Šiandien beveik neįmanoma rasti techninės pramonės, kurioje nebūtų naudojamos kietos magnetinės medžiagos ir nuolatiniai magnetai. Tai ir akustika, ir radioelektronika, ir kompiuteriai, ir matavimo įranga, ir automatika, ir šiluma ir galia, ir elektros energija, ir statyba, ir metalurgija, ir bet koks transportas, ir žemės ūkis, ir medicina, ir rūdos perdirbimas, ir net kiekvieno virtuvėje yra mikrobangų krosnelė, sušildo picą. Neįmanoma visko išvardinti, magnetinės medžiagos mus lydi kiekviename gyvenimo žingsnyje. Ir visi gaminiai su jų pagalba veikia pagal visiškai skirtingus principus: varikliai ir generatoriai turi savo funkcijas, o stabdymo įrenginiai – viena, separatorius atlieka vieną, o defektų detektorius – kitą. Tikriausiai nėra pilno sąrašo techninių prietaisų, kuriuose naudojamos kietos magnetinės medžiagos, jų tiek daug.
Kas yra magnetinės sistemos
Pati mūsų planeta yra išskirtinai gerai sutepta magnetinė sistema. Visi kiti yra sukurti tuo pačiu principu. Kietos magnetinės medžiagos turi labai įvairias funkcines savybes. Tiekėjų kataloguose ne veltui pateikiami ne tik jų parametrai, bet ir fizinės savybės. Be to, tai gali būti magnetiškai kietos ir magnetiškai minkštos medžiagos. Pavyzdžiui, paimkite rezonansinius tomografus, kuriuose naudojamos sistemos su labai vienodu magnetiniu lauku, ir palyginkite su separatoriais, kur laukas yra labai nehomogeniškas. Visai kitoks principas! Įvaldytos magnetinės sistemos, kuriose galima įjungti ir išjungti lauką. Taip kuriamos rankenos. O kai kurios sistemos netgi keičia magnetinį lauką erdvėje. Tai gerai žinomi klistronai ir keliaujančios bangos lempos. Minkštų ir kietų magnetinių medžiagų savybės yra tikrai stebuklingos. Jie yra tarsi katalizatoriai, beveik visada veikia kaip tarpininkai, tačiau neprarasdami savo energijos sugeba paversti kažkieno energiją, paversdami vieną rūšį kita.
Pavyzdžiui, veikiant movoms, separatoriams ir pan., magnetinis impulsas paverčiamas mechanine energija. Mechaninė energija magnetų pagalba paverčiama elektros energija, jei kalbame apie mikrofonus ir generatorius. Ir atsitinka atvirkščiai! Pavyzdžiui, garsiakalbiuose ir varikliuose magnetai elektrą paverčia mechanine energija. Ir tai dar ne viskas. Mechaninė energija netgi gali būti paversta šilumine energija, kaip ir magnetinė sistema veikiant mikrobangų krosnelei ar stabdymo įrenginyje. Galimagnetiškai kietos ir magnetiškai minkštos medžiagos ir ant specialiųjų efektų - Hall jutikliuose, magnetinio rezonanso tomografuose, mikrobangų komunikacijoje. Apie katalizinį poveikį cheminiams procesams, kaip gradientiniai magnetiniai laukai vandenyje veikia jonų, b altymų molekulių ir ištirpusių dujų struktūras, galite parašyti atskirą straipsnį.
Senovės magija
Natūrali medžiaga – magnetitas – žmonijai buvo žinoma prieš kelis tūkstantmečius. Tuo metu dar nebuvo žinomos visos kietųjų magnetinių medžiagų savybės, todėl jos nebuvo naudojamos techniniuose įrenginiuose. O techninių priemonių dar nebuvo. Niekas nežinojo, kaip atlikti magnetinių sistemų veikimo skaičiavimus. Tačiau įtaka biologiniams objektams jau buvo pastebėta. Kietos magnetinės medžiagos iš pradžių buvo naudojamos tik medicininiais tikslais, kol kinai išrado kompasą trečiajame amžiuje prieš Kristų. Tačiau gydymas magnetu nenutrūko iki šių dienų, nors diskusijos apie tokių metodų žalingumą yra nuolatos. Kietųjų magnetinių medžiagų naudojimas medicinoje ypač aktyvus JAV, Kinijoje, Japonijoje. O Rusijoje yra alternatyvių metodų šalininkų, nors jokiu prietaisu neįmanoma išmatuoti poveikio organizmui ar augalui masto.
Bet atgal į istoriją. Mažojoje Azijoje prieš daugelį šimtmečių ant tekančios Meandros krantų jau egzistavo senovinis Magnezijos miestas. Ir šiandien galite aplankyti vaizdingus jo griuvėsius Turkijoje. Būtent ten buvo atrasta pirmoji magnetinė geležies rūda, kuri buvo pavadintamiestai. Gana greitai jis išplito visame pasaulyje, o kinai prieš penkis tūkstančius metų su jo pagalba išrado navigacijos įrenginį, kuris iki šiol nemiršta. Dabar žmonija išmoko gaminti magnetus dirbtiniu būdu pramoniniu mastu. Jų pagrindas yra įvairūs feromagnetai. Tartu universitetas turi didžiausią natūralų magnetą, galintį pakelti apie keturiasdešimt kilogramų, o pats sveria tik trylika. Šiandieniniai milteliai gaminami iš kob alto, geležies ir įvairių kitų priedų, juose telpa penki tūkstančiai kartų daugiau krovinių, nei sveria.
Histerezės kilpa
Yra dviejų tipų dirbtiniai magnetai. Pirmasis tipas yra konstantos, kurios yra pagamintos iš kietų magnetinių medžiagų, jų savybės niekaip nesusietos su išoriniais š altiniais ar srovėmis. Antrasis tipas yra elektromagnetai. Jie turi šerdį iš geležies – magnetiškai minkštos medžiagos, o per šios šerdies apviją praeina srovė, kuri sukuria magnetinį lauką. Dabar turime apsvarstyti jo darbo principus. Apibūdina kietų magnetinių medžiagų histerezės kilpos magnetines savybes. Yra gana sudėtingos magnetinių sistemų gamybos technologijos, todėl reikia informacijos apie įmagnetinimą, magnetinį pralaidumą ir energijos nuostolius, kai magnetizacija pasikeičia. Jei intensyvumo pokytis yra cikliškas, pakartotinio įmagnetinimo kreivė (indukcijos pokyčiai) visada atrodys kaip uždara kreivė. Tai yra histerezės kilpa. Jei laukas silpnas, kilpa panašesnė į elipsę.
Kai įtampamagnetinis laukas didėja, gaunama visa eilė tokių kilpų, uždarų viena į kitą. Įmagnetinimo procese visi vektoriai yra orientuoti išilgai, o pabaigoje ateis techninio prisotinimo būsena, medžiaga bus visiškai įmagnetinta. Įsotinimo metu gauta kilpa vadinama ribine kilpa, ji rodo maksimalią pasiektą indukcijos Bs reikšmę (sotinimo indukcijos). Kai įtampa mažėja, lieka likutinė indukcija. Ribinės ir tarpinės būsenos histerezės kilpų plotas rodo energijos išsklaidymą, ty histerezės praradimą. Tai labiausiai priklauso nuo įmagnetinimo apsisukimo dažnio, medžiagos savybių ir geometrinių matmenų. Ribojanti histerezės kilpa gali nustatyti šias kietų magnetinių medžiagų charakteristikas: soties indukciją Bs, liekamąją indukciją Bc ir priverstinę jėgą Hc.
Įmagnetinimo kreivė
Ši kreivė yra svarbiausia charakteristika, nes ji parodo įmagnetinimo priklausomybę ir išorinio lauko stiprumą. Magnetinė indukcija matuojama Tesla ir yra susijusi su įmagnetinimu. Perjungimo kreivė yra pagrindinė, tai yra histerezės kilpų smailių, gautų ciklinio remagnetizavimo metu, vieta. Tai atspindi magnetinės indukcijos pokytį, kuris priklauso nuo lauko stiprumo. Kai magnetinė grandinė uždaryta, toroido pavidalu atsispindi lauko stipris yra lygus išoriniam lauko stipriui. Jei magnetinė grandinė atvira, magneto galuose atsiranda poliai, kurie sukuria išmagnetinimą. Skirtumas tarpšie įtempimai lemia vidinę medžiagos įtempimą.
Pagrindinėje kreivėje yra būdingų atkarpų, kurios išsiskiria, kai įmagnetinamas vienas feromagneto kristalas. Pirmoje dalyje parodytas nepalankiai sureguliuotų domenų ribų keitimo procesas, o antroje – įmagnetinimo vektoriai pasisuka išorinio magnetinio lauko link. Trečioji sekcija – paraprocesas, galutinis įmagnetinimo etapas, čia magnetinis laukas stiprus ir nukreiptas. Minkštųjų ir kietųjų magnetinių medžiagų naudojimas labai priklauso nuo charakteristikų, gautų iš įmagnetinimo kreivės.
Pralaidumas ir energijos praradimas
Norint apibūdinti medžiagos elgesį įtempimo lauke, būtina naudoti tokią sąvoką kaip absoliutus magnetinis pralaidumas. Yra impulsinio, diferencinio, didžiausio, pradinio, normaliojo magnetinio pralaidumo apibrėžimai. Santykis atsekamas išilgai pagrindinės kreivės, todėl šis apibrėžimas nenaudojamas – dėl paprastumo. Magnetinis pralaidumas sąlygomis, kai H=0, vadinamas pradiniu, ir jį galima nustatyti tik silpnuose laukuose, maždaug iki 0,1 vnt. Maksimalus, atvirkščiai, apibūdina didžiausią magnetinį pralaidumą. Normalios ir maksimalios vertės suteikia galimybę kiekvienu konkrečiu atveju stebėti įprastą proceso eigą. Stiprių laukų prisotinimo srityje magnetinis pralaidumas visada yra vienodas. Visos šios vertės yra būtinos naudojant kietąjį magnetąmedžiagas, visada jas naudokite.
Energijos nuostoliai keičiant įmagnetinimą yra negrįžtami. Elektra išskiriama medžiagoje kaip šiluma, o jos nuostolius sudaro dinaminiai ir histerezės nuostoliai. Pastarieji gaunami išstumiant domeno sienas, kai tik prasideda įmagnetinimo procesas. Kadangi magnetinė medžiaga turi nehomogeninę struktūrą, energija būtinai išeikvojama domeno sienelių išlyginimui. O dinaminiai nuostoliai gaunami dėl sūkurinių srovių, atsirandančių magnetinio lauko stiprumo ir krypties pasikeitimo momentu. Energija išsisklaido taip pat. O nuostoliai dėl sūkurinių srovių viršija net histerezės nuostolius esant aukštiems dažniams. Taip pat dinaminiai nuostoliai gaunami dėl liekamųjų magnetinio lauko būsenos pokyčių pasikeitus intensyvumui. Poveikio nuostolių dydis priklauso nuo sudėties, nuo medžiagos terminio apdorojimo, ypač jie atsiranda esant dideliam dažniui. Poveikis yra magnetinis klampumas, ir į šiuos nuostolius visada atsižvelgiama, jei feromagnetai naudojami impulsiniu režimu.
Kietų magnetinių medžiagų klasifikacija
Terminos, kuriose kalbama apie minkštumą ir kietumą, visiškai netaikomos mechaninėms savybėms. Daugelis kietų medžiagų iš tikrųjų yra magnetiškai minkštos, o mechaniniu požiūriu minkštos medžiagos taip pat yra gana kietos magnetinės. Įmagnetinimo procesas abiejose medžiagų grupėse vyksta vienodai. Pirma, domeno ribos perkeliamos, tada prasideda sukimasisvis labiau magnetizuojančio lauko kryptimi ir galiausiai prasideda paraprocesas. Ir čia atsiranda skirtumas. Įmagnetinimo kreivė rodo, kad lengviau perkelti ribas, sunaudojama mažiau energijos, tačiau sukimosi procesas ir paraprocesas sunaudoja daugiau energijos. Minkštos magnetinės medžiagos įmagnetinamos keičiant ribas. Kietas magnetinis – dėl sukimosi ir paraproceso.
Histerezės kilpos forma yra apytiksliai vienoda abiem medžiagų grupėms, prisotinimas ir liekamoji indukcija taip pat yra beveik vienodi, tačiau skiriasi prievartinė jėga ir ji yra labai didelė. Kietosios magnetinės medžiagos turi Hc=800 kA-m, o minkštos magnetinės medžiagos turi tik 0,4 A-m. Iš viso skirtumas didžiulis: 2106 kartus. Štai kodėl, remiantis šiomis savybėmis, buvo priimtas toks skirstymas. Nors reikia pripažinti, kad tai gana sąlyginė. Minkštos magnetinės medžiagos gali prisisotinti net esant silpnam magnetiniam laukui. Jie naudojami žemo dažnio laukuose. Pavyzdžiui, magnetinėse atminties įrenginiuose. Kietas magnetines medžiagas sunku įmagnetinti, tačiau jos išlaiko įmagnetinimą labai ilgai. Būtent iš jų gaunami geri nuolatiniai magnetai. Kietųjų magnetinių medžiagų panaudojimo sritys yra daug ir plačios, kai kurios iš jų išvardytos straipsnio pradžioje. Yra ir kita grupė – specialios paskirties magnetinės medžiagos, jų taikymo sritis labai siaura.
Kietumo detalės
Kaip jau minėta, kietos magnetinės medžiagos turi plačią histerezės kilpą ir didelę priverstinę jėgą, mažą magnetinį pralaidumą. Jiems būdinga didžiausia savitoji magnetinė energijaerdvė. Ir kuo „kietesnė“magnetinė medžiaga, tuo didesnis jos stiprumas, mažesnis pralaidumas. Specifinei magnetinei energijai skiriamas svarbiausias vaidmuo vertinant medžiagos kokybę. Nuolatinis magnetas praktiškai neišskiria energijos į išorinę erdvę su uždara magnetine grandine, nes visos jėgos linijos yra šerdies viduje, o už jos ribų nėra magnetinio lauko. Siekiant maksimaliai išnaudoti nuolatinių magnetų energiją, uždaroje magnetinėje grandinėje sukuriamas griežtai apibrėžto dydžio ir konfigūracijos oro tarpas.
Laikui bėgant magnetas „sensta“, jo magnetinis srautas mažėja. Tačiau toks senėjimas gali būti ir negrįžtamas, ir grįžtamasis. Pastaruoju atveju jo senėjimo priežastys yra smūgiai, smūgiai, temperatūros svyravimai, nuolatiniai išoriniai laukai. Sumažėja magnetinė indukcija. Bet jį galima vėl įmagnetinti, taip atkuriant puikias jo savybes. Bet jei nuolatinis magnetas patyrė kokių nors struktūrinių pokyčių, pakartotinis įmagnetinimas nepadės, senėjimas nebus pašalintas. Tačiau jie tarnauja ilgą laiką, o kietų magnetinių medžiagų paskirtis yra puiki. Pavyzdžiai yra tiesiog visur. Tai ne tik nuolatiniai magnetai. Tai medžiaga informacijai saugoti, jai įrašyti – ir garsui, ir skaitmeniniam, ir vaizdo įrašui. Tačiau tai, kas išdėstyta aukščiau, yra tik nedidelė kietų magnetinių medžiagų naudojimo dalis.
Liekite kietas magnetines medžiagas
Pagal gamybos būdą ir sudėtį galima lieti kietas magnetines medžiagas, miltelius ir kt. Jie yra pagaminti iš lydinių.geležis, nikelis, aliuminis ir geležis, nikelis, kob altas. Šios kompozicijos yra pačios paprasčiausios norint gauti nuolatinį magnetą. Jie priklauso tikslumui, nes jų skaičių lemia griežčiausi technologiniai veiksniai. Liejamos kietos magnetinės medžiagos gaunamos lydinio grūdinimo krituliais metu, kai aušinimas vyksta apskaičiuotu greičiu nuo lydymosi iki skilimo pradžios, kuri vyksta dviem fazėmis.
Pirmoji – kai kompozicija artima grynai geležies su ryškiomis magnetinėmis savybėmis. Tarsi atsiranda vieno domeno storio plokštės. Antroji fazė yra artimesnė intermetaliniam junginiui, kuriame nikelis ir aliuminis turi mažas magnetines savybes. Pasirodo, sistema, kurioje nemagnetinė fazė derinama su stipriai magnetiniais inkliuzais, turinčiais didelę priverstinę jėgą. Tačiau šis lydinys nėra pakankamai geras magnetinėmis savybėmis. Labiausiai paplitusi yra kita kompozicija, legiruota: geležis, nikelis, aliuminis ir varis su kob altu legiravimui. Lydiniai be kob alto turi mažesnes magnetines savybes, tačiau jie yra daug pigesni.
Miltelių pavidalo kietos magnetinės medžiagos
Miltelinės medžiagos naudojamos miniatiūriniams, bet sudėtingiems nuolatiniams magnetams. Jie yra metalo keramika, metalo plastikas, oksidas ir mikromilteliai. Kermetas yra ypač geras. Pagal magnetines savybes jis yra šiek tiek prastesnis už liejinius, tačiau už juos šiek tiek brangesnis. Keraminiai-metaliniai magnetai gaminami spaudžiant metalo miltelius be jokios rišamosios medžiagos ir sukepinant juos labai aukštoje temperatūroje. Naudojami milteliaisu anksčiau aprašytais lydiniais, taip pat platinos ir retųjų žemių metalų lydiniais.
Mechaninio stiprumo požiūriu miltelinė metalurgija yra pranašesnė už liejimą, tačiau metalo keramikos magnetų magnetinės savybės vis tiek yra šiek tiek žemesnės nei lietinių. Platininiai magnetai turi labai dideles priverstinės jėgos reikšmes, o parametrai yra labai stabilūs. Lydiniai su uranu ir retųjų žemių metalais turi rekordines maksimalios magnetinės energijos vertes: ribinė vertė yra 112 kJ kvadratiniam metrui. Tokie lydiniai gaunami š altai spaudžiant miltelius iki didžiausio tankio laipsnio, tada briketai sukepinami esant skystajai fazei ir liejant daugiakomponentę kompoziciją. Neįmanoma taip sumaišyti komponentų paprastu liejimu.
Kitos kietos magnetinės medžiagos
Kietosios magnetinės medžiagos taip pat apima tas, kurios yra labai specializuotos paskirties. Tai elastiniai magnetai, plastiškai deformuojami lydiniai, medžiagos informacijos laikmenoms ir skysčių magnetai. Deformuojami magnetai pasižymi puikiomis plastinėmis savybėmis, puikiai tinka bet kokiam mechaniniam apdirbimui – štampavimui, pjovimui, apdirbimui. Tačiau šie magnetai yra brangūs. Kunife magnetai, pagaminti iš vario, nikelio ir geležies, yra anizotropiniai, tai yra, jie įmagnetinami valcavimo kryptimi, naudojami štampavimo ir vielos pavidalu. Vikalloy magnetai, pagaminti iš kob alto ir vanadžio, gaminami didelio stiprumo magnetinės juostos, taip pat vielos pavidalu. Ši kompozicija tinka labai mažiems magnetams su sudėtingiausia konfigūracija.
Elastiniai magnetukai - ant guminio pagrindo, kuriameUžpildas yra smulkūs kietos magnetinės medžiagos milteliai. Dažniausiai tai yra bario feritas. Šis metodas leidžia jums gauti absoliučiai bet kokios formos gaminius, turinčius aukštą gamybą. Taip pat puikiai karpomi žirklėmis, lankstomi, štampuojami, susukami. Jie daug pigesni. Magnetinė guma naudojama kaip magnetinės atminties lapai kompiuteriams, televizoriams, korekcinėms sistemoms. Kaip informacijos laikmenos, magnetinės medžiagos atitinka daugybę reikalavimų. Tai aukšto lygio liekamoji indukcija, nedidelis savaiminio išmagnetinimo efektas (kitaip bus prarasta informacija), didelė priverstinės jėgos vertė. O norint palengvinti įrašų trynimo procesą, reikia tik nedidelės šios jėgos, tačiau šis prieštaravimas pašalinamas pasitelkus technologijas.
