Tegenwoordig is het bijna onmogelijk om een technische industrie te vinden die geen gebruik maakt van harde magnetische materialen en permanente magneten. Dit zijn akoestiek, en radio-elektronica, en computer, en meetapparatuur, en automatisering, en warmte en kracht, en elektrische energie, en constructie, en metallurgie, en elke vorm van transport, en landbouw, en medicijnen, en ertsverwerking, en zelfs in de keuken van iedereen is er een magnetron, deze warmt de pizza op. Het is onmogelijk om alles op te sommen, magnetische materialen begeleiden ons bij elke stap van ons leven. En alle producten werken met hun hulp volgens totaal verschillende principes: motoren en generatoren hebben hun eigen functies en reminrichtingen hebben hun eigen functies, de afscheider doet het ene en de foutdetector het andere. Waarschijnlijk is er geen volledige lijst van technische apparaten waar harde magnetische materialen worden gebruikt, er zijn er zo veel.
Wat zijn magnetische systemen
Onze planeet zelf is een uitzonderlijk goed geolied magnetisch systeem. Al de rest is gebouwd op hetzelfde principe. Hardmagnetische materialen hebben zeer uiteenlopende functionele eigenschappen. In de catalogi van leveranciers is het niet tevergeefs dat niet alleen hun parameters worden gegeven, maar ook fysieke eigenschappen. Daarnaast kunnen het magnetisch harde en magnetisch zachte materialen zijn. Neem bijvoorbeeld resonante tomografen, waar systemen met een zeer uniform magnetisch veld worden gebruikt, en vergelijk met separatoren, waar het veld sterk inhomogeen is. Een heel ander principe! Magnetische systemen zijn onder de knie, waarbij het veld aan en uit kan worden gezet. Zo zijn handvatten ontworpen. En sommige systemen veranderen zelfs het magnetische veld in de ruimte. Dit zijn bekende klystrons en lopende golflampen. De eigenschappen van zachte en harde magnetische materialen zijn echt magisch. Ze zijn als katalysatoren, ze fungeren bijna altijd als tussenpersonen, maar zonder het minste verlies van hun eigen energie, zijn ze in staat om die van iemand anders te transformeren, waardoor ze de ene soort in de andere veranderen.
Een magnetische impuls wordt bijvoorbeeld omgezet in mechanische energie bij de werking van koppelingen, scheiders en dergelijke. Mechanische energie wordt met behulp van magneten omgezet in elektrische energie, als we te maken hebben met microfoons en generatoren. En vice versa gebeurt! In luidsprekers en motoren zetten magneten bijvoorbeeld elektriciteit om in mechanische energie. En dat is niet alles. Mechanische energie kan zelfs worden omgezet in thermische energie, net als het magnetische systeem in de werking van een magnetron of in een reminrichting. Zijn in staatmagnetisch harde en magnetisch zachte materialen en op speciale effecten - in Hall-sensoren, in magnetische resonantie tomografen, in microgolfcommunicatie. Je kunt een apart artikel schrijven over het katalytische effect op chemische processen, hoe magnetische gradiëntvelden in water de structuren van ionen, eiwitmoleculen en opgeloste gassen beïnvloeden.
Magie uit de oudheid
Natuurlijk materiaal - magnetiet - was enkele millennia geleden bij de mensheid bekend. In die tijd waren alle eigenschappen van hardmagnetische materialen nog niet bekend en werden ze daarom niet gebruikt in technische apparaten. En er waren nog geen technische apparaten. Niemand wist hoe hij berekeningen moest maken voor de werking van magnetische systemen. Maar de invloed op biologische objecten is al opgemerkt. Het gebruik van hardmagnetische materialen ging aanvankelijk puur voor medische doeleinden, totdat de Chinezen in de derde eeuw voor Christus het kompas uitvonden. De behandeling met een magneet is echter tot op de dag van vandaag niet gestopt, ook al zijn er voortdurend discussies over de schadelijkheid van dergelijke methoden. Het gebruik van harde magnetische materialen in de geneeskunde in de VS, China en Japan is bijzonder actief. En in Rusland zijn er aanhangers van alternatieve methoden, hoewel het onmogelijk is om de omvang van de impact op het lichaam of de plant met welk instrument dan ook te meten.
Maar terug naar de geschiedenis. In Klein-Azië bestond vele eeuwen geleden al de oude stad Magnesia aan de oevers van de volstromende Meander. En vandaag kunt u de pittoreske ruïnes in Turkije bezoeken. Daar werd het eerste magnetische ijzererts ontdekt, dat vernoemd is naarsteden. Vrij snel verspreidde het zich over de hele wereld, en de Chinezen vonden vijfduizend jaar geleden met zijn hulp een navigatieapparaat uit dat nog steeds niet sterft. Nu heeft de mensheid geleerd magneten op industriële schaal kunstmatig te produceren. De basis voor hen is een verscheidenheid aan ferromagneten. De universiteit van Tartu heeft de grootste natuurlijke magneet, die ongeveer veertig kilogram kan tillen, terwijl hij zelf slechts dertien weegt. De poeders van vandaag zijn gemaakt van kob alt, ijzer en verschillende andere additieven, ze houden vijfduizend keer meer lading dan ze wegen.
Hysteresislus
Er zijn twee soorten kunstmatige magneten. Het eerste type zijn constanten, die zijn gemaakt van harde magnetische materialen, hun eigenschappen zijn op geen enkele manier geassocieerd met externe bronnen of stromen. Het tweede type zijn elektromagneten. Ze hebben een kern van ijzer - een magnetisch zacht materiaal, en door de wikkeling van deze kern loopt een stroom die een magnetisch veld creëert. Nu moeten we de principes van zijn werk overwegen. Kenmerkt de magnetische eigenschappen van de hysteresislus voor harde magnetische materialen. Er zijn vrij complexe technologieën voor de vervaardiging van magnetische systemen en daarom is informatie nodig over magnetisatie, magnetische permeabiliteit en energieverliezen wanneer magnetisatieomkering optreedt. Als de verandering in intensiteit cyclisch is, zal de hermagnetiseringscurve (veranderingen in inductie) er altijd uitzien als een gesloten curve. Dit is de hysteresislus. Als het veld zwak is, lijkt de lus meer op een ellips.
Als de spanninghet magnetische veld neemt toe, een hele reeks van dergelijke lussen wordt verkregen, in elkaar ingesloten. Tijdens het magnetisatieproces zijn alle vectoren langs georiënteerd en aan het einde zal een staat van technische verzadiging komen, het materiaal zal volledig worden gemagnetiseerd. De lus die tijdens verzadiging wordt verkregen, wordt de limietlus genoemd, deze toont de maximaal bereikte waarde van de inductie Bs (verzadigingsinductie). Als de spanning afneemt, blijft de resterende inductie over. Het gebied van de hysteresislussen in de limiet- en tussentoestanden toont de energiedissipatie, dat wil zeggen het hystereseverlies. Het hangt vooral af van de omkeerfrequentie van de magnetisatie, materiaaleigenschappen en geometrische afmetingen. De beperkende hystereselus kan de volgende kenmerken van harde magnetische materialen bepalen: verzadigingsinductie Bs, residuele inductie Bc en coërcitiefkracht Hc.
Magnetisatiecurve
Deze curve is het belangrijkste kenmerk, omdat het de afhankelijkheid van de magnetisatie en de sterkte van het externe veld laat zien. Magnetische inductie wordt gemeten in Tesla en is gerelateerd aan magnetisatie. De schakelcurve is de belangrijkste, het is de locatie van de pieken op de hysteresislussen, die worden verkregen tijdens de cyclische hermagnetisatie. Dit weerspiegelt de verandering in magnetische inductie, die afhangt van de veldsterkte. Wanneer het magnetische circuit gesloten is, is de veldsterkte die wordt weerspiegeld in de vorm van een ringkern gelijk aan de externe veldsterkte. Als het magnetische circuit open is, verschijnen er polen aan de uiteinden van de magneet, die demagnetisatie veroorzaken. Verschil tussendeze spanningen bepalen de interne spanning van het materiaal.
Er zijn karakteristieke secties op de hoofdcurve die opvallen wanneer een enkel kristal van een ferromagneet wordt gemagnetiseerd. Het eerste deel toont het proces van het verschuiven van de grenzen van ongunstig afgestemde domeinen, en in het tweede deel draaien de magnetisatievectoren naar het externe magnetische veld. Het derde deel is het paraproces, de laatste fase van magnetisatie, hier is het magnetische veld sterk en gericht. De toepassing van zachte en harde magnetische materialen hangt in grote mate af van de eigenschappen die worden verkregen uit de magnetisatiecurve.
Permeabiliteit en energieverlies
Om het gedrag van een materiaal in een spanningsveld te karakteriseren, is het noodzakelijk om een concept als absolute magnetische permeabiliteit te gebruiken. Er zijn definities van impuls, differentiële, maximale, initiële, normale magnetische permeabiliteit. Het relatieve wordt getraceerd langs de hoofdcurve, dus deze definitie wordt niet gebruikt - voor de eenvoud. Magnetische permeabiliteit onder omstandigheden waarin H=0 wordt aanvankelijk genoemd en kan alleen worden bepaald in zwakke velden, tot ongeveer 0,1 eenheden. Het maximum daarentegen kenmerkt de hoogste magnetische permeabiliteit. De normale en maximale waarden bieden de mogelijkheid om het normale verloop van het proces in elk afzonderlijk geval te observeren. In het verzadigingsgebied in sterke velden neigt de magnetische permeabiliteit altijd naar één. Al deze waarden zijn nodig voor het gebruik van hard magnetischematerialen, gebruik ze altijd.
Energieverlies tijdens omkering van magnetisatie is onomkeerbaar. Elektriciteit komt als warmte in het materiaal vrij en de verliezen bestaan uit dynamische verliezen en hystereseverliezen. Deze laatste worden verkregen door de domeinwanden te verplaatsen wanneer het magnetisatieproces net begint. Aangezien het magnetische materiaal een inhomogene structuur heeft, wordt er noodzakelijkerwijs energie besteed aan de uitlijning van de domeinwanden. En dynamische verliezen worden verkregen in verband met wervelstromen die optreden op het moment dat de sterkte en richting van het magnetische veld verandert. Op dezelfde manier wordt energie afgevoerd. En de verliezen door wervelstromen overtreffen zelfs de hystereseverliezen bij hoge frequenties. Ook worden dynamische verliezen verkregen als gevolg van resterende veranderingen in de toestand van het magnetische veld nadat de intensiteit is veranderd. De hoeveelheid nawerkingsverliezen hangt af van de samenstelling, van de warmtebehandeling van het materiaal, ze treden vooral op bij hoge frequenties. Het na-effect is de magnetische viscositeit en met deze verliezen wordt altijd rekening gehouden als ferromagneten in gepulseerde modus worden gebruikt.
Classificatie van harde magnetische materialen
De termen die spreken van zachtheid en hardheid zijn helemaal niet van toepassing op mechanische eigenschappen. Veel harde materialen zijn eigenlijk magnetisch zacht, en vanuit mechanisch oogpunt zijn zachte materialen ook behoorlijk hard magnetisch. Het magnetisatieproces in beide materiaalgroepen verloopt op dezelfde manier. Eerst worden de domeingrenzen verschoven, daarna begint de rotatie inin de richting van een steeds magnetiserend veld, en ten slotte begint het paraproces. En hier komt het verschil om de hoek kijken. De magnetisatiecurve laat zien dat het gemakkelijker is om de grenzen te verleggen, er minder energie wordt verbruikt, maar het rotatieproces en het paraproces zijn meer energie-intensief. Zacht magnetische materialen worden gemagnetiseerd door verplaatsing van grenzen. Hard magnetisch - vanwege rotatie en paraprocess.
De vorm van de hysteresislus is ongeveer hetzelfde voor beide groepen materialen, verzadiging en restinductie zijn ook bijna gelijk, maar het verschil bestaat in de dwangkracht en het is erg groot. Hard magnetische materialen hebben Hc=800 kA-m, terwijl zacht magnetische materialen slechts 0,4 A-m hebben. In totaal is het verschil enorm: 2106 keer. Daarom is op basis van deze kenmerken een dergelijke indeling gemaakt. Al moet worden toegegeven dat het nogal voorwaardelijk is. Zacht magnetische materialen kunnen zelfs in een zwak magnetisch veld verzadigen. Ze worden gebruikt in laagfrequente velden. Bijvoorbeeld in magnetische geheugenapparaten. Hard magnetische materialen zijn moeilijk te magnetiseren, maar behouden de magnetisatie zeer lang vast. Het is van hen dat goede permanente magneten worden verkregen. De toepassingsgebieden van hardmagnetische materialen zijn talrijk en uitgebreid, waarvan sommige aan het begin van het artikel worden vermeld. Er is een andere groep - magnetische materialen voor speciale doeleinden, hun reikwijdte is erg smal.
Details van hardheid
Zoals eerder vermeld, hebben harde magnetische materialen een brede hysteresislus en een grote coërcitiefkracht, lage magnetische permeabiliteit. Ze worden gekenmerkt door de maximale specifieke magnetische energie die wordt afgegeven inruimte. En hoe "harder" het magnetische materiaal, hoe hoger de sterkte, hoe lager de doorlaatbaarheid. De specifieke magnetische energie krijgt de belangrijkste rol bij het beoordelen van de kwaliteit van het materiaal. Een permanente magneet geeft praktisch geen energie af aan de ruimte met een gesloten magnetisch circuit, omdat alle krachtlijnen zich in de kern bevinden en er buiten geen magnetisch veld is. Om de energie van permanente magneten optimaal te benutten, wordt een luchtspleet van een strikt gedefinieerde grootte en configuratie gecreëerd in een gesloten magnetisch circuit.
Na verloop van tijd "wordt de magneet oud", neemt de magnetische flux af. Dergelijke veroudering kan echter zowel onomkeerbaar als omkeerbaar zijn. In het laatste geval zijn de oorzaken van de veroudering schokken, schokken, temperatuurschommelingen, constante externe velden. De magnetische inductie wordt verminderd. Maar het kan weer worden gemagnetiseerd, waardoor zijn uitstekende eigenschappen worden hersteld. Maar als de permanente magneet structurele veranderingen heeft ondergaan, zal hermagnetisatie niet helpen, veroudering zal niet worden geëlimineerd. Maar ze gaan lang mee en het doel van harde magnetische materialen is geweldig. Voorbeelden zijn letterlijk overal. Het zijn niet alleen permanente magneten. Dit is een materiaal voor het opslaan van informatie, voor het opnemen ervan - zowel geluid als digitaal en video. Maar het bovenstaande is slechts een klein deel van de toepassing van harde magnetische materialen.
Gegoten harde magnetische materialen
Volgens de productiemethode en samenstelling kunnen harde magnetische materialen worden gegoten, poeder en andere. Ze zijn gebaseerd op legeringen.ijzer, nikkel, aluminium en ijzer, nikkel, kob alt. Deze composities zijn de meest basale om een permanente magneet te krijgen. Ze behoren tot precisie, omdat hun aantal wordt bepaald door de strengste technologische factoren. Gegoten harde magnetische materialen worden verkregen tijdens precipitatieharding van de legering, waarbij afkoeling plaatsvindt met een berekende snelheid vanaf het smelten tot het begin van de ontbinding, die in twee fasen plaatsvindt.
De eerste - wanneer de samenstelling bijna puur ijzer is met uitgesproken magnetische eigenschappen. Alsof er platen met een dikte van één domein verschijnen. En de tweede fase is qua samenstelling dichter bij de intermetallische verbinding, waar nikkel en aluminium lage magnetische eigenschappen hebben. Het blijkt een systeem te zijn waarbij de niet-magnetische fase gecombineerd wordt met sterk magnetische insluitsels met een grote coërcitiefkracht. Maar deze legering is niet goed genoeg in magnetische eigenschappen. De meest voorkomende is een andere samenstelling, gelegeerd: ijzer, nikkel, aluminium en koper met kob alt voor legering. Kob altvrije legeringen hebben minder magnetische eigenschappen, maar zijn veel goedkoper.
Poederharde magnetische materialen
Poedermaterialen worden gebruikt voor miniatuur maar complexe permanente magneten. Ze zijn metaal-keramiek, metaal-plastic, oxide en micropoeder. Vooral de cermet is goed. In termen van magnetische eigenschappen is het nogal inferieur aan gegoten exemplaren, maar iets duurder dan hen. Keramisch-metaalmagneten worden gemaakt door metaalpoeders zonder bindmateriaal te persen en bij zeer hoge temperaturen te sinteren. Er worden poeders gebruiktmet de hierboven beschreven legeringen, evenals die op basis van platina en zeldzame aardmetalen.
In termen van mechanische sterkte is poedermetallurgie superieur aan gieten, maar de magnetische eigenschappen van metaal-keramische magneten zijn nog steeds iets lager dan die van gegoten magneten. Op platina gebaseerde magneten hebben zeer hoge coërcitiekrachtwaarden en de parameters zijn zeer stabiel. Legeringen met uranium en zeldzame aardmetalen hebben recordwaarden van maximale magnetische energie: de grenswaarde is 112 kJ per vierkante meter. Dergelijke legeringen worden verkregen door het poeder koud te persen tot de hoogste dichtheid, waarna de briketten worden gesinterd met de aanwezigheid van een vloeibare fase en het gieten van een samenstelling met meerdere componenten. Het is onmogelijk om de componenten zo te mengen door eenvoudig te gieten.
Andere harde magnetische materialen
Tot harde magnetische materialen behoren ook materialen met een zeer gespecialiseerd doel. Dit zijn elastische magneten, plastisch vervormbare legeringen, materialen voor informatiedragers en vloeibare magneten. Vervormbare magneten hebben uitstekende plastische eigenschappen, ze lenen zich perfect voor elke vorm van mechanische bewerking - stempelen, snijden, machinale bewerking. Maar deze magneten zijn duur. Kunife-magneten gemaakt van koper, nikkel en ijzer zijn anisotroop, dat wil zeggen, ze worden gemagnetiseerd in de richting van het rollen, ze worden gebruikt in de vorm van stempelen en draad. Vikalloy-magneten gemaakt van kob alt en vanadium worden gemaakt in de vorm van een zeer sterke magneetband, evenals draad. Deze samenstelling is goed voor zeer kleine magneten met de meest complexe configuratie.
Elastische magneten - op een rubberen basis, waarinDe vulstof is een fijn poeder van een hard magnetisch materiaal. Meestal is het bariumferriet. Met deze methode kunt u producten van absoluut elke vorm krijgen met een hoge maakbaarheid. Ze zijn ook perfect gesneden met een schaar, gebogen, gestempeld, gedraaid. Ze zijn veel goedkoper. Magnetisch rubber wordt gebruikt als vellen magnetisch geheugen voor computers, in televisie, voor corrigerende systemen. Als informatiedragers voldoen magnetische materialen aan veel eisen. Dit is een restinductie op hoog niveau, een klein effect van zelfdemagnetisatie (anders gaat de informatie verloren), een hoge waarde van de dwangkracht. En om het proces van het wissen van records te vergemakkelijken, is slechts een kleine hoeveelheid van deze kracht nodig, maar deze tegenstrijdigheid wordt verwijderd met behulp van technologie.
