I dag er det næsten umuligt at finde en teknisk industri, der ikke bruger hårde magnetiske materialer og permanente magneter. Disse er akustik og radioelektronik og computer- og måleudstyr og automation og varme og kraft og elektrisk kraft og byggeri og metallurgi og enhver form for transport og landbrug og medicin og malmforarbejdning og selv i køkkenet hos alle er der en mikrobølgeovn, den varmer pizzaen op. Det er umuligt at opregne alt, magnetiske materialer ledsager os på hvert trin af vores liv. Og alle produkter med deres hjælp fungerer efter helt andre principper: motorer og generatorer har deres egne funktioner, og bremseanordninger har deres egne, separatoren gør én ting, og fejldetektoren gør en anden. Sandsynligvis er der ingen komplet liste over tekniske enheder, hvor der bruges hårde magnetiske materialer, der er så mange af dem.
Hvad er magnetiske systemer
Vores planet i sig selv er et usædvanligt velsmurt magnetisk system. Alle de andre er bygget efter samme princip. Hårde magnetiske materialer har meget forskellige funktionelle egenskaber. I leverandørernes kataloger er det ikke forgæves, at ikke kun deres parametre er angivet, men også fysiske egenskaber. Derudover kan det være magnetisk hårde og magnetisk bløde materialer. Tag for eksempel resonant tomografer, hvor der anvendes systemer med et meget ensartet magnetfelt, og sammenlign med separatorer, hvor feltet er skarpt inhomogent. Et helt andet princip! Magnetiske systemer er blevet mestret, hvor feltet kan tændes og slukkes. Sådan er greb designet. Og nogle systemer ændrer endda magnetfeltet i rummet. Det er velkendte klystroner og vandrende bølgelamper. Egenskaberne ved bløde og hårde magnetiske materialer er virkelig magiske. De er som katalysatorer, de fungerer næsten altid som mellemmænd, men uden det mindste tab af deres egen energi er de i stand til at transformere en andens og forvandle en art til en anden.
For eksempel omdannes en magnetisk impuls til mekanisk energi ved drift af koblinger, separatorer og lignende. Mekanisk energi omdannes ved hjælp af magneter til elektrisk energi, hvis vi har med mikrofoner og generatorer at gøre. Og omvendt sker det! I højttalere og motorer omdanner magneter elektricitet til f.eks. mekanisk energi. Og det er ikke alt. Mekanisk energi kan endda omdannes til termisk energi, ligesom det magnetiske system gør det ved driften af en mikrobølgeovn eller i en bremseanordning. Er i stand tilmagnetisk hårde og magnetisk bløde materialer og på specialeffekter - i Hall-sensorer, i magnetiske resonans tomografer, i mikrobølgekommunikation. Du kan skrive en separat artikel om den katalytiske effekt på kemiske processer, hvordan gradientmagnetiske felter i vand påvirker strukturerne af ioner, proteinmolekyler og opløste gasser.
Magi fra antikken
Naturligt materiale - magnetit - var kendt af menneskeheden for flere årtusinder siden. På det tidspunkt var alle egenskaberne af hårde magnetiske materialer endnu ikke kendt, og derfor blev de ikke brugt i tekniske enheder. Og der var ingen tekniske anordninger endnu. Ingen vidste, hvordan man laver beregninger for driften af magnetiske systemer. Men indflydelsen på biologiske objekter er allerede blevet bemærket. Brugen af hårde magnetiske materialer gik først udelukkende til medicinske formål, indtil kineserne opfandt kompasset i det tredje århundrede f. Kr. Behandling med magnet er dog ikke stoppet før i dag, selvom der konstant er diskussioner om skadeligheden af sådanne metoder. Brugen af hårde magnetiske materialer i medicin i USA, Kina og Japan er særligt aktiv. Og i Rusland er der tilhængere af alternative metoder, selvom det er umuligt at måle størrelsen af påvirkningen på kroppen eller planten med et hvilket som helst instrument.
Men tilbage til historien. I Lilleasien eksisterede for mange århundreder siden allerede den antikke by Magnesia ved bredden af den fuldstrømmende Slyngel. Og i dag kan du besøge dens maleriske ruiner i Tyrkiet. Det var der, den første magnetiske jernmalm blev opdaget, som blev opkaldt efterbyer. Ret hurtigt spredte den sig over hele verden, og kineserne for fem tusinde år siden opfandt med dens hjælp en navigationsenhed, der stadig ikke dør. Nu har menneskeheden lært at fremstille magneter kunstigt i industriel skala. Grundlaget for dem er en række forskellige ferromagneter. Universitetet i Tartu har den største naturlige magnet, der er i stand til at løfte omkring fyrre kilo, mens den selv kun vejer tretten. Nutidens pulvere er lavet af kobolt, jern og forskellige andre tilsætningsstoffer, de rummer belastninger fem tusind gange mere, end de vejer.
Hysterese loop
Der er to typer kunstige magneter. Den første type er konstanter, som er lavet af hårde magnetiske materialer, deres egenskaber er på ingen måde forbundet med eksterne kilder eller strømme. Den anden type er elektromagneter. De har en kerne lavet af jern - et magnetisk blødt materiale, og en strøm passerer gennem viklingen af denne kerne, som skaber et magnetfelt. Nu skal vi overveje principperne for dets arbejde. Karakteriserer hysteresesløjfens magnetiske egenskaber for hårde magnetiske materialer. Der er ret komplekse teknologier til fremstilling af magnetiske systemer, og derfor er der brug for information om magnetisering, magnetisk permeabilitet og energitab, når magnetiseringsvending sker. Hvis ændringen i intensitet er cyklisk, vil remagnetiseringskurven (ændringer i induktion) altid ligne en lukket kurve. Dette er hysterese-løkken. Hvis feltet er svagt, er løkken mere som en ellipse.
Når spændingendet magnetiske felt stiger, en hel række af sådanne sløjfer opnås, indesluttet i hinanden. I magnetiseringsprocessen er alle vektorer orienteret langs, og i slutningen vil en tilstand af teknisk mætning komme, materialet vil blive fuldstændig magnetiseret. Sløjfen opnået under mætning kaldes grænseløkken, den viser den maksim alt opnåede værdi af induktionen Bs (mætningsinduktion). Når spændingen aftager, forbliver den resterende induktion. Arealet af hysteresesløjferne i grænse- og mellemtilstandene viser energidissipationen, det vil sige hysteresetabet. Det afhænger mest af alt af magnetiseringens vendingsfrekvens, materialeegenskaber og geometriske dimensioner. Den begrænsende hysteresesløjfe kan bestemme følgende karakteristika for hårde magnetiske materialer: mætningsinduktion Bs, resterende induktion Bc og tvangskraft Hc.
Magnetiseringskurve
Denne kurve er den vigtigste egenskab, fordi den viser afhængigheden af magnetiseringen og styrken af det ydre felt. Magnetisk induktion måles i Tesla og er relateret til magnetisering. Skiftekurven er den vigtigste, det er placeringen af toppene på hysteresesløjferne, som opnås under den cykliske remagnetisering. Dette afspejler ændringen i magnetisk induktion, som afhænger af feltstyrken. Når det magnetiske kredsløb er lukket, er feltstyrken reflekteret i form af en toroid lig med den eksterne feltstyrke. Hvis det magnetiske kredsløb er åbent, opstår der poler i enderne af magneten, som skaber afmagnetisering. Forskel mellemdisse spændinger bestemmer den indre spænding af materialet.
Der er karakteristiske sektioner på hovedkurven, der skiller sig ud, når en enkelt krystal af en ferromagnet magnetiseres. Det første afsnit viser processen med at flytte grænserne for ugunstigt indstillede domæner, og i det andet vender magnetiseringsvektorerne mod det eksterne magnetfelt. Det tredje afsnit er paraprocessen, magnetiseringens sidste fase, her er magnetfeltet stærkt og rettet. Anvendelsen af bløde og hårde magnetiske materialer afhænger i høj grad af de karakteristika, der opnås fra magnetiseringskurven.
Permeabilitet og energitab
For at karakterisere et materiales opførsel i et spændingsfelt er det nødvendigt at bruge et sådant koncept som absolut magnetisk permeabilitet. Der er definitioner af impuls, differential, maksimum, initial, normal magnetisk permeabilitet. Slægten spores langs hovedkurven, så denne definition er ikke brugt - for nemheds skyld. Magnetisk permeabilitet under forhold, hvor H=0 kaldes initial, og den kan kun bestemmes i svage felter, op til ca. 0,1 enheder. Maksimum karakteriserer tværtimod den højeste magnetiske permeabilitet. De normale og maksimale værdier giver mulighed for at observere det normale forløb af processen i hvert enkelt tilfælde. I mætningsområdet i stærke felter tenderer den magnetiske permeabilitet altid til at blive ens. Alle disse værdier er nødvendige for brugen af hård magnetiskmaterialer, brug dem altid.
Energitab under magnetiseringsvending er irreversibelt. Elektricitet frigives i materialet som varme, og dets tab består af dynamiske tab og hysteresetab. Sidstnævnte opnås ved at forskyde domænevæggene, når magnetiseringsprocessen lige er begyndt. Da det magnetiske materiale har en inhomogen struktur, bruges der nødvendigvis energi på justeringen af domænevæggene. Og dynamiske tab opnås i forbindelse med hvirvelstrømme, der opstår i det øjeblik, hvor magnetfeltets styrke og retning ændres. Energi spredes på samme måde. Og tabene på grund af hvirvelstrømme overstiger selv hysteresetabene ved høje frekvenser. Der opnås også dynamiske tab på grund af resterende ændringer i magnetfeltets tilstand, efter at intensiteten er ændret. Mængden af eftervirkningstab afhænger af sammensætningen, af varmebehandlingen af materialet optræder de især ved høje frekvenser. Eftervirkningen er den magnetiske viskositet, og disse tab tages altid i betragtning, hvis ferromagneter bruges i pulserende tilstand.
Klassificering af hårde magnetiske materialer
Begreberne, der taler om blødhed og hårdhed, gælder slet ikke for mekaniske egenskaber. Mange hårde materialer er faktisk magnetisk bløde, og ud fra et mekanisk synspunkt er bløde materialer også ret hårde magnetiske. Magnetiseringsprocessen i begge grupper af materialer foregår på samme måde. Først forskydes domænegrænserne, derefter begynder rotationen ii retning af et stadig mere magnetiserende felt, og til sidst begynder paraprocessen. Og det er her forskellen kommer ind. Magnetiseringskurven viser, at det er lettere at flytte grænserne, der bruges mindre energi, men rotationsprocessen og paraprocessen er mere energikrævende. Bløde magnetiske materialer magnetiseres ved forskydning af grænser. Hård magnetisk - på grund af rotation og paraproces.
Formen af hysteresesløjfen er omtrent den samme for begge grupper af materialer, mætning og restinduktion er også tæt på ens, men forskellen findes i tvangskraften, og den er meget stor. Hårde magnetiske materialer har Hc=800 kA-m, mens bløde magnetiske materialer kun har 0,4 A-m. I alt er forskellen enorm: 2106 gange. Det er derfor, baseret på disse karakteristika, blev en sådan opdeling vedtaget. Det må dog indrømmes, at det er ret betinget. Bløde magnetiske materialer kan mættes selv i et svagt magnetfelt. De bruges i lavfrekvente felter. For eksempel i magnetiske hukommelsesenheder. Hårde magnetiske materialer er svære at magnetisere, men de bevarer magnetiseringen i meget lang tid. Det er fra dem, at gode permanente magneter opnås. Anvendelsesområderne for hårde magnetiske materialer er talrige og omfattende, nogle af dem er anført i begyndelsen af artiklen. Der er en anden gruppe - magnetiske materialer til specielle formål, deres omfang er meget snævert.
Detaljer om hårdhed
Som allerede nævnt har hårde magnetiske materialer en bred hystereseløkke og en stor tvangskraft, lav magnetisk permeabilitet. De er karakteriseret ved den maksimale specifikke magnetiske energi, der afgives iplads. Og jo "hårdere" det magnetiske materiale er, jo højere dets styrke, jo lavere er permeabiliteten. Den specifikke magnetiske energi får den vigtigste rolle i vurderingen af materialets kvalitet. En permanent magnet afgiver praktisk t alt ikke energi til det ydre rum med et lukket magnetisk kredsløb, fordi alle kraftlinjerne er inde i kernen, og der er intet magnetfelt uden for den. For at få mest muligt ud af energien fra permanente magneter, skabes et luftgab af en strengt defineret størrelse og konfiguration inde i et lukket magnetisk kredsløb.
Med tiden "bliver magneten gammel", dens magnetiske flux falder. Imidlertid kan en sådan ældning være både irreversibel og reversibel. I sidstnævnte tilfælde er årsagerne til dets aldring stød, stød, temperatursvingninger, konstante eksterne felter. Den magnetiske induktion reduceres. Men den kan magnetiseres igen, og dermed genskabe dens fremragende egenskaber. Men hvis den permanente magnet har undergået nogen strukturelle ændringer, vil re-magnetisering ikke hjælpe, aldring vil ikke blive elimineret. Men de tjener i lang tid, og formålet med hårde magnetiske materialer er fantastisk. Eksempler er bogstaveligt t alt over alt. Det er ikke kun permanente magneter. Dette er et materiale til at gemme information, til at optage det - både lyd og digit alt og video. Men ovenstående er kun en lille del af anvendelsen af hårde magnetiske materialer.
Støbte hårde magnetiske materialer
Ifølge produktionsmetoden og sammensætningen kan hårde magnetiske materialer støbes, pulver og andre. De er baseret på legeringer.jern, nikkel, aluminium og jern, nikkel, kobolt. Disse sammensætninger er de mest basale for at få en permanent magnet. De hører til præcision, da deres antal er bestemt af de strengeste teknologiske faktorer. Støbte hårde magnetiske materialer opnås under udfældningshærdning af legeringen, hvor afkøling sker med en beregnet hastighed fra smeltning til begyndelse af nedbrydning, som sker i to faser.
Den første - når sammensætningen er tæt på rent jern med udt alte magnetiske egenskaber. Som om plader af enkelt-domæne tykkelse vises. Og den anden fase er tættere på den intermetalliske forbindelse i sammensætning, hvor nikkel og aluminium har lave magnetiske egenskaber. Det viser sig et system, hvor den ikke-magnetiske fase er kombineret med stærkt magnetiske indeslutninger med en stor tvangskraft. Men denne legering er ikke god nok i magnetiske egenskaber. Den mest almindelige er en anden sammensætning, legeret: jern, nikkel, aluminium og kobber med kobolt til legering. Koboltfri legeringer har lavere magnetiske egenskaber, men de er meget billigere.
Powder-hårde magnetiske materialer
Pulvermaterialer bruges til miniature men komplekse permanente magneter. De er metal-keramik, metal-plast, oxid og mikropulver. Cermeten er især god. Med hensyn til magnetiske egenskaber er det en del ringere end støbte, men noget dyrere end dem. Keramiske metalmagneter fremstilles ved at presse metalpulvere uden bindemateriale og sintre dem ved meget høje temperaturer. Der bruges pulveremed de ovenfor beskrevne legeringer samt dem, der er baseret på platin og sjældne jordarters metaller.
Med hensyn til mekanisk styrke er pulvermetallurgi overlegen i forhold til støbning, men de magnetiske egenskaber af metalkeramiske magneter er stadig noget lavere end støbte. Platinbaserede magneter har meget høje tvangskraftværdier, og parametrene er meget stabile. Legeringer med uran og sjældne jordarters metaller har rekordværdier af maksimal magnetisk energi: grænseværdien er 112 kJ pr. kvadratmeter. Sådanne legeringer opnås ved koldpresning af pulveret til den højeste tæthedsgrad, derefter sintres briketterne med tilstedeværelsen af en flydende fase og støbning af en flerkomponentsammensætning. Det er umuligt at blande komponenterne i en sådan grad ved simpel støbning.
Andre hårde magnetiske materialer
Hårde magnetiske materialer omfatter også dem med et højt specialiseret formål. Det er elastiske magneter, plastisk deformerbare legeringer, materialer til informationsbærere og flydende magneter. Deformerbare magneter har fremragende plastegenskaber, de egner sig perfekt til enhver form for mekanisk bearbejdning - stempling, skæring, bearbejdning. Men disse magneter er dyre. Kunife-magneter lavet af kobber, nikkel og jern er anisotrope, det vil sige, de magnetiseres i rulleretningen, de bruges i form af stempling og tråd. Vikalloy-magneter lavet af kobolt og vanadium er lavet i form af et højstyrke magnetbånd samt ledning. Denne sammensætning er god til meget små magneter med den mest komplekse konfiguration.
Elastiske magneter - på gummibund, hvoriFyldstoffet er et fint pulver af et hårdt magnetisk materiale. Oftest er det bariumferrit. Denne metode giver dig mulighed for at få produkter af absolut enhver form med høj fremstillingsevne. De er også perfekt skåret med saks, bøjet, stemplet, snoet. De er meget billigere. Magnetisk gummi bruges som ark af magnetisk hukommelse til computere, i fjernsyn, til korrigerende systemer. Som informationsbærere opfylder magnetiske materialer mange krav. Dette er en restinduktion på højt niveau, en lille effekt af selvdemagnetisering (ellers vil informationen gå tabt), en høj værdi af tvangskraften. Og for at lette processen med at slette poster er der kun brug for en lille mængde af denne kraft, men denne modsigelse fjernes ved hjælp af teknologi.
