Днес е почти невъзможно да се намери техническа индустрия, която да не използва твърди магнитни материали и постоянни магнити. Това са и акустика, и радиоелектроника, и компютърно, и измервателно оборудване, и автоматизация, и топлоенергия, и електроенергия, и строителство, и металургия, и всякакъв вид транспорт, и селско стопанство, и медицина, и преработка на руда, и дори в кухнята на всеки има микровълнова фурна, загрява пицата. Невъзможно е да се изброи всичко, магнитните материали ни съпътстват на всяка стъпка от живота ни. И всички продукти с тяхна помощ работят на напълно различни принципи: двигателите и генераторите имат свои собствени функции, а спирачните устройства имат свои собствени, сепараторът прави едно, а дефектоскопът – друго. Вероятно няма пълен списък с технически устройства, където се използват твърди магнитни материали, има толкова много от тях.
Какво представляват магнитните системи
Самата нашата планета е изключително добре смазана магнитна система. Всички останали са изградени на същия принцип. Твърдите магнитни материали имат много разнообразни функционални свойства. В каталозите на доставчиците не напразно са дадени не само техните параметри, но и физически свойства. В допълнение, това може да бъде магнитно твърди и магнитно меки материали. Например, вземете резонансни томографи, където се използват системи със силно еднородно магнитно поле, и сравнете с сепаратори, където полето е рязко нехомогенно. Съвсем различен принцип! Овладени са магнитни системи, при които полето може да се включва и изключва. Така са проектирани дръжките. А някои системи дори променят магнитното поле в космоса. Това са добре познати клистрони и лампи с пътуващи вълни. Свойствата на меките и твърди магнитни материали са наистина вълшебни. Те са като катализатори, почти винаги действат като посредници, но без най-малка загуба на собствената си енергия, те са в състояние да трансформират чужда, превръщайки един вид в друг.
Например, магнитен импулс се преобразува в механична енергия при работата на съединители, сепаратори и други подобни. Механичната енергия се превръща с помощта на магнити в електрическа, ако имаме работа с микрофони и генератори. И обратното се случва! В високоговорителите и двигателите магнитите преобразуват електричеството в механична енергия, например. И това не е всичко. Механичната енергия може дори да се преобразува в топлинна, както и магнитната система при работа на микровълнова фурна или в спирачно устройство. Способни самагнитно твърди и магнитно меки материали и върху специални ефекти - в сензори на Хол, в магнитно-резонансни томографи, в микровълнова комуникация. Можете да напишете отделна статия за каталитичния ефект върху химичните процеси, как градиентните магнитни полета във водата влияят върху структурите на йони, протеинови молекули и разтворени газове.
Магия от древността
Естественият материал - магнетитът - е бил познат на човечеството преди няколко хилядолетия. По това време всички свойства на твърдите магнитни материали все още не са били известни и следователно те не са били използвани в технически устройства. И все още нямаше технически устройства. Никой не знаеше как да прави изчисления за работата на магнитните системи. Но влиянието върху биологичните обекти вече е забелязано. Използването на твърди магнитни материали отначало е било чисто за медицински цели, докато китайците не изобретяват компаса през трети век пр.н.е. Лечението с магнит обаче не е спряло и до днес, въпреки че се водят непрекъснати дискусии за вредността на подобни методи. Използването на твърди магнитни материали в медицината в САЩ, Китай и Япония е особено активно. И в Русия има привърженици на алтернативни методи, въпреки че е невъзможно да се измери големината на въздействието върху тялото или растението с какъвто и да е инструмент.
Но обратно към историята. В Мала Азия преди много векове древният град Магнезия вече е съществувал на бреговете на пълноводния меандър. И днес можете да посетите неговите живописни руини в Турция. Именно там е открита първата магнитна желязна руда, на която е кръстенаградове. Доста бързо се разпространи по целия свят, а китайците преди пет хиляди години с негова помощ изобретиха навигационно устройство, което все още не умира. Сега човечеството се е научило да произвежда магнити изкуствено в индустриален мащаб. Основата за тях са различни феромагнети. Университетът в Тарту има най-големия естествен магнит, способен да вдигне около четиридесет килограма, докато самият той тежи само тринадесет. Днешните прахове са направени от кобалт, желязо и различни други добавки, те държат товари пет хиляди пъти повече, отколкото тежат.
хистерезисна линия
Има два вида изкуствени магнити. Първият тип са константи, които са направени от твърди магнитни материали, техните свойства по никакъв начин не са свързани с външни източници или токове. Вторият вид са електромагнитите. Те имат сърцевина, изработена от желязо – магнитно мек материал, а през намотката на това ядро преминава ток, който създава магнитно поле. Сега трябва да разгледаме принципите на неговата работа. Характеризира магнитните свойства на хистерезисната верига за твърди магнитни материали. Съществуват доста сложни технологии за производство на магнитни системи и следователно е необходима информация за намагнитването, магнитната проницаемост и загубите на енергия, когато настъпи обръщане на намагнитването. Ако промяната в интензитета е циклична, кривата на ремагнетизиране (промени в индукцията) винаги ще изглежда като затворена крива. Това е хистерезисната верига. Ако полето е слабо, тогава цикълът е по-скоро като елипса.
Когато напрежениетомагнитното поле се увеличава, получава се цяла поредица от такива бримки, затворени една в друга. В процеса на намагнитване всички вектори са ориентирани наред и в края ще настъпи състояние на техническо насищане, материалът ще бъде напълно намагнетизиран. Примката, получена по време на насищане, се нарича гранична линия, тя показва максималната постигната стойност на индукцията Bs (индукция на насищане). Когато напрежението намалее, остава остатъчната индукция. Площта на хистерезисните контури в граничните и междинните състояния показва разсейването на енергията, тоест загубата на хистерезис. Това зависи най-вече от честотата на обръщане на намагнитването, свойствата на материала и геометричните размери. Ограничаващият хистерезис може да определи следните характеристики на твърди магнитни материали: индукция на насищане Bs, остатъчна индукция Bc и коерцитивна сила Hc.
Крива на намагнитване
Тази крива е най-важната характеристика, защото показва зависимостта на намагнитването и силата на външното поле. Магнитната индукция се измерва в Тесла и е свързана с намагнитването. Кривата на превключване е основната, това е местоположението на върховете върху хистерезисните контури, които се получават по време на цикличното премагнетизиране. Това отразява промяната в магнитната индукция, която зависи от силата на полето. Когато магнитната верига е затворена, силата на полето, отразена под формата на тороид, е равна на силата на външното поле. Ако магнитната верига е отворена, в краищата на магнита се появяват полюси, които създават размагнитване. Разлика междутези напрежения определят вътрешното напрежение на материала.
Има характерни участъци на основната крива, които се открояват, когато единичен кристал от феромагнит е намагнетизиран. Първият раздел показва процеса на изместване на границите на неблагоприятно настроени домейни, а във втория векторите на намагнитване се обръщат към външното магнитно поле. Третият участък е парапроцесът, последният етап на намагнитване, тук магнитното поле е силно и насочено. Прилагането на меки и твърди магнитни материали зависи до голяма степен от характеристиките, получени от кривата на намагнитване.
Пропускливост и загуба на енергия
За да се характеризира поведението на материал в поле на напрежение, е необходимо да се използва такова понятие като абсолютна магнитна проницаемост. Има определения за импулсна, диференциална, максимална, начална, нормална магнитна проницаемост. Относителното се проследява по основната крива, така че тази дефиниция не се използва - за простота. Магнитната пропускливост при условия, когато H=0, се нарича начална и може да се определи само в слаби полета, до приблизително 0,1 единици. Максимумът, напротив, характеризира най-високата магнитна проницаемост. Нормалните и максималните стойности дават възможност да се наблюдава нормалното протичане на процеса във всеки конкретен случай. В областта на насищане в силни полета магнитната проницаемост винаги клони към единица. Всички тези стойности са необходими за използването на твърди магнитиматериали, винаги ги използвайте.
Загубата на енергия по време на обръщане на намагнитването е необратима. Електричеството се отделя в материала като топлина, а загубите му се състоят от динамични загуби и загуби от хистерезис. Последните се получават чрез изместване на доменните стени, когато процесът на намагнитване тепърва започва. Тъй като магнитният материал има нехомогенна структура, енергията непременно се изразходва за подравняване на стените на домейна. И динамичните загуби се получават във връзка с вихрови токове, които възникват в момента на промяна на силата и посоката на магнитното поле. Енергията се разсейва по същия начин. А загубите от вихрови токове надвишават дори загубите от хистерезис при високи честоти. Също така се получават динамични загуби поради остатъчни промени в състоянието на магнитното поле след промяна на интензитета. Размерът на загубите след ефект зависи от състава, от топлинната обработка на материала, те се появяват особено при високи честоти. Последствието е магнитният вискозитет и тези загуби винаги се вземат предвид, ако феромагнитите се използват в импулсен режим.
Класификация на твърди магнитни материали
Термините, които говорят за мекота и твърдост, изобщо не се отнасят за механичните свойства. Много твърди материали всъщност са магнитно меки, а от механична гледна точка меките материали също са доста твърди магнитни. Процесът на намагнитване и в двете групи материали протича по един и същи начин. Първо, границите на домейна се изместват, след това ротацията започва навътрев посока на все по-магнетизиращо поле и накрая започва парапроцесът. И тук идва разликата. Кривата на намагнитване показва, че е по-лесно да се преместят границите, изразходва се по-малко енергия, но процесът на въртене и парапроцесът са по-енергийни. Меките магнитни материали се магнетизират чрез изместване на границите. Твърдо магнитно - поради въртене и парапроцес.
Формата на хистерезисната верига е приблизително еднаква и за двете групи материали, насищането и остатъчната индукция също са близки до равни, но разликата съществува в коерцитивната сила и тя е много голяма. Твърдите магнитни материали имат Hc=800 kA-m, докато меките магнитни материали имат само 0,4 A-m. Като цяло разликата е огромна: 2106 пъти. Ето защо въз основа на тези характеристики беше прието такова разделение. Въпреки това трябва да се признае, че е доста условно. Меките магнитни материали могат да се насищат дори в слабо магнитно поле. Използват се в нискочестотни полета. Например в устройства с магнитна памет. Твърдите магнитни материали са трудни за намагнетизиране, но запазват магнетизацията си за много дълго време. Именно от тях се получават добри постоянни магнити. Областите на приложение на твърдите магнитни материали са многобройни и обширни, някои от тях са изброени в началото на статията. Има и друга група - магнитни материали за специални цели, обхватът им е много тесен.
Подробности за твърдостта
Както вече споменахме, твърдите магнитни материали имат широка хистерезисна верига и голяма коерцитивна сила, ниска магнитна проницаемост. Те се характеризират с максималната специфична магнитна енергия, отделена впространство. И колкото "по-твърд" е магнитният материал, толкова по-висока е неговата якост, толкова по-ниска е пропускливостта. На специфичната магнитна енергия се отдава най-важна роля при оценката на качеството на материала. Постоянният магнит практически не отделя енергия във външното пространство със затворена магнитна верига, тъй като всички линии на сила са вътре в ядрото и няма магнитно поле извън него. За да се използва максимално енергията на постоянните магнити, в затворена магнитна верига се създава въздушна междина със строго определен размер и конфигурация.
С течение на времето магнитът "остарява", магнитният му поток намалява. Такова стареене обаче може да бъде както необратимо, така и обратимо. В последния случай причините за стареенето му са удари, удари, температурни колебания, постоянни външни полета. Намалява се магнитната индукция. Но може да се намагнетизира отново, като по този начин се възстановяват отличните му свойства. Но ако постоянният магнит е претърпял някакви структурни промени, повторното намагнитване няма да помогне, стареенето няма да бъде елиминирано. Но те служат дълго време, а предназначението на твърдите магнитни материали е страхотно. Примерите са буквално навсякъде. Това не са само постоянни магнити. Това е материал за съхранение на информация, за нейното записване - както звук, така и цифров, и видео. Но горното е само малка част от приложението на твърди магнитни материали.
Лети твърди магнитни материали
Според метода на производство и състава, твърдите магнитни материали могат да бъдат отлети, прахови и други. Те са на базата на сплави.желязо, никел, алуминий и желязо, никел, кобалт. Тези състави са най-основните, за да се получи постоянен магнит. Те принадлежат на прецизност, тъй като броят им се определя от най-строгите технологични фактори. Лети твърди магнитни материали се получават по време на втвърдяване на сплавта при утаяване, при което охлаждането става с изчислена скорост от топенето до началото на разлагането, което протича в две фази.
Първият - когато съставът е близък до чисто желязо с изразени магнитни свойства. Сякаш се появяват плочи с дебелина на един домейн. А втората фаза е по-близка до интерметалното съединение по състав, където никелът и алуминият имат ниски магнитни свойства. Оказва се система, в която немагнитната фаза се комбинира със силно магнитни включвания с голяма коерцитивна сила. Но тази сплав не е достатъчно добра в магнитните свойства. Най-разпространен е друг състав, легиран: желязо, никел, алуминий и мед с кобалт за легиране. Сплавите без кобалт имат по-ниски магнитни свойства, но са много по-евтини.
Прахови твърди магнитни материали
Праховите материали се използват за миниатюрни, но сложни постоянни магнити. Те са металокерамични, металопластични, оксидни и микропрахови. Керметът е особено добър. По отношение на магнитните свойства той е доста по-нисък от отлятите, но малко по-скъп от тях. Керамично-металните магнити се произвеждат чрез пресоване на метални прахове без свързващ материал и синтероването им при много високи температури. Използват се праховесъс сплавите, описани по-горе, както и тези на основата на платина и редкоземни метали.
По отношение на механичната якост праховата металургия е по-добра от леенето, но магнитните свойства на металокерамичните магнити все още са малко по-ниски от тези на отливките. Магнитите на базата на платина имат много високи стойности на коерцитивна сила и параметрите са много стабилни. Сплавите с уран и редкоземни метали имат рекордни стойности на максимална магнитна енергия: граничната стойност е 112 kJ на квадратен метър. Такива сплави се получават чрез студено пресоване на праха до най-висока степен на плътност, след което брикетите се синтероват с наличие на течна фаза и отливане на многокомпонентен състав. Невъзможно е да се смесят компонентите до такава степен чрез просто леене.
Други твърди магнитни материали
Твърдите магнитни материали включват и тези с високо специализирано предназначение. Това са еластични магнити, пластично деформируеми сплави, материали за носители на информация и течни магнити. Деформируемите магнити имат отлични пластични свойства, те се поддават идеално на всякакъв вид механична обработка - щамповане, рязане, механична обработка. Но тези магнити са скъпи. Магнитите Kunife, изработени от мед, никел и желязо, са анизотропни, тоест са намагнетизирани в посока на валцуване, използват се под формата на щамповане и тел. Магнитите Vikalloy, изработени от кобалт и ванадий, са направени под формата на магнитна лента с висока якост, както и тел. Тази композиция е добра за много малки магнити с най-сложна конфигурация.
Еластични магнити - на гумена основа, в коятоПълнежът е фин прах от твърд магнитен материал. Най-често това е бариев ферит. Този метод ви позволява да получавате продукти с абсолютно всякаква форма с висока производителност. Също така са перфектно изрязани с ножици, огънати, щамповани, усукани. Те са много по-евтини. Магнитната гума се използва като листове с магнитна памет за компютри, в телевизията, за коригиращи системи. Като носители на информация магнитните материали отговарят на много изисквания. Това е остатъчна индукция на високо ниво, малък ефект от саморазмагнитване (в противен случай информацията ще бъде загубена), висока стойност на коерцитивната сила. И за да се улесни процеса на изтриване на записи, е необходимо само малко количество от тази сила, но това противоречие се премахва с помощта на технологията.
