Danas je gotovo nemoguće pronaći tehničku industriju koja ne koristi tvrde magnetne materijale i trajne magnete. To su i akustika, i radio elektronika, i kompjuterska, i mjerna oprema, i automatika, i toplotna energija, i električna energija, i građevinarstvo, i metalurgija, i svaki vid transporta, i poljoprivreda, i medicina, i prerada rude, i cak u kuhinji svakog ima mikrotalasna rerna, zagreva pizzu. Nemoguće je sve nabrojati, magnetni materijali nas prate na svakom koraku našeg života. I svi proizvodi uz njihovu pomoć rade po potpuno drugačijim principima: motori i generatori imaju svoje funkcije, a kočioni uređaji imaju svoje, separator radi jedno, a detektor grešaka drugo. Vjerovatno ne postoji potpuna lista tehničkih uređaja gdje se koriste tvrdi magnetni materijali, toliko ih je.
Šta su magnetni sistemi
Sama naša planeta je izuzetno dobro podmazan magnetni sistem. Svi ostali su izgrađeni na istom principu. Tvrdi magnetni materijali imaju vrlo raznolika funkcionalna svojstva. U katalozima dobavljača nisu uzalud navedeni ne samo njihovi parametri, već i fizička svojstva. Osim toga, to mogu biti magnetski tvrdi i magnetski meki materijali. Na primjer, uzmite rezonantne tomografe, gdje se koriste sistemi sa vrlo ujednačenim magnetnim poljem, i uporedite ih sa separatorima, gdje je polje oštro nehomogeno. Sasvim drugačiji princip! Savladani su magnetni sistemi gde se polje može uključiti i isključiti. Tako su dizajnirane ručke. A neki sistemi čak menjaju magnetno polje u svemiru. To su dobro poznati klistroni i lampe na putujućim talasima. Svojstva mekih i tvrdih magnetnih materijala su zaista magična. Oni su kao katalizatori, skoro uvek deluju kao posrednici, ali bez i najmanjeg gubitka sopstvene energije, u stanju su da transformišu tuđu, pretvarajući jednu vrstu u drugu.
Na primjer, magnetni impuls se pretvara u mehaničku energiju u radu spojnica, separatora i slično. Mehanička energija se uz pomoć magneta pretvara u električnu, ako je riječ o mikrofonima i generatorima. I obrnuto se dešava! U zvučnicima i motorima, magneti pretvaraju električnu energiju u mehaničku energiju, na primjer. I to nije sve. Mehanička energija se čak može pretvoriti u toplotnu, kao i magnetni sistem u radu mikrotalasne pećnice ili u uređaju za kočenje. U mogućnosti sumagnetno tvrdim i magnetski mekim materijalima i na specijalnim efektima - u Holovim senzorima, u magnetnim rezonantnim tomografima, u mikrotalasnoj komunikaciji. Možete napisati poseban članak o katalitičkom učinku na hemijske procese, kako gradijentna magnetna polja u vodi utiču na strukture jona, proteinskih molekula i otopljenih gasova.
Magija iz antike
Prirodni materijal - magnetit - bio je poznat čovječanstvu prije nekoliko milenijuma. U to vrijeme još nisu bila poznata sva svojstva tvrdih magnetskih materijala, pa se stoga nisu koristili u tehničkim uređajima. A tehničkih uređaja još nije bilo. Niko nije znao kako da izvrši proračune za rad magnetnih sistema. Ali uticaj na biološke objekte je već uočen. Upotreba tvrdih magnetnih materijala u početku je išla isključivo u medicinske svrhe, sve dok Kinezi nisu izumili kompas u trećem veku pre nove ere. Međutim, liječenje magnetom nije prestalo do danas, iako se stalno vode rasprave o štetnosti takvih metoda. Posebno je aktivna upotreba tvrdih magnetnih materijala u medicini u SAD-u, Kini i Japanu. I u Rusiji postoje pristalice alternativnih metoda, iako je nemoguće izmjeriti veličinu utjecaja na tijelo ili biljku bilo kojim instrumentom.
Ali nazad u istoriju. U Maloj Aziji, pre mnogo vekova, drevni grad Magnezija već je postojao na obalama Meandra koji teče punom vodom. I danas možete posjetiti njegove živopisne ruševine u Turskoj. Tamo je otkrivena prva magnetna željezna ruda, po kojoj je i dobila imegradova. Vrlo brzo se proširio svijetom, a Kinezi su prije pet hiljada godina uz njegovu pomoć izmislili navigacijski uređaj koji još uvijek ne umire. Sada je čovječanstvo naučilo umjetno proizvoditi magnete u industrijskim razmjerima. Osnova za njih su razni feromagneti. Univerzitet u Tartuu ima najveći prirodni magnet, sposoban da podigne oko četrdeset kilograma, dok je sam težak samo trinaest. Današnji puderi se prave od kob alta, gvožđa i raznih drugih aditiva, drže teret pet hiljada puta veći nego što su teži.
Histerezna petlja
Postoje dvije vrste umjetnih magneta. Prvi tip su konstante, koje su napravljene od tvrdih magnetnih materijala, njihova svojstva ni na koji način nisu povezana s vanjskim izvorima ili strujama. Druga vrsta su elektromagneti. Imaju jezgro od željeza - magnetski mekog materijala, a kroz namotaj ovog jezgra prolazi struja koja stvara magnetsko polje. Sada moramo razmotriti principe njegovog rada. Karakterizira magnetska svojstva petlje histereze za tvrde magnetne materijale. Postoje prilično složene tehnologije za proizvodnju magnetnih sistema, pa su stoga potrebne informacije o magnetizaciji, magnetskoj permeabilnosti i gubicima energije kada dođe do preokreta magnetizacije. Ako je promjena intenziteta ciklična, kriva remagnetizacije (promjene indukcije) uvijek će izgledati kao zatvorena kriva. Ovo je petlja histereze. Ako je polje slabo, onda je petlja više kao elipsa.
Kada je napetostmagnetsko polje se povećava, dobija se čitav niz takvih petlji, zatvorenih jedna u drugu. U procesu magnetizacije svi vektori su orijentisani uzduž, a na kraju će doći do stanja tehničkog zasićenja, materijal će biti potpuno magnetiziran. Petlja dobijena tokom zasićenja naziva se granična petlja, ona pokazuje maksimalnu postignutu vrijednost indukcije Bs (indukcija zasićenja). Kada se napetost smanji, preostala indukcija ostaje. Područje histerezisnih petlji u graničnom i međustanjima pokazuje disipaciju energije, odnosno gubitak histereze. To najviše zavisi od frekvencije preokreta magnetizacije, svojstava materijala i geometrijskih dimenzija. Granična petlja histereze može odrediti sljedeće karakteristike tvrdih magnetnih materijala: indukciju zasićenja Bs, zaostalu indukciju Bc i koercitivnu silu Hc.
Kriva magnetizacije
Ova kriva je najvažnija karakteristika, jer pokazuje zavisnost magnetizacije i jačine vanjskog polja. Magnetna indukcija se mjeri u Tesli i povezana je sa magnetizacijom. Kriva prebacivanja je glavna, to je lokacija vrhova na petlji histereze, koji se dobijaju tokom cikličke remagnetizacije. Ovo odražava promjenu magnetne indukcije, koja ovisi o jačini polja. Kada je magnetsko kolo zatvoreno, jačina polja reflektovanog u obliku toroida jednaka je vanjskoj jakosti polja. Ako je magnetsko kolo otvoreno, na krajevima magneta se pojavljuju polovi koji stvaraju demagnetizaciju. Razlika izmeđuove napetosti određuju unutrašnju napetost materijala.
Postoje karakteristični dijelovi na glavnoj krivulji koji se ističu kada se magnetizira jedan kristal feromagneta. U prvom dijelu prikazan je proces pomjeranja granica nepovoljno podešenih domena, au drugom se vektori magnetizacije okreću prema vanjskom magnetskom polju. Treći dio je paraproces, završna faza magnetizacije, ovdje je magnetsko polje jako i usmjereno. Primena mekih i tvrdih magnetnih materijala u velikoj meri zavisi od karakteristika dobijenih iz krivulje magnetizacije.
Propustljivost i gubitak energije
Da bi se okarakterisalo ponašanje materijala u polju napetosti, potrebno je koristiti koncept kao što je apsolutna magnetna permeabilnost. Postoje definicije impulsne, diferencijalne, maksimalne, početne, normalne magnetne permeabilnosti. Relativna se prati duž glavne krive, tako da se ova definicija ne koristi - radi jednostavnosti. Magnetna permeabilnost u uslovima kada je H=0 naziva se početnom i može se odrediti samo u slabim poljima, do približno 0,1 jedinica. Maksimum, naprotiv, karakteriše najveću magnetnu permeabilnost. Normalne i maksimalne vrijednosti daju priliku da se promatra normalan tok procesa u svakom konkretnom slučaju. U području zasićenja u jakim poljima, magnetna permeabilnost uvijek teži jedinici. Sve ove vrijednosti su neophodne za korištenje tvrdog magnetamaterijale, uvijek ih koristite.
Gubitak energije tokom preokreta magnetizacije je nepovratan. Električna energija se oslobađa u materijalu kao toplota, a njeni gubici se sastoje od dinamičkih gubitaka i gubitaka na histerezi. Potonje se dobijaju pomicanjem zidova domene kada proces magnetizacije tek počinje. Budući da magnetni materijal ima nehomogenu strukturu, energija se nužno troši na poravnavanje zidova domene. A dinamički gubici se dobijaju u vezi sa vrtložnim strujama koje nastaju u trenutku promene jačine i smera magnetnog polja. Energija se rasipa na isti način. A gubici zbog vrtložnih struja premašuju čak i gubitke na histerezi na visokim frekvencijama. Takođe, dinamički gubici se dobijaju zbog rezidualnih promena stanja magnetnog polja nakon promene intenziteta. Količina gubitaka nakon efekta zavisi od sastava, od termičke obrade materijala, pojavljuju se posebno na visokim frekvencijama. Posledice je magnetni viskozitet, a ovi gubici se uvek uzimaju u obzir ako se feromagneti koriste u pulsnom režimu.
Klasifikacija tvrdih magnetnih materijala
Izrazi koji govore o mekoći i tvrdoći uopšte se ne odnose na mehanička svojstva. Mnogi tvrdi materijali su zapravo magnetski mekani, a sa mehaničke tačke gledišta, mekani materijali su također prilično tvrdi magneti. Proces magnetizacije u obje grupe materijala odvija se na isti način. Prvo se pomiču granice domena, a zatim počinje rotacijau pravcu sve jačeg magnetizirajućeg polja, i konačno, počinje paraproces. I tu dolazi do razlike. Krivulja magnetizacije pokazuje da je lakše pomicati granice, troši se manje energije, ali su proces rotacije i paraproces energetski intenzivniji. Meki magnetni materijali se magnetiziraju pomicanjem granica. Tvrdi magnet - zbog rotacije i paraprocesa.
Oblik histerezisne petlje je približno isti za obje grupe materijala, zasićenje i zaostala indukcija su također blizu jednake, ali razlika postoji u koercitivnoj sili, i to vrlo velika. Tvrdi magnetni materijali imaju Hc=800 kA-m, dok meki magnetni materijali imaju samo 0,4 A-m. Ukupno, razlika je ogromna: 2106 puta. Zato je, na osnovu ovih karakteristika, i usvojena ovakva podjela. Mada, mora se priznati da je prilično uslovno. Meki magnetni materijali mogu se zasićiti čak i u slabom magnetskom polju. Koriste se u poljima niske frekvencije. Na primjer, u magnetnim memorijskim uređajima. Tvrde magnetne materijale je teško magnetizirati, ali zadržavaju magnetizaciju jako dugo. Od njih se dobijaju dobri trajni magneti. Područja primjene tvrdih magnetskih materijala su brojna i opsežna, neka od njih su navedena na početku članka. Postoji još jedna grupa - magnetni materijali za posebne namjene, njihov obim je vrlo uzak.
Detalji o tvrdoći
Kao što je već spomenuto, tvrdi magnetni materijali imaju široku histereznu petlju i veliku koercitivnu silu, nisku magnetnu permeabilnost. Odlikuju se maksimalnom specifičnom magnetskom energijom koja se emitira usvemir. I što je magnetni materijal "tvrđi", što je njegova snaga veća, to je niža propusnost. Specifična magnetna energija ima najvažniju ulogu u ocjeni kvaliteta materijala. Stalni magnet praktički ne odaje energiju u vanjski prostor sa zatvorenim magnetnim krugom, jer su sve linije sile unutar jezgra, a izvan njega nema magnetnog polja. Da bi se maksimalno iskoristila energija trajnih magneta, unutar zatvorenog magnetnog kola stvara se zračni jaz striktno određene veličine i konfiguracije.
S vremenom, magnet "stari", njegov magnetni fluks se smanjuje. Međutim, takvo starenje može biti i nepovratno i reverzibilno. U potonjem slučaju, uzroci njegovog starenja su udarci, udari, temperaturne fluktuacije, stalna vanjska polja. Magnetska indukcija je smanjena. Ali može se ponovo magnetizirati, čime se vraćaju njegova izvrsna svojstva. Ali ako je trajni magnet pretrpio bilo kakve strukturne promjene, ponovno magnetiziranje neće pomoći, starenje neće biti eliminirano. Ali oni služe dugo vremena, a namjena tvrdih magnetskih materijala je odlična. Primeri su bukvalno svuda. Nisu to samo trajni magneti. Ovo je materijal za pohranjivanje informacija, za njihovo snimanje - i zvuk, i digitalni, i video. Ali gore navedeno je samo mali dio primjene tvrdih magnetnih materijala.
Liveni tvrdi magnetni materijali
Prema načinu proizvodnje i sastavu, tvrdi magnetni materijali mogu biti liveni, praškasti i drugi. Napravljene su na bazi legura.gvožđe, nikl, aluminijum i gvožđe, nikl, kob alt. Ove kompozicije su najosnovnije da bi se dobio trajni magnet. Oni spadaju u preciznost, jer je njihov broj određen najstrožim tehnološkim faktorima. Liveni tvrdi magnetni materijali se dobijaju tokom taložnog očvršćavanja legure, pri čemu se hlađenje odvija izračunatom brzinom od topljenja do početka raspadanja, što se dešava u dve faze.
Prvi - kada je sastav blizak čistom gvožđu sa izraženim magnetnim svojstvima. Kao da se pojavljuju ploče jednodomene debljine. A druga faza je po sastavu bliža intermetalnom spoju, gdje nikl i aluminijum imaju niska magnetna svojstva. Ispada sistem u kojem je nemagnetna faza kombinovana sa snažno magnetnim inkluzijama sa velikom koercitivnom silom. Ali ova legura nije dovoljno dobra u magnetnim svojstvima. Najčešći je drugi sastav, legiran: gvožđe, nikl, aluminijum i bakar sa kob altom za legiranje. Legure bez kob alta imaju niža magnetna svojstva, ali su mnogo jeftinije.
Prah tvrdi magnetni materijali
Prah materijali se koriste za minijaturne, ali složene trajne magnete. To su metal-keramika, metal-plastika, oksid i mikroprah. Kermet je posebno dobar. Što se tiče magnetnih svojstava, dosta je inferiorniji od livenih, ali nešto skuplji od njih. Keramičko-metalni magneti se izrađuju presovanjem metalnih prahova bez vezivnog materijala i sinterovanjem na veoma visokim temperaturama. Koriste se puderisa gore opisanim legurama, kao i onima na bazi platine i rijetkih zemnih metala.
U smislu mehaničke čvrstoće, metalurgija praha je superiornija od livenja, ali su magnetna svojstva metal-keramičkih magneta još uvijek nešto niža od onih od livenih. Magneti na bazi platine imaju vrlo visoke vrijednosti koercitivne sile, a parametri su vrlo stabilni. Legure sa uranijumom i retkim zemnim metalima imaju rekordne vrednosti maksimalne magnetne energije: granična vrednost je 112 kJ po kvadratnom metru. Takve legure se dobijaju hladnim presovanjem praha do najveće gustine, zatim se briketi sinteruju uz prisustvo tečne faze i livenjem višekomponentnog sastava. Nemoguće je pomiješati komponente do te mjere jednostavnim livenjem.
Drugi tvrdi magnetni materijali
Tvrdi magnetni materijali takođe uključuju one sa visoko specijalizovanom namenom. To su elastični magneti, plastično deformabilne legure, materijali za nosače informacija i tekući magneti. Deformabilni magneti imaju odlična plastična svojstva, savršeno se podnose bilo kojoj vrsti mehaničke obrade - štancanju, rezanju, mašinskoj obradi. Ali ovi magneti su skupi. Kunife magneti od bakra, nikla i željeza su anizotropni, odnosno magnetizirani su u smjeru valjanja, koriste se u obliku štancanja i žice. Vikalloy magneti od kob alta i vanadijuma izrađuju se u obliku magnetne trake visoke čvrstoće, kao i žice. Ova kompozicija je dobra za vrlo male magnete sa najsloženijom konfiguracijom.
Elastični magneti - na gumenoj bazi, u kojojPunilo je fini prah od tvrdog magnetskog materijala. Najčešće je to barijum ferit. Ova metoda vam omogućava da dobijete proizvode apsolutno bilo kojeg oblika s visokom produktivnošću. Također se savršeno režu makazama, savijaju, štancaju, uvijaju. Oni su mnogo jeftiniji. Magnetna guma se koristi kao listovi magnetne memorije za kompjutere, u televiziji, za korektivne sisteme. Kao nosioci informacija, magnetni materijali ispunjavaju mnoge zahtjeve. Ovo je visoka rezidualna indukcija, mali efekat samodemagnetizacije (inače će se izgubiti informacije), visoka vrijednost prisilne sile. A da bi se olakšao proces brisanja zapisa, potrebna je samo mala količina ove sile, ali ova kontradikcija je otklonjena uz pomoć tehnologije.
