Idag är det nästan omöjligt att hitta en teknisk industri som inte använder hårda magnetiska material och permanentmagneter. Dessa är akustik, och radioelektronik, och dator, och mätutrustning, och automation, och värme och kraft, och elkraft, och konstruktion, och metallurgi, och alla typer av transporter, och jordbruk, och medicin, och malmbearbetning, och även i allas kök finns en mikrovågsugn, den värmer upp pizzan. Det är omöjligt att räkna upp allt, magnetiska material följer oss i varje steg av vårt liv. Och alla produkter med deras hjälp fungerar enligt helt andra principer: motorer och generatorer har sina egna funktioner, och bromsanordningar har sina egna, separatorn gör en sak och feldetektorn en annan. Förmodligen finns det ingen komplett lista över tekniska enheter där hårdmagnetiska material används, det finns så många av dem.
Vad är magnetiska system
Vår planet i sig är ett exceptionellt väloljat magnetsystem. Alla de andra är byggda på samma princip. Hårda magnetiska material har mycket olika funktionella egenskaper. I leverantörernas kataloger är det inte förgäves att inte bara deras parametrar anges, utan också fysiska egenskaper. Dessutom kan det vara magnetiskt hårda och magnetiskt mjuka material. Ta till exempel resonanttomografer, där system med ett mycket enhetligt magnetfält används, och jämför med separatorer, där fältet är kraftigt inhomogent. En helt annan princip! Magnetiska system har bemästrats, där fältet kan slås på och av. Det är så grepp är utformade. Och vissa system ändrar till och med magnetfältet i rymden. Dessa är välkända klystroner och resande våglampor. Egenskaperna hos mjuka och hårda magnetiska material är verkligen magiska. De är som katalysatorer, de fungerar nästan alltid som mellanhänder, men utan den minsta förlust av sin egen energi kan de förvandla någon annans och förvandla en art till en annan.
Till exempel omvandlas en magnetisk impuls till mekanisk energi vid drift av kopplingar, separatorer och liknande. Mekanisk energi omvandlas med hjälp av magneter till elektrisk energi, om vi har att göra med mikrofoner och generatorer. Och vice versa händer! I högtalare och motorer omvandlar magneter till exempel elektricitet till mekanisk energi. Och det är inte allt. Mekanisk energi kan till och med omvandlas till termisk energi, liksom det magnetiska systemet vid drift av en mikrovågsugn eller i en bromsanordning. är kapablamagnetiskt hårda och magnetiskt mjuka material och på specialeffekter - i Hall-sensorer, i magnetiska resonanstomografier, i mikrovågskommunikation. Du kan skriva en separat artikel om den katalytiska effekten på kemiska processer, hur gradientmagnetiska fält i vatten påverkar strukturerna hos joner, proteinmolekyler och lösta gaser.
Magi från antiken
Naturligt material - magnetit - var känt för mänskligheten för flera årtusenden sedan. På den tiden var alla egenskaper hos hårda magnetiska material ännu inte kända, och därför användes de inte i tekniska anordningar. Och det fanns inga tekniska apparater ännu. Ingen visste hur man gör beräkningar för driften av magnetiska system. Men påverkan på biologiska föremål har redan märkts. Användningen av hårda magnetiska material gick till en början enbart för medicinska ändamål, tills kineserna uppfann kompassen på 300-talet f. Kr. Behandling med magnet har dock inte upphört förrän idag, även om det ständigt diskuteras om sådana metoders skadlighet. Användningen av hårdmagnetiska material inom medicinen i USA, Kina och Japan är särskilt aktiv. Och i Ryssland finns det anhängare av alternativa metoder, även om det är omöjligt att mäta storleken på påverkan på kroppen eller växten med något instrument.
Men tillbaka till historien. I Mindre Asien, för många århundraden sedan, fanns redan den antika staden Magnesia på stranden av den fullflödande Meander. Och idag kan du besöka dess pittoreska ruiner i Turkiet. Det var där som den första magnetiska järnmalmen upptäcktes, som fick sitt namn efterstäder. Ganska snabbt spreds det över hela världen, och kineserna för fem tusen år sedan uppfann med dess hjälp en navigationsenhet som fortfarande inte dör. Nu har mänskligheten lärt sig att producera magneter på konstgjord väg i industriell skala. Grunden för dem är en mängd olika ferromagneter. Universitetet i Tartu har den största naturliga magneten, som kan lyfta cirka fyrtio kilo, medan den själv bara väger tretton. Dagens pulver är gjorda av kobolt, järn och olika andra tillsatser, de rymmer fem tusen gånger mer än de väger.
Hysteresloop
Det finns två typer av konstgjorda magneter. Den första typen är konstanter, som är gjorda av hårda magnetiska material, deras egenskaper är inte på något sätt förknippade med externa källor eller strömmar. Den andra typen är elektromagneter. De har en kärna av järn - ett magnetiskt mjukt material, och en ström passerar genom lindningen av denna kärna, vilket skapar ett magnetfält. Nu måste vi överväga principerna för dess arbete. Karakteriserar de magnetiska egenskaperna hos hysteresloopen för hårda magnetiska material. Det finns ganska komplexa teknologier för tillverkning av magnetiska system, och därför behövs information om magnetisering, magnetisk permeabilitet och energiförluster när magnetiseringsreversering inträffar. Om förändringen i intensitet är cyklisk kommer ommagnetiseringskurvan (förändringar i induktion) alltid att se ut som en sluten kurva. Detta är hysteresloopen. Om fältet är svagt är slingan mer som en ellips.
När spänningenmagnetfältet ökar, en hel serie sådana slingor erhålls, inneslutna i varandra. I magnetiseringsprocessen är alla vektorer orienterade längs, och i slutet kommer ett tillstånd av teknisk mättnad, materialet kommer att magnetiseras helt. Slingan som erhålls under mättnad kallas gränsslingan, den visar det maxim alt uppnådda värdet för induktionen Bs (mättnadsinduktion). När spänningen minskar kvarstår kvarvarande induktion. Arean av hystereslooparna i gräns- och mellantillstånden visar energiförlusten, det vill säga hysteresförlusten. Det beror mest av allt på magnetiseringens omkastningsfrekvens, materialegenskaper och geometriska dimensioner. Den begränsande hysteresloopen kan bestämma följande egenskaper hos hårdmagnetiska material: mättnadsinduktion Bs, restinduktion Bc och koercitivkraft Hc.
magnetiseringskurva
Denna kurva är den viktigaste egenskapen, eftersom den visar beroendet av magnetiseringen och styrkan hos det yttre fältet. Magnetisk induktion mäts i Tesla och är relaterad till magnetisering. Omkopplingskurvan är den huvudsakliga, det är platsen för topparna på hystereslooparna, som erhålls under den cykliska ommagnetiseringen. Detta återspeglar förändringen i magnetisk induktion, som beror på fältstyrkan. När den magnetiska kretsen är sluten är fältstyrkan som reflekteras i form av en toroid lika med den yttre fältstyrkan. Om den magnetiska kretsen är öppen uppstår poler i ändarna av magneten, vilket skapar avmagnetisering. Skillnad mellandessa spänningar bestämmer materialets inre spänning.
Det finns karakteristiska sektioner på huvudkurvan som sticker ut när en enkristall av en ferromagnet magnetiseras. Det första avsnittet visar processen att förskjuta gränserna för ogynnsamt inställda domäner, och i det andra vänder magnetiseringsvektorerna mot det externa magnetfältet. Det tredje avsnittet är paraprocessen, magnetiseringens sista skede, här är magnetfältet starkt och riktat. Användningen av mjuka och hårda magnetiska material beror till stor del på de egenskaper som erhålls från magnetiseringskurvan.
Permeabilitet och energiförlust
För att karakterisera beteendet hos ett material i ett spänningsfält är det nödvändigt att använda ett sådant koncept som absolut magnetisk permeabilitet. Det finns definitioner av impuls, differential, maximal, initial, normal magnetisk permeabilitet. Släktingen spåras längs huvudkurvan, så denna definition används inte - för enkelhets skull. Magnetisk permeabilitet under förhållanden när H=0 kallas initial, och den kan endast bestämmas i svaga fält, upp till cirka 0,1 enheter. Maximum, tvärtom, kännetecknar den högsta magnetiska permeabiliteten. De normala och maximala värdena ger en möjlighet att observera det normala förloppet av processen i varje enskilt fall. I mättnadsområdet i starka fält tenderar den magnetiska permeabiliteten alltid till enhet. Alla dessa värden är nödvändiga för användning av hårdmagnetiskmaterial, använd dem alltid.
Energiförlust under magnetiseringsreversering är irreversibel. Elektricitet frigörs i materialet som värme, och dess förluster består av dynamiska förluster och hysteresförluster. De senare erhålls genom att förskjuta domänväggarna när magnetiseringsprocessen precis har börjat. Eftersom det magnetiska materialet har en inhomogen struktur, förbrukas energi nödvändigtvis på inriktningen av domänväggarna. Och dynamiska förluster erhålls i samband med virvelströmmar som uppstår i det ögonblick då magnetfältets styrka och riktning ändras. Energi försvinner på samma sätt. Och förlusterna på grund av virvelströmmar överstiger till och med hysteresförlusterna vid höga frekvenser. Dessutom erhålls dynamiska förluster på grund av kvarvarande förändringar i magnetfältets tillstånd efter att intensiteten har ändrats. Mängden eftereffektförluster beror på sammansättningen, på materialets värmebehandling, de uppträder speciellt vid höga frekvenser. Eftereffekten är den magnetiska viskositeten, och dessa förluster tas alltid med i beräkningen om ferromagneter används i pulsat läge.
Klassificering av hårda magnetiska material
Termen som talar om mjukhet och hårdhet gäller inte alls för mekaniska egenskaper. Många hårda material är faktiskt magnetiskt mjuka, och ur mekanisk synvinkel är mjuka material också ganska hårdmagnetiska. Magnetiseringsprocessen i båda materialgrupperna sker på samma sätt. Först förskjuts domängränserna, sedan börjar rotationen ini riktning mot ett allt mer magnetiserande fält, och slutligen börjar paraprocessen. Och det är här skillnaden kommer in. Magnetiseringskurvan visar att det är lättare att flytta gränserna, mindre energi går åt, men rotationsprocessen och paraprocessen är mer energikrävande. Mjuka magnetiska material magnetiseras genom förskjutning av gränser. Hård magnetisk - på grund av rotation och paraprocess.
Formen på hysteresloopen är ungefär densamma för båda materialgrupperna, mättnad och restinduktion är också nära lika, men skillnaden finns i koercitivkraften, och den är mycket stor. Hårda magnetiska material har Hc=800 kA-m, medan mjuka magnetiska material endast har 0,4 A-m. Tot alt är skillnaden enorm: 2106 gånger. Det är därför, baserat på dessa egenskaper, antogs en sådan uppdelning. Även om det måste erkännas att det är ganska villkorat. Mjuka magnetiska material kan mättas även i ett svagt magnetfält. De används i lågfrekventa fält. Till exempel i magnetiska minnesenheter. Hårda magnetiska material är svåra att magnetisera, men de behåller magnetiseringen under mycket lång tid. Det är från dem som bra permanentmagneter erhålls. Användningsområdena för hårdmagnetiska material är många och omfattande, några av dem är listade i början av artikeln. Det finns en annan grupp - magnetiska material för speciella ändamål, deras omfattning är mycket snäv.
Detaljer om hårdhet
Som redan nämnts har hårda magnetiska material en bred hysteresloop och en stor koercitivkraft, låg magnetisk permeabilitet. De kännetecknas av den maximala specifika magnetiska energin som avges iPlats. Och ju "hårdare" det magnetiska materialet är, desto högre hållfasthet, desto lägre är permeabiliteten. Den specifika magnetiska energin ges den viktigaste rollen för att bedöma materialets kvalitet. En permanent magnet avger praktiskt taget inte energi till det yttre rymden med en sluten magnetisk krets, eftersom alla kraftlinjer är inuti kärnan, och det finns inget magnetfält utanför den. För att få ut det mesta av energin från permanentmagneter skapas ett luftgap av en strikt definierad storlek och konfiguration inuti en sluten magnetisk krets.
Med tiden "blir magneten gammal", dess magnetiska flöde minskar. Sådant åldrande kan dock vara både irreversibelt och reversibelt. I det senare fallet är orsakerna till dess åldrande stötar, stötar, temperaturfluktuationer, konstanta yttre fält. Den magnetiska induktionen reduceras. Men den kan magnetiseras igen och på så sätt återställa dess utmärkta egenskaper. Men om permanentmagneten har genomgått några strukturella förändringar, kommer återmagnetisering inte att hjälpa, åldrande kommer inte att elimineras. Men de tjänar länge, och syftet med hårda magnetiska material är stort. Exempel finns bokstavligen överallt. Det är inte bara permanentmagneter. Detta är ett material för att lagra information, för att spela in den - både ljud och digit alt och video. Men ovanstående är bara en liten del av tillämpningen av hårda magnetiska material.
Gjutna hårda magnetiska material
Enligt produktionsmetoden och sammansättningen kan hårda magnetiska material gjutas, pulver och annat. De är baserade på legeringar.järn, nickel, aluminium och järn, nickel, kobolt. Dessa kompositioner är de mest grundläggande för att få en permanent magnet. De tillhör precision, eftersom deras antal bestäms av de strängaste tekniska faktorerna. Gjutna hårda magnetiska material erhålls under fällningshärdning av legeringen, där kylning sker med en beräknad hastighet från smältning till början av sönderdelning, vilket sker i två faser.
Den första - när sammansättningen är nära rent järn med uttalade magnetiska egenskaper. Som om plattor med en domäntjocklek dyker upp. Och den andra fasen är närmare den intermetalliska föreningen i sammansättning, där nickel och aluminium har låga magnetiska egenskaper. Det visar sig ett system där den icke-magnetiska fasen kombineras med starkt magnetiska inneslutningar med en stor koercitivkraft. Men denna legering är inte tillräckligt bra i magnetiska egenskaper. Den vanligaste är en annan sammansättning, legerad: järn, nickel, aluminium och koppar med kobolt för legering. Koboltfria legeringar har lägre magnetiska egenskaper, men de är mycket billigare.
Pulverhårda magnetiska material
Pulvermaterial används för miniatyr men komplexa permanentmagneter. De är metallkeramik, metall-plast, oxid och mikropulver. Cermet är särskilt bra. När det gäller magnetiska egenskaper är det ganska sämre än gjutna, men något dyrare än dem. Keramiska metallmagneter tillverkas genom att metallpulver pressas utan bindematerial och sintras vid mycket höga temperaturer. Pulver användsmed de ovan beskrivna legeringarna, såväl som de baserade på platina och sällsynta jordartsmetaller.
När det gäller mekanisk styrka är pulvermetallurgi överlägsen gjutning, men de magnetiska egenskaperna hos metallkeramiska magneter är fortfarande något lägre än hos gjutna. Platinabaserade magneter har mycket höga koercitivkraftvärden, och parametrarna är mycket stabila. Legeringar med uran och sällsynta jordartsmetaller har rekordvärden för maximal magnetisk energi: gränsvärdet är 112 kJ per kvadratmeter. Sådana legeringar erhålls genom kallpressning av pulvret till högsta densitet, sedan sintras briketterna med närvaro av en flytande fas och gjutning av en flerkomponentkomposition. Det är omöjligt att blanda komponenterna så mycket genom enkel gjutning.
Andra hårda magnetiska material
Hårda magnetiska material inkluderar även de med ett mycket specialiserat syfte. Det är elastiska magneter, plastiskt deformerbara legeringar, material för informationsbärare och flytande magneter. Deformerbara magneter har utmärkta plastegenskaper, de lämpar sig perfekt för alla typer av mekanisk bearbetning - stämpling, skärning, bearbetning. Men dessa magneter är dyra. Kunife-magneter gjorda av koppar, nickel och järn är anisotropa, det vill säga de magnetiseras i rullningsriktningen, de används i form av stämpling och tråd. Vikalloy-magneter gjorda av kobolt och vanadin är gjorda i form av ett höghållfast magnetband, såväl som tråd. Den här kompositionen är bra för mycket små magneter med den mest komplexa konfigurationen.
Elastiska magneter - på en gummibas, i vilkenFyllmedlet är ett fint pulver av ett hårt magnetiskt material. Oftast är det bariumferrit. Denna metod låter dig få produkter av absolut vilken form som helst med hög tillverkningsbarhet. De är också perfekt klippta med sax, böjda, stämplade, vridna. De är mycket billigare. Magnetgummi används som ark av magnetiskt minne för datorer, i TV, för korrigerande system. Som informationsbärare uppfyller magnetiska material många krav. Detta är en restinduktion på hög nivå, en liten effekt av självavmagnetisering (annars kommer informationen att gå förlorad), ett högt värde på tvångskraften. Och för att underlätta processen att radera poster behövs bara en liten del av denna kraft, men denna motsägelse tas bort med hjälp av teknik.
