Oggi è quasi impossibile trovare un'industria tecnica che non utilizzi materiali magnetici duri e magneti permanenti. Si tratta di acustica, elettronica radio, computer e apparecchiature di misurazione, automazione, calore ed elettricità, energia elettrica, edilizia, metallurgia e qualsiasi tipo di trasporto, agricoltura, medicina e lavorazione dei minerali e anche nella cucina di tutti c'è il forno a microonde, scalda la pizza. È impossibile enumerare tutto, i materiali magnetici ci accompagnano in ogni fase della nostra vita. E tutti i prodotti con il loro aiuto funzionano secondo principi completamente diversi: motori e generatori hanno le proprie funzioni e i dispositivi di frenatura hanno le proprie, il separatore fa una cosa e il rilevatore di difetti ne fa un' altra. Probabilmente, non esiste un elenco completo di dispositivi tecnici in cui vengono utilizzati materiali magnetici duri, ce ne sono così tanti.
Cosa sono i sistemi magnetici
Il nostro pianeta stesso è un sistema magnetico eccezionalmente ben oliato. Tutto il resto si basa sullo stesso principio. I materiali magnetici duri hanno proprietà funzionali molto diverse. Nei cataloghi dei fornitori, non è vano che vengono forniti non solo i loro parametri, ma anche le proprietà fisiche. Inoltre, può essere materiale magneticamente duro e magneticamente morbido. Ad esempio, prendi i tomografi risonanti, in cui vengono utilizzati sistemi con un campo magnetico altamente uniforme, e confrontali con i separatori, dove il campo è nettamente disomogeneo. Un principio completamente diverso! I sistemi magnetici sono stati padroneggiati, dove il campo può essere attivato e disattivato. Ecco come sono progettate le impugnature. E alcuni sistemi cambiano persino il campo magnetico nello spazio. Questi sono famosi klystron e lampade a onde mobili. Le proprietà dei materiali magnetici morbidi e duri sono davvero magiche. Sono come dei catalizzatori, agiscono quasi sempre come intermediari, ma senza la minima perdita della propria energia, sono in grado di trasformare quella di qualcun altro, trasformando una specie in un' altra.
Ad esempio, un impulso magnetico viene convertito in energia meccanica nel funzionamento di giunti, separatori e simili. L'energia meccanica viene convertita con l'ausilio di magneti in energia elettrica, se si tratta di microfoni e generatori. E viceversa succede! Negli altoparlanti e nei motori, ad esempio, i magneti convertono l'elettricità in energia meccanica. E non è tutto. L'energia meccanica può anche essere convertita in energia termica, così come il sistema magnetico nel funzionamento di un forno a microonde o in un dispositivo di frenatura. Sono in gradomateriali magneticamente duri e magneticamente morbidi e su effetti speciali - nei sensori Hall, nei tomografi a risonanza magnetica, nella comunicazione a microonde. Puoi scrivere un articolo separato sull'effetto catalitico sui processi chimici, su come i campi magnetici gradienti nell'acqua influenzano le strutture di ioni, molecole proteiche e gas disciolti.
Magia dall'antichità
Il materiale naturale - la magnetite - era noto all'umanità diversi millenni fa. A quel tempo, non erano ancora note tutte le proprietà dei materiali magnetici duri e quindi non venivano utilizzate nei dispositivi tecnici. E non c'erano ancora dispositivi tecnici. Nessuno sapeva come fare calcoli per il funzionamento dei sistemi magnetici. Ma l'influenza sugli oggetti biologici è già stata notata. L'uso di materiali magnetici duri all'inizio fu puramente per scopi medici, fino a quando i cinesi inventarono la bussola nel III secolo a. C. Tuttavia, il trattamento con un magnete non si è interrotto fino ad oggi, anche se ci sono continue discussioni sulla nocività di tali metodi. L'uso di materiali magnetici duri in medicina negli Stati Uniti, in Cina e in Giappone è particolarmente attivo. E in Russia ci sono sostenitori di metodi alternativi, sebbene sia impossibile misurare l'entità dell'impatto sul corpo o sulla pianta con qualsiasi strumento.
Ma torniamo alla storia. In Asia Minore, molti secoli fa, l'antica città di Magnesia esisteva già sulle sponde del fluente Meandro. E oggi puoi visitare le sue pittoresche rovine in Turchia. Fu lì che fu scoperto il primo minerale di ferro magnetico, da cui prese il nomecittà. Abbastanza rapidamente, si è diffuso in tutto il mondo e cinquemila anni fa i cinesi, con il suo aiuto, hanno inventato un dispositivo di navigazione che ancora non muore. Ora l'umanità ha imparato a produrre magneti artificialmente su scala industriale. La base per loro sono una varietà di ferromagneti. L'Università di Tartu possiede il magnete naturale più grande, capace di sollevare una quarantina di chilogrammi, mentre a sua volta pesa solo tredici. Le polveri di oggi sono fatte di cob alto, ferro e vari altri additivi, reggono carichi cinquemila volte più di quanto pesano.
Ciclo di isteresi
Ci sono due tipi di magneti artificiali. Il primo tipo sono le costanti, che sono fatte di materiali magnetici duri, le loro proprietà non sono in alcun modo associate a fonti o correnti esterne. Il secondo tipo sono gli elettromagneti. Hanno un nucleo di ferro, un materiale magneticamente morbido, e una corrente passa attraverso l'avvolgimento di questo nucleo, che crea un campo magnetico. Ora dobbiamo considerare i principi del suo lavoro. Caratterizza le proprietà magnetiche del circuito di isteresi per materiali magnetici duri. Esistono tecnologie piuttosto complesse per la produzione di sistemi magnetici e quindi sono necessarie informazioni sulla magnetizzazione, sulla permeabilità magnetica e sulle perdite di energia quando si verifica l'inversione della magnetizzazione. Se la variazione di intensità è ciclica, la curva di rimagnetizzazione (variazioni di induzione) apparirà sempre come una curva chiusa. Questo è il ciclo di isteresi. Se il campo è debole, il ciclo è più simile a un'ellisse.
Quando la tensioneil campo magnetico aumenta, si ottiene tutta una serie di tali anelli, racchiusi l'uno nell' altro. Nel processo di magnetizzazione, tutti i vettori sono orientati lungo e alla fine arriverà uno stato di saturazione tecnica, il materiale sarà completamente magnetizzato. L'anello ottenuto durante la saturazione è chiamato anello limite, mostra il valore massimo raggiunto dell'induzione Bs (induzione di saturazione). Quando la tensione diminuisce, rimane l'induzione residua. L'area degli anelli di isteresi negli stati limite e intermedio mostra la dissipazione di energia, ovvero la perdita di isteresi. Dipende soprattutto dalla frequenza di inversione della magnetizzazione, dalle proprietà del materiale e dalle dimensioni geometriche. L'anello di isteresi limite può determinare le seguenti caratteristiche dei materiali magnetici duri: induzione di saturazione Bs, induzione residua Bc e forza coercitiva Hc.
Curva di magnetizzazione
Questa curva è la caratteristica più importante, perché mostra la dipendenza della magnetizzazione e l'intensità del campo esterno. L'induzione magnetica è misurata in Tesla ed è correlata alla magnetizzazione. La curva di commutazione è quella principale, è la localizzazione dei picchi sugli anelli di isteresi, che si ottengono durante la rimagnetizzazione ciclica. Ciò riflette il cambiamento nell'induzione magnetica, che dipende dall'intensità del campo. Quando il circuito magnetico è chiuso, l'intensità del campo riflessa sotto forma di toroide è uguale all'intensità del campo esterno. Se il circuito magnetico è aperto, alle estremità del magnete compaiono dei poli che creano smagnetizzazione. Differenza fraqueste tensioni determinano la tensione interna del materiale.
Ci sono sezioni caratteristiche sulla curva principale che ris altano quando un singolo cristallo di un ferromagnete viene magnetizzato. La prima sezione mostra il processo di spostamento dei confini dei domini sintonizzati in modo sfavorevole e nella seconda i vettori di magnetizzazione si rivolgono verso il campo magnetico esterno. La terza sezione è il paraprocesso, lo stadio finale della magnetizzazione, qui il campo magnetico è forte e diretto. L'applicazione di materiali magnetici morbidi e duri dipende in larga misura dalle caratteristiche ottenute dalla curva di magnetizzazione.
Permeabilità e perdita di energia
Per caratterizzare il comportamento di un materiale in un campo di tensione, è necessario utilizzare un concetto come la permeabilità magnetica assoluta. Esistono definizioni di permeabilità magnetica impulsiva, differenziale, massima, iniziale, normale. Il relativo viene tracciato lungo la curva principale, quindi questa definizione non viene utilizzata, per semplicità. La permeabilità magnetica in condizioni in cui H=0 è chiamata iniziale e può essere determinata solo in campi deboli, fino a circa 0,1 unità. Il massimo, al contrario, caratterizza la più alta permeabilità magnetica. I valori normali e massimi offrono l'opportunità di osservare il normale corso del processo in ogni caso particolare. Nella regione di saturazione in campi forti, la permeabilità magnetica tende sempre all'unità. Tutti questi valori sono necessari per l'uso del magnetico duromateriali, usali sempre.
La perdita di energia durante l'inversione della magnetizzazione è irreversibile. L'elettricità viene rilasciata nel materiale sotto forma di calore e le sue perdite sono costituite da perdite dinamiche e perdite per isteresi. Questi ultimi si ottengono spostando le pareti del dominio quando il processo di magnetizzazione è appena iniziato. Poiché il materiale magnetico ha una struttura disomogenea, l'energia viene necessariamente spesa per l'allineamento delle pareti del dominio. E le perdite dinamiche si ottengono in connessione con le correnti parassite che si verificano al momento di cambiare la forza e la direzione del campo magnetico. L'energia viene dissipata allo stesso modo. E le perdite dovute alle correnti parassite superano anche le perdite per isteresi alle alte frequenze. Inoltre, si ottengono perdite dinamiche dovute a variazioni residue dello stato del campo magnetico dopo che l'intensità è cambiata. L'entità delle perdite per effetto dipende dalla composizione, dal trattamento termico del materiale, compaiono soprattutto alle alte frequenze. L'effetto collaterale è la viscosità magnetica e queste perdite vengono sempre prese in considerazione se i ferromagneti vengono utilizzati in modalità pulsata.
Classificazione dei materiali magnetici duri
I termini che parlano di morbidezza e durezza non si applicano affatto alle proprietà meccaniche. Molti materiali duri sono in re altà magneticamente morbidi e, da un punto di vista meccanico, anche i materiali morbidi sono magnetici abbastanza duri. Il processo di magnetizzazione in entrambi i gruppi di materiali avviene allo stesso modo. Innanzitutto, i confini del dominio vengono spostati, quindi inizia la rotazionenella direzione di un campo sempre più magnetizzante e, infine, inizia il paraprocesso. Ed è qui che entra in gioco la differenza. La curva di magnetizzazione mostra che è più facile spostare i confini, viene consumata meno energia, ma il processo di rotazione e il paraprocesso richiedono più energia. I materiali magnetici morbidi sono magnetizzati dallo spostamento dei confini. Magnetico duro - dovuto alla rotazione e al paraprocesso.
La forma del ciclo di isteresi è approssimativamente la stessa per entrambi i gruppi di materiali, anche la saturazione e l'induzione residua sono quasi uguali, ma la differenza esiste nella forza coercitiva ed è molto grande. I materiali magnetici duri hanno Hc=800 kA-m, mentre i materiali magnetici morbidi hanno solo 0,4 A-m. In totale, la differenza è enorme: 2106 volte. Ecco perché, sulla base di queste caratteristiche, è stata adottata una tale divisione. Tuttavia, bisogna ammettere che è piuttosto condizionale. I materiali magnetici morbidi possono saturare anche in un campo magnetico debole. Sono usati nei campi a bassa frequenza. Ad esempio, nei dispositivi di memoria magnetica. I materiali magnetici duri sono difficili da magnetizzare, ma mantengono la magnetizzazione per molto tempo. È da loro che si ottengono buoni magneti permanenti. I campi di applicazione dei materiali magnetici duri sono numerosi ed estesi, alcuni di essi sono elencati all'inizio dell'articolo. C'è un altro gruppo: i materiali magnetici per scopi speciali, la cui portata è molto ristretta.
Dettagli di durezza
Come già accennato, i materiali magnetici duri hanno un ampio ciclo di isteresi e una grande forza coercitiva, bassa permeabilità magnetica. Sono caratterizzati dalla massima energia magnetica specifica sprigionataspazio. E più "duro" è il materiale magnetico, maggiore è la sua forza, minore è la permeabilità. L'energia magnetica specifica ha il ruolo più importante nella valutazione della qualità del materiale. Un magnete permanente praticamente non emette energia nello spazio esterno con un circuito magnetico chiuso, perché tutte le linee di forza sono all'interno del nucleo e non c'è campo magnetico al di fuori di esso. Per sfruttare al meglio l'energia dei magneti permanenti, all'interno di un circuito magnetico chiuso viene creato un traferro di dimensioni e configurazione rigorosamente definite.
Nel tempo, il magnete "invecchia", il suo flusso magnetico diminuisce. Tuttavia, tale invecchiamento può essere sia irreversibile che reversibile. In quest'ultimo caso, le cause del suo invecchiamento sono shock, shock, sbalzi di temperatura, campi esterni costanti. L'induzione magnetica è ridotta. Ma può essere nuovamente magnetizzato, ripristinando così le sue eccellenti proprietà. Ma se il magnete permanente ha subito modifiche strutturali, la rimagnetizzazione non aiuterà, l'invecchiamento non verrà eliminato. Ma servono a lungo e lo scopo dei materiali magnetici duri è ottimo. Gli esempi sono letteralmente ovunque. Non sono solo magneti permanenti. Questo è un materiale per archiviare informazioni, per registrarle - sia audio che digitale e video. Ma quanto sopra è solo una piccola parte dell'applicazione di materiali magnetici duri.
Fondi materiali magnetici duri
Secondo il metodo di produzione e composizione, i materiali magnetici duri possono essere colati, polvere e altri. Sono a base di leghe.ferro, nichel, alluminio e ferro, nichel, cob alto. Queste composizioni sono le più basilari per ottenere un magnete permanente. Appartengono alla precisione, poiché il loro numero è determinato dai fattori tecnologici più severi. I materiali magnetici duri fusi si ottengono durante l'indurimento per precipitazione della lega, dove il raffreddamento avviene a una velocità calcolata dalla fusione all'inizio della decomposizione, che avviene in due fasi.
Il primo - quando la composizione è vicina al ferro puro con spiccate proprietà magnetiche. Come se appaiano lastre di spessore a dominio singolo. E la seconda fase è più vicina alla composizione del composto intermetallico, dove nichel e alluminio hanno basse proprietà magnetiche. Si scopre un sistema in cui la fase non magnetica è combinata con inclusioni fortemente magnetiche con una grande forza coercitiva. Ma questa lega non è abbastanza buona nelle proprietà magnetiche. La più comune è un' altra composizione, in lega: ferro, nichel, alluminio e rame con cob alto per la lega. Le leghe prive di cob alto hanno proprietà magnetiche inferiori, ma sono molto più economiche.
Materiali magnetici in polvere
I materiali in polvere vengono utilizzati per magneti permanenti in miniatura ma complessi. Sono metallo-ceramica, metallo-plastica, ossido e micropolvere. Il cermet è particolarmente buono. In termini di proprietà magnetiche, è un po' inferiore a quelli fusi, ma un po' più costoso di loro. I magneti metallo-ceramica sono realizzati pressando polveri metalliche senza alcun legante e sinterizzandole a temperature molto elevate. Si usano polvericon le leghe sopra descritte, oltre a quelle a base di platino e terre rare.
In termini di resistenza meccanica, la metallurgia delle polveri è superiore alla fusione, ma le proprietà magnetiche dei magneti metallo-ceramici sono ancora leggermente inferiori a quelle di quelli fusi. I magneti a base di platino hanno valori di forza coercitiva molto elevati e i parametri sono altamente stabili. Le leghe con uranio e terre rare hanno valori record di massima energia magnetica: il valore limite è di 112 kJ per metro quadrato. Tali leghe sono ottenute mediante spremitura a freddo della polvere al massimo grado di densità, quindi i bricchetti vengono sinterizzati con la presenza di una fase liquida e colata di una composizione multicomponente. È impossibile mescolare i componenti a tal punto con una semplice colata.
Altri materiali magnetici duri
I materiali magnetici duri includono anche quelli con uno scopo altamente specializzato. Si tratta di magneti elastici, leghe plasticamente deformabili, materiali per supporti informativi e magneti liquidi. I magneti deformabili hanno ottime proprietà plastiche, si prestano perfettamente a qualsiasi tipo di lavorazione meccanica - stampaggio, taglio, lavorazione meccanica. Ma questi magneti sono costosi. I magneti Kunife in rame, nichel e ferro sono anisotropi, cioè sono magnetizzati nella direzione di rotolamento, sono usati sotto forma di stampaggio e filo. I magneti Vikalloy in cob alto e vanadio sono realizzati sotto forma di nastro magnetico ad alta resistenza e filo. Questa composizione è adatta per magneti molto piccoli con la configurazione più complessa.
Magneti elastici - su una base di gomma, in cuiIl riempitivo è una polvere fine di un materiale magnetico duro. Molto spesso è ferrite di bario. Questo metodo consente di ottenere prodotti di qualsiasi forma con un'elevata producibilità. Sono anche perfettamente tagliati con le forbici, piegati, stampati, attorcigliati. Sono molto più economici. La gomma magnetica viene utilizzata come fogli di memoria magnetica per computer, in televisione, per sistemi correttivi. Come vettori di informazioni, i materiali magnetici soddisfano molti requisiti. Questa è un'induzione residua di alto livello, un piccolo effetto di autosmagnetizzazione (altrimenti l'informazione andrà persa), un alto valore della forza coercitiva. E per facilitare il processo di cancellazione dei record, è necessaria solo una piccola quantità di questa forza, ma questa contraddizione viene rimossa con l'aiuto della tecnologia.
