. Tas atspoguļo magnētiskās indukcijas izmaiņas, kas ir atkarīgas no lauka intensitātes. Kad magnētiskā ķēde ir aizvērta, lauka stiprums, kas atspoguļots toroida formā, ir vienāds ar ārējā lauka intensitāti. Ja magnētiskā ķēde ir atvērta, magnēta galos parādās stabi, kas rada demagnetizāciju. Atšķirība starpšie spriegumi nosaka materiāla iekšējo spriegumu.
Galvenajā līknē ir raksturīgas sadaļas, kas izceļas, kad tiek magnetizēts viens feromagnēta kristāls. Pirmajā sadaļā parādīts nelabvēlīgi noregulētu domēnu robežu nobīdes process, bet otrajā magnetizācijas vektori pagriežas pret ārējo magnētisko lauku. Trešā sadaļa ir paraprocess, pēdējais magnetizācijas posms, šeit magnētiskais lauks ir spēcīgs un virzīts. Mīksto un cieto magnētisko materiālu pielietošana lielā mērā ir atkarīga no raksturlielumiem, kas iegūti no magnetizācijas līknes.
Caurlaidība un enerģijas zudumi
Lai raksturotu materiāla uzvedību spriedzes laukā, ir jāizmanto tāds jēdziens kā absolūtā magnētiskā caurlaidība. Ir impulsa, diferenciālās, maksimālās, sākotnējās, normālās magnētiskās caurlaidības definīcijas. Radinieks tiek izsekots pa galveno līkni, tāpēc šī definīcija netiek izmantota – vienkāršības labad. Magnētisko caurlaidību apstākļos, kad H=0 sauc par sākotnējo, un to var noteikt tikai vājos laukos, līdz aptuveni 0,1 vienībai. Maksimums, gluži pretēji, raksturo augstāko magnētisko caurlaidību. Normālās un maksimālās vērtības dod iespēju novērot normālu procesa gaitu katrā konkrētajā gadījumā. Piesātinājuma reģionā spēcīgos laukos magnētiskajai caurlaidībai vienmēr ir tendence uz vienotību. Visas šīs vērtības ir nepieciešamas cietā magnētiskā lauka izmantošanaimateriālus, vienmēr izmantojiet tos.
Enerģijas zudumi magnetizācijas maiņas laikā ir neatgriezeniski. Elektrība izdalās materiālā kā siltums, un tās zudumus veido dinamiskie zudumi un histerēzes zudumi. Pēdējie tiek iegūti, pārvietojot domēna sienas, kad magnetizācijas process tikai sākas. Tā kā magnētiskajam materiālam ir neviendabīga struktūra, enerģija noteikti tiek tērēta domēna sienu izlīdzināšanai. Un dinamiskie zudumi tiek iegūti saistībā ar virpuļstrāvām, kas rodas magnētiskā lauka stipruma un virziena maiņas brīdī. Enerģija tiek izkliedēta tādā pašā veidā. Un virpuļstrāvu radītie zaudējumi pārsniedz pat histerēzes zudumus augstās frekvencēs. Tāpat tiek iegūti dinamiskie zudumi magnētiskā lauka stāvokļa atlikušo izmaiņu dēļ pēc intensitātes maiņas. Pēcefekta zudumu apjoms ir atkarīgs no sastāva, no materiāla termiskās apstrādes, īpaši tie parādās augstās frekvencēs. Pēcefekts ir magnētiskā viskozitāte, un šie zudumi vienmēr tiek ņemti vērā, ja feromagnēti tiek izmantoti impulsa režīmā.
Cieto magnētisko materiālu klasifikācija
Apzīmējumi, kas runā par maigumu un cietību, vispār neattiecas uz mehāniskajām īpašībām. Daudzi cietie materiāli patiesībā ir magnētiski mīksti, un no mehāniskā viedokļa mīkstie materiāli ir arī diezgan cieti magnētiski. Magnetizācijas process abās materiālu grupās notiek vienādi. Pirmkārt, domēna robežas tiek pārvietotas, pēc tam sākas rotācijaarvien vairāk magnetizējošā lauka virzienā, un visbeidzot sākas paraprocess. Un šeit parādās atšķirība. Magnetizācijas līkne parāda, ka ir vieglāk pārvietot robežas, tiek iztērēts mazāk enerģijas, bet rotācijas process un paraprocess ir energoietilpīgāki. Mīkstie magnētiskie materiāli tiek magnetizēti ar robežu nobīdi. Ciets magnētisks - rotācijas un paraprocesa dēļ.
Histerēzes cilpas forma ir aptuveni vienāda abām materiālu grupām, piesātinājums un atlikušā indukcija arī ir gandrīz vienādi, taču atšķirība pastāv piespiedu spēkā, un tā ir ļoti liela. Cietajiem magnētiskajiem materiāliem ir Hc=800 kA-m, savukārt mīkstajiem magnētiskajiem materiāliem ir tikai 0,4 A-m. Kopumā atšķirība ir milzīga: 2106 reizes. Tāpēc, pamatojoties uz šīm īpašībām, tika pieņemts šāds sadalījums. Lai gan jāatzīst, ka tas ir diezgan nosacīti. Mīkstie magnētiskie materiāli var piesātināties pat vājā magnētiskajā laukā. Tos izmanto zemfrekvences laukos. Piemēram, magnētiskās atmiņas ierīcēs. Cietos magnētiskos materiālus ir grūti magnetizēt, taču tie saglabā magnetizāciju ļoti ilgu laiku. Tieši no tiem iegūst labus pastāvīgos magnētus. Cieto magnētisko materiālu pielietojuma jomas ir daudz un plašas, dažas no tām ir norādītas raksta sākumā. Ir vēl viena grupa - īpašiem nolūkiem paredzēti magnētiskie materiāli, to darbības joma ir ļoti šaura.
Cietības detaļas
Kā jau minēts, cietajiem magnētiskajiem materiāliem ir plaša histerēzes cilpa un liels piespiedu spēks, zema magnētiskā caurlaidība. Tos raksturo maksimālā īpatnējā magnētiskā enerģija, kas izdalītatelpa. Un jo "cietāks" ir magnētiskais materiāls, jo lielāka ir tā izturība, jo zemāka ir caurlaidība. Īpašajai magnētiskajai enerģijai tiek piešķirta vissvarīgākā loma materiāla kvalitātes novērtēšanā. Pastāvīgais magnēts ar slēgtu magnētisko ķēdi praktiski neizdala enerģiju āra telpai, jo visas spēka līnijas atrodas serdes iekšpusē, un ārpus tā nav magnētiskā lauka. Lai maksimāli izmantotu pastāvīgo magnētu enerģiju, slēgtā magnētiskajā ķēdē tiek izveidota stingri noteikta izmēra un konfigurācijas gaisa sprauga.
Ar laiku magnēts "noveco", tā magnētiskā plūsma samazinās. Tomēr šāda novecošana var būt gan neatgriezeniska, gan atgriezeniska. Pēdējā gadījumā tās novecošanās cēloņi ir triecieni, triecieni, temperatūras svārstības, pastāvīgi ārējie lauki. Magnētiskā indukcija ir samazināta. Bet to var atkal magnetizēt, tādējādi atjaunojot tā lieliskās īpašības. Bet, ja pastāvīgajam magnētam ir notikušas kādas strukturālas izmaiņas, atkārtota magnetizācija nepalīdzēs, novecošanās netiks novērsta. Bet tie kalpo ilgu laiku, un cieto magnētisko materiālu mērķis ir lielisks. Piemēri ir burtiski visur. Tie nav tikai pastāvīgie magnēti. Šis ir materiāls informācijas glabāšanai, tās ierakstīšanai - gan skaņas, gan digitālā, gan video. Taču iepriekš minētais ir tikai neliela daļa no cieto magnētisko materiālu pielietojuma.
Cietu magnētisku materiālu liešana
Atbilstoši ražošanas metodei un sastāvam var liet cietos magnētiskos materiālus, pulveri un citus. To pamatā ir sakausējumi.dzelzs, niķelis, alumīnijs un dzelzs, niķelis, kob alts. Šīs kompozīcijas ir visvienkāršākās, lai iegūtu pastāvīgo magnētu. Tie pieder pie precizitātes, jo to skaitu nosaka visstingrākie tehnoloģiskie faktori. Lietus cietos magnētiskos materiālus iegūst sakausējuma nokrišņu sacietēšanas laikā, kur dzesēšana notiek ar aprēķinātu ātrumu no kušanas līdz sadalīšanās sākumam, kas notiek divās fāzēs.
Pirmais - kad sastāvs ir tuvu tīrai dzelzs ar izteiktām magnētiskām īpašībām. It kā parādās viena domēna biezuma plāksnes. Un otrā fāze pēc sastāva ir tuvāka intermetāliskajam savienojumam, kur niķelim un alumīnijam ir zemas magnētiskās īpašības. Izrādās sistēma, kurā nemagnētiskā fāze ir apvienota ar spēcīgi magnētiskiem ieslēgumiem ar lielu piespiedu spēku. Bet šim sakausējumam nav pietiekami labas magnētiskās īpašības. Visizplatītākais ir cits sastāvs, leģēts: dzelzs, niķelis, alumīnijs un varš ar kob altu leģēšanai. Kob altu nesaturošiem sakausējumiem ir zemākas magnētiskās īpašības, taču tie ir daudz lētāki.
Pulvercieti magnētiski materiāli
Pulvermateriāli tiek izmantoti miniatūriem, bet sarežģītiem pastāvīgajiem magnētiem. Tie ir metālkeramikas, metāla plastmasas, oksīda un mikropulvera. Īpaši laba ir metālkeramika. Magnētisko īpašību ziņā tas ir nedaudz zemāks par lietajiem, taču nedaudz dārgāks par tiem. Keramikas-metāla magnēti tiek izgatavoti, presējot metāla pulverus bez jebkāda saistmateriāla un saķepinot tos ļoti augstā temperatūrā. Tiek izmantoti pulveriar iepriekš aprakstītajiem sakausējumiem, kā arī tiem, kuru pamatā ir platīns un retzemju metāli.
Mehāniskās izturības ziņā pulvermetalurģija ir pārāka par liešanu, taču metālkeramikas magnētu magnētiskās īpašības joprojām ir nedaudz zemākas nekā lietajiem. Uz platīna bāzes izgatavotiem magnētiem ir ļoti augstas piespiedu spēka vērtības, un parametri ir ļoti stabili. Sakausējumiem ar urānu un retzemju metāliem ir rekordlielas maksimālās magnētiskās enerģijas vērtības: robežvērtība ir 112 kJ uz kvadrātmetru. Šādus sakausējumus iegūst, auksti presējot pulveri līdz augstākajai blīvuma pakāpei, pēc tam briketes tiek saķepinātas ar šķidrās fāzes klātbūtni un daudzkomponentu sastāva liešanu. Sastāvdaļas tik lielā mērā sajaukt ar vienkāršu liešanu nav iespējams.
Citi cieti magnētiski materiāli
Cietie magnētiskie materiāli ietver arī tos, kuriem ir ļoti specializēts mērķis. Tie ir elastīgie magnēti, plastiski deformējami sakausējumi, materiāli informācijas nesējiem un šķidruma magnēti. Deformējamiem magnētiem ir lieliskas plastmasas īpašības, tie lieliski piemēroti jebkura veida mehāniskai apstrādei - štancēšanai, griešanai, apstrādei. Bet šie magnēti ir dārgi. Kunife magnēti, kas izgatavoti no vara, niķeļa un dzelzs, ir anizotropi, tas ir, tie ir magnetizēti velmēšanas virzienā, tiek izmantoti štancēšanas un stieples veidā. Vikalloy magnēti, kas izgatavoti no kob alta un vanādija, ir izgatavoti augstas stiprības magnētiskās lentes, kā arī stieples veidā. Šis sastāvs ir piemērots ļoti maziem magnētiem ar vissarežģītāko konfigurāciju.
Elastīgie magnēti - uz gumijas pamatnes, kurāPildviela ir smalks cieta magnētiska materiāla pulveris. Visbiežāk tas ir bārija ferīts. Šī metode ļauj iegūt absolūti jebkuras formas produktus ar augstu izgatavojamību. Tie ir arī lieliski sagriezti ar šķērēm, saliekti, apzīmogoti, savīti. Tie ir daudz lētāki. Magnētiskā gumija tiek izmantota kā magnētiskās atmiņas loksnes datoriem, televīzijā, koriģējošām sistēmām. Magnētiskie materiāli kā informācijas nesēji atbilst daudzām prasībām. Šī ir augsta līmeņa atlikušā indukcija, neliels pašdemagnetizācijas efekts (pretējā gadījumā informācija tiks zaudēta), augsta piespiedu spēka vērtība. Un, lai atvieglotu ierakstu dzēšanas procesu, ir nepieciešams tikai neliels šī spēka daudzums, taču šī pretruna tiek novērsta ar tehnoloģiju palīdzību.
