V súčasnosti je takmer nemožné nájsť technický priemysel, ktorý by nepoužíval tvrdé magnetické materiály a permanentné magnety. Sú to akustika, rádiová elektronika, počítače a meracie zariadenia, automatizácia, teplo a energia, elektrická energia, stavebníctvo, hutníctvo a všetky druhy dopravy, poľnohospodárstvo, medicína, spracovanie rúd a aj v kuchyni každého je mikrovlnná rúra, zohreje pizzu. Nedá sa všetko vymenovať, magnetické materiály nás sprevádzajú na každom kroku nášho života. A všetky produkty s ich pomocou fungujú podľa úplne iných princípov: motory a generátory majú svoje vlastné funkcie a brzdové zariadenia majú svoje, separátor robí jednu vec a detektor chýb druhú. Pravdepodobne neexistuje úplný zoznam technických zariadení, kde sa používajú tvrdé magnetické materiály, je ich tak veľa.
Čo sú magnetické systémy
Naša planéta samotná je výnimočne dobre naolejovaný magnetický systém. Všetky ostatné sú postavené na rovnakom princípe. Tvrdé magnetické materiály majú veľmi rôznorodé funkčné vlastnosti. V katalógoch dodávateľov sa nie nadarmo uvádzajú nielen ich parametre, ale aj fyzikálne vlastnosti. Navyše to môžu byť magneticky tvrdé a magneticky mäkké materiály. Zoberme si napríklad rezonančné tomografy, kde sa používajú systémy s vysoko rovnomerným magnetickým poľom, a porovnajme so separátormi, kde je pole ostro nehomogénne. Úplne iný princíp! Zvládli sa magnetické systémy, kde je možné pole zapínať a vypínať. Tak sú navrhnuté gripy. A niektoré systémy dokonca menia magnetické pole vo vesmíre. Ide o známe klystróny a lampy s putovnou vlnou. Vlastnosti mäkkých a tvrdých magnetických materiálov sú skutočne magické. Sú ako katalyzátory, takmer vždy fungujú ako sprostredkovatelia, no bez najmenšej straty vlastnej energie sú schopní premeniť energiu niekoho iného a premieňať jeden druh na druhý.
Napríklad magnetický impulz sa premieňa na mechanickú energiu pri prevádzke spojok, separátorov a podobne. Mechanická energia sa premieňa pomocou magnetov na elektrickú energiu, ak máme do činenia s mikrofónmi a generátormi. A stane sa to aj naopak! V reproduktoroch a motoroch premieňajú magnety elektrinu napríklad na mechanickú energiu. A to nie je všetko. Mechanická energia môže byť dokonca premenená na tepelnú energiu, rovnako ako magnetický systém pri prevádzke mikrovlnnej rúry alebo v brzdovom zariadení. Sú schopnímagneticky tvrdých a magneticky mäkkých materiáloch a na špeciálnych efektoch - v Hallových senzoroch, v magnetických rezonančných tomografoch, v mikrovlnnej komunikácii. O katalytickom účinku na chemické procesy, o tom, ako gradientné magnetické polia vo vode ovplyvňujú štruktúry iónov, molekúl bielkovín a rozpustených plynov, môžete napísať samostatný článok.
Mágia zo staroveku
Prírodný materiál – magnetit – ľudstvo poznalo pred niekoľkými tisícročiami. V tom čase ešte neboli známe všetky vlastnosti tvrdých magnetických materiálov, a preto sa v technických zariadeniach nepoužívali. A to ešte neboli žiadne technické zariadenia. Nikto nevedel, ako robiť výpočty pre fungovanie magnetických systémov. Ale vplyv na biologické objekty už bol zaznamenaný. Použitie tvrdých magnetických materiálov sa spočiatku využívalo výlučne na lekárske účely, až kým Číňania v treťom storočí pred naším letopočtom nevynašli kompas. Liečba magnetom však neprestala dodnes, aj keď sa neustále vedú diskusie o škodlivosti takýchto metód. Obzvlášť aktívne je použitie tvrdých magnetických materiálov v medicíne v USA, Číne a Japonsku. A v Rusku sú prívrženci alternatívnych metód, aj keď je nemožné zmerať veľkosť dopadu na telo alebo rastlinu akýmkoľvek prístrojom.
Ale späť do histórie. V Malej Ázii už pred mnohými storočiami na brehoch plného Meandra existovalo staroveké mesto Magnesia. A dnes môžete navštíviť jeho malebné ruiny v Turecku. Práve tam bola objavená prvá magnetická železná ruda, ktorá dostala menoMestá. Celkom rýchlo sa rozšíril do celého sveta a Číňania pred päťtisíc rokmi s jeho pomocou vynašli navigačné zariadenie, ktoré dodnes neumiera. Teraz sa ľudstvo naučilo vyrábať magnety umelo v priemyselnom meradle. Základom pre nich sú rôzne feromagnety. Univerzita v Tartu má najväčší prírodný magnet, ktorý dokáže zdvihnúť asi štyridsať kilogramov, pričom sama váži len trinásť. Dnešné prášky sa vyrábajú z kob altu, železa a rôznych ďalších prísad, udržia päťtisíckrát viac nákladu, ako vážia.
Hysterézna slučka
Existujú dva typy umelých magnetov. Prvým typom sú konštanty, ktoré sú vyrobené z tvrdých magnetických materiálov, ich vlastnosti nie sú v žiadnom prípade spojené s vonkajšími zdrojmi alebo prúdmi. Druhým typom sú elektromagnety. Majú jadro zo železa - magneticky mäkkého materiálu a vinutím tohto jadra prechádza prúd, ktorý vytvára magnetické pole. Teraz musíme zvážiť princípy jeho práce. Charakterizuje magnetické vlastnosti hysteréznej slučky pre tvrdé magnetické materiály. Existujú pomerne zložité technológie na výrobu magnetických systémov, a preto sú potrebné informácie o magnetizácii, magnetickej permeabilite a stratách energie, keď dôjde k obráteniu magnetizácie. Ak je zmena intenzity cyklická, remagnetizačná krivka (zmeny indukcie) bude vždy vyzerať ako uzavretá krivka. Toto je hysterézna slučka. Ak je pole slabé, slučka je skôr ako elipsa.
Keď je napätiemagnetické pole sa zväčšuje, získa sa celý rad takýchto slučiek, ktoré sú navzájom uzavreté. V procese magnetizácie sú všetky vektory orientované pozdĺž a na konci príde stav technického nasýtenia, materiál bude úplne zmagnetizovaný. Slučka získaná pri saturácii sa nazýva limitná slučka, zobrazuje maximálnu dosiahnutú hodnotu indukcie Bs (indukcia saturácie). Keď napätie klesá, zostáva zvyšková indukcia. Oblasť hysteréznych slučiek v medzných a medzistavoch ukazuje stratu energie, to znamená stratu hysterézy. Najviac závisí od frekvencie reverznej magnetizácie, materiálových vlastností a geometrických rozmerov. Obmedzujúca hysterézna slučka môže určiť nasledujúce charakteristiky tvrdých magnetických materiálov: saturačná indukcia Bs, zvyšková indukcia Bc a koercitívna sila Hc.
Krivka magnetizácie
Táto krivka je najdôležitejšou charakteristikou, pretože ukazuje závislosť magnetizácie a sily vonkajšieho poľa. Magnetická indukcia sa meria v Tesle a súvisí s magnetizáciou. Spínacia krivka je hlavná, je to umiestnenie vrcholov na hysteréznych slučkách, ktoré sa získajú počas cyklickej remagnetizácie. To odráža zmenu magnetickej indukcie, ktorá závisí od intenzity poľa. Keď je magnetický obvod uzavretý, intenzita poľa odrazená vo forme toroidu sa rovná intenzite vonkajšieho poľa. Ak je magnetický obvod otvorený, na koncoch magnetu sa objavia póly, ktoré vytvárajú demagnetizáciu. Rozdiel medzitieto napätia určujú vnútorné napätie materiálu.
Na hlavnej krivke sú charakteristické časti, ktoré vyniknú pri zmagnetizovaní jediného kryštálu feromagnetika. V prvej časti je znázornený proces posúvania hraníc nepriaznivo ladených domén a v druhej sa vektory magnetizácie otáčajú smerom k vonkajšiemu magnetickému poľu. Tretia sekcia je paraproces, konečný stupeň magnetizácie, tu je magnetické pole silné a usmernené. Aplikácia mäkkých a tvrdých magnetických materiálov závisí vo veľkej miere od charakteristík získaných z magnetizačnej krivky.
Priepustnosť a strata energie
Na charakterizáciu správania sa materiálu v poli napätia je potrebné použiť taký koncept, ako je absolútna magnetická permeabilita. Existujú definície impulznej, diferenciálnej, maximálnej, počiatočnej, normálnej magnetickej permeability. Relatívna je vedená pozdĺž hlavnej krivky, takže táto definícia sa nepoužíva - kvôli jednoduchosti. Magnetická permeabilita v podmienkach, keď H=0 sa nazýva počiatočná a dá sa určiť len v slabých poliach, do približne 0,1 jednotky. Maximum naopak charakterizuje najvyššiu magnetickú permeabilitu. Normálne a maximálne hodnoty poskytujú možnosť pozorovať normálny priebeh procesu v každom konkrétnom prípade. V oblasti nasýtenia v silných poliach má magnetická permeabilita vždy tendenciu k jednote. Všetky tieto hodnoty sú potrebné pre použitie tvrdých magnetovmateriály, vždy ich používajte.
Strata energie počas reverzácie magnetizácie je nezvratná. Elektrina sa v materiáli uvoľňuje ako teplo a jej straty sú tvorené dynamickými stratami a stratami hysterézou. Tie sa získajú premiestnením doménových stien, keď sa proces magnetizácie práve začína. Pretože magnetický materiál má nehomogénnu štruktúru, energia sa nevyhnutne vynakladá na zarovnanie doménových stien. A dynamické straty sa získajú v súvislosti s vírivými prúdmi, ktoré sa vyskytujú v okamihu zmeny sily a smeru magnetického poľa. Energia sa rozptýli rovnakým spôsobom. A straty spôsobené vírivými prúdmi dokonca prevyšujú hysterézne straty pri vysokých frekvenciách. Dynamické straty sú tiež dosiahnuté v dôsledku zvyškových zmien stavu magnetického poľa po zmene intenzity. Výška strát následkom závisí od zloženia, od tepelného spracovania materiálu, objavujú sa najmä pri vysokých frekvenciách. Následným efektom je magnetická viskozita a tieto straty sa vždy berú do úvahy, ak sa feromagnety používajú v pulznom režime.
Klasifikácia tvrdých magnetických materiálov
Pojmy, ktoré hovoria o mäkkosti a tvrdosti, sa vôbec nevzťahujú na mechanické vlastnosti. Mnohé tvrdé materiály sú v skutočnosti magneticky mäkké a z mechanického hľadiska sú mäkké materiály aj dosť tvrdé magnetické. Proces magnetizácie v oboch skupinách materiálov prebieha rovnakým spôsobom. Najprv sa posunú hranice domény, potom sa začne rotáciav smere stále viac magnetizujúceho poľa a nakoniec sa začína paraproces. A tu nastáva rozdiel. Magnetizačná krivka ukazuje, že je ľahšie posúvať hranice, vynakladá sa menej energie, ale proces rotácie a paraproces sú energeticky náročnejšie. Mäkké magnetické materiály sú zmagnetizované posunutím hraníc. Tvrdé magnetické - kvôli rotácii a paraprocessu.
Tvar hysteréznej slučky je približne rovnaký pre obe skupiny materiálov, saturácia a zvyšková indukcia sú tiež takmer rovnaké, ale existuje rozdiel v koercitívnej sile a je veľmi veľký. Tvrdé magnetické materiály majú Hc=800 kA-m, zatiaľ čo mäkké magnetické materiály majú len 0,4 A-m. Celkovo je rozdiel obrovský: 2106 krát. Preto sa na základe týchto charakteristík prijalo takéto delenie. Aj keď treba priznať, že je to skôr podmienené. Mäkké magnetické materiály sa dokážu nasýtiť aj v slabom magnetickom poli. Používajú sa v nízkofrekvenčných poliach. Napríklad v magnetických pamäťových zariadeniach. Tvrdé magnetické materiály je ťažké zmagnetizovať, no zachovajú si magnetizáciu veľmi dlho. Práve z nich sa získavajú dobré permanentné magnety. Oblasti použitia tvrdých magnetických materiálov sú početné a rozsiahle, niektoré z nich sú uvedené na začiatku článku. Existuje ďalšia skupina - magnetické materiály na špeciálne účely, ich rozsah je veľmi úzky.
Podrobnosti o tvrdosti
Ako už bolo spomenuté, tvrdé magnetické materiály majú širokú hysteréznu slučku a veľkú koercitívnu silu, nízku magnetickú permeabilitu. Vyznačujú sa maximálnou špecifickou magnetickou energiou uvoľnenou vpriestor. A čím "tvrdší" magnetický materiál, tým vyššia je jeho pevnosť, tým nižšia je priepustnosť. Špecifická magnetická energia zohráva najdôležitejšiu úlohu pri posudzovaní kvality materiálu. Permanentný magnet prakticky nevydáva energiu do vonkajšieho priestoru s uzavretým magnetickým obvodom, pretože všetky siločiary sú vo vnútri jadra a mimo neho nie je žiadne magnetické pole. Aby bolo možné čo najlepšie využiť energiu permanentných magnetov, vo vnútri uzavretého magnetického okruhu sa vytvorí vzduchová medzera presne definovanej veľkosti a konfigurácie.
Časom magnet „starne“, jeho magnetický tok klesá. Takéto starnutie však môže byť nezvratné aj reverzibilné. V druhom prípade sú príčinou jeho starnutia otrasy, otrasy, teplotné výkyvy, neustále vonkajšie polia. Magnetická indukcia je znížená. Dá sa ale opäť zmagnetizovať, čím sa obnovia jeho vynikajúce vlastnosti. Ale ak permanentný magnet prešiel nejakými štrukturálnymi zmenami, opätovná magnetizácia nepomôže, starnutie sa neodstráni. Ale slúžia dlho a účel tvrdých magnetických materiálov je skvelý. Príklady sú doslova všade. Nejde len o permanentné magnety. Toto je materiál na ukladanie informácií, na ich nahrávanie - zvuk, digitálny a video. Ale vyššie uvedené je len malá časť aplikácie tvrdých magnetických materiálov.
Odliate tvrdé magnetické materiály
Podľa spôsobu výroby a zloženia môžu byť tvrdé magnetické materiály odlievané, práškové a iné. Sú založené na zliatinách.železo, nikel, hliník a železo, nikel, kob alt. Tieto kompozície sú najzákladnejšie na získanie permanentného magnetu. Patria k precíznosti, keďže ich počet je určený najprísnejšími technologickými faktormi. Liate tvrdé magnetické materiály sa získavajú pri precipitačnom vytvrdzovaní zliatiny, kde ochladzovanie prebieha vypočítanou rýchlosťou od topenia po začiatok rozkladu, ktorý prebieha v dvoch fázach.
Prvý - keď je zloženie blízke čistému železu s výraznými magnetickými vlastnosťami. Akoby sa objavili platne s hrúbkou jednej domény. A druhá fáza je zložením bližšie k intermetalickej zlúčenine, kde nikel a hliník majú nízke magnetické vlastnosti. Ukazuje sa systém, kde je nemagnetická fáza kombinovaná so silne magnetickými inklúziami s veľkou koercitívnou silou. Ale táto zliatina nie je dostatočne dobrá z hľadiska magnetických vlastností. Najbežnejšie je iné zloženie, legované: železo, nikel, hliník a meď s kob altom na legovanie. Zliatiny bez kob altu majú nižšie magnetické vlastnosti, ale sú oveľa lacnejšie.
Práškové tvrdé magnetické materiály
Práškové materiály sa používajú na miniatúrne, ale zložité permanentné magnety. Sú to kovokeramické, kovoplastové, oxidové a mikropráškové. Cermet je obzvlášť dobrý. Pokiaľ ide o magnetické vlastnosti, je o niečo horší ako liate, ale o niečo drahší ako oni. Keramicko-kovové magnety sa vyrábajú lisovaním kovových práškov bez akéhokoľvek spojivového materiálu a ich spekaním pri veľmi vysokých teplotách. Používajú sa práškyso zliatinami opísanými vyššie, ako aj so zliatinami na báze platiny a kovov vzácnych zemín.
Pokiaľ ide o mechanickú pevnosť, prášková metalurgia je lepšia ako odlievanie, ale magnetické vlastnosti kovokeramických magnetov sú stále o niečo nižšie ako vlastnosti liatych. Magnety na báze platiny majú veľmi vysoké hodnoty koercitívnej sily a parametre sú vysoko stabilné. Zliatiny s uránom a kovmi vzácnych zemín majú rekordné hodnoty maximálnej magnetickej energie: hraničná hodnota je 112 kJ na meter štvorcový. Takéto zliatiny sa získavajú lisovaním prášku za studena na najvyšší stupeň hustoty, potom sa brikety spekajú za prítomnosti kvapalnej fázy a odlievajú sa viaczložkovou kompozíciou. Je nemožné zmiešať komponenty v takom rozsahu jednoduchým odlievaním.
Iné tvrdé magnetické materiály
Medzi tvrdé magnetické materiály patria aj materiály s vysoko špecializovaným účelom. Ide o elastické magnety, plasticky deformovateľné zliatiny, materiály pre nosiče informácií a tekuté magnety. Deformovateľné magnety majú vynikajúce plastické vlastnosti, výborne sa hodia na akékoľvek mechanické spracovanie - razenie, rezanie, opracovanie. Ale tieto magnety sú drahé. Magnety Kunife vyrobené z medi, niklu a železa sú anizotropné, to znamená, že sú magnetizované v smere valcovania, používajú sa vo forme razenia a drôtu. Vikalloy magnety vyrobené z kob altu a vanádu sú vyrobené vo forme vysokopevnostnej magnetickej pásky, ako aj drôtu. Toto zloženie je vhodné pre veľmi malé magnety s najkomplexnejšou konfiguráciou.
Elastické magnety - na gumenej základni, v ktorejPlnivo je jemný prášok z tvrdého magnetického materiálu. Najčastejšie ide o ferit bárnatý. Táto metóda vám umožňuje získať výrobky absolútne akéhokoľvek tvaru s vysokou vyrobiteľnosťou. Sú tiež perfektne strihané nožnicami, ohnuté, vyrazené, skrútené. Sú oveľa lacnejšie. Magnetická guma sa používa ako listy magnetickej pamäte pre počítače, v televízii, pre korekčné systémy. Magnetické materiály ako nosiče informácií spĺňajú mnohé požiadavky. Ide o vysokoúrovňovú zvyškovú indukciu, malý efekt samodemagnetizácie (inak dôjde k strate informácie), vysokú hodnotu koercitívnej sily. A na uľahčenie procesu vymazávania záznamov je potrebné len malé množstvo tejto sily, ale tento rozpor je odstránený pomocou technológie.
