Avui, és gairebé impossible trobar una indústria tècnica que no utilitzi materials magnètics durs i imants permanents. Aquests són acústica, i radioelectrònica, i informàtica, i equips de mesura, i automatització, i calor i energia, i energia elèctrica, i construcció, i metal·lúrgia, i qualsevol tipus de transport, i agricultura, i medicina, i processament de minerals, i fins i tot a la cuina de tothom hi ha un microones, escalfa la pizza. És impossible enumerar-ho tot, els materials magnètics ens acompanyen a cada pas de la nostra vida. I tots els productes amb la seva ajuda funcionen segons principis completament diferents: els motors i els generadors tenen les seves pròpies funcions, i els dispositius de frenada en tenen les seves pròpies, el separador fa una cosa i el detector de defectes en fa una altra. Probablement, no hi ha una llista completa de dispositius tècnics on s'utilitzen materials magnètics durs, n'hi ha molts.
Què són els sistemes magnètics
El nostre planeta en si és un sistema magnètic excepcionalment ben greixat. Tota la resta es construeix sobre el mateix principi. Els materials magnètics durs tenen propietats funcionals molt diverses. En els catàlegs de proveïdors, no en va es donen no només els seus paràmetres, sinó també les propietats físiques. A més, pot ser materials magnèticament durs i magnèticament tous. Per exemple, agafeu tomògrafs ressonants, on s'utilitzen sistemes amb un camp magnètic molt uniforme, i compareu amb separadors, on el camp és fortament deshomogeneïtat. Un principi ben diferent! S'han dominat els sistemes magnètics, on es pot encendre i apagar el camp. Així es dissenyen els grips. I alguns sistemes fins i tot canvien el camp magnètic a l'espai. Aquests són coneguts klystrons i làmpades d'ona viatgera. Les propietats dels materials magnètics suaus i durs són realment màgiques. Són com catalitzadors, gairebé sempre actuen com a intermediaris, però sense la menor pèrdua de la seva pròpia energia, són capaços de transformar la d'una altra, convertint una espècie en una altra.
Per exemple, un impuls magnètic es converteix en energia mecànica en el funcionament d'acoblaments, separadors i similars. L'energia mecànica es converteix amb l'ajuda d'imants en energia elèctrica, si es tracta de micròfons i generadors. I passa al revés! En altaveus i motors, els imants converteixen l'electricitat en energia mecànica, per exemple. I això no és tot. Fins i tot l'energia mecànica es pot convertir en energia tèrmica, igual que el sistema magnètic en el funcionament d'un forn de microones o en un dispositiu de frenada. Són capaçosmaterials magnèticament durs i magnèticament tous i sobre efectes especials: en sensors Hall, en tomògrafs de ressonància magnètica, en comunicació per microones. Podeu escriure un article separat sobre l'efecte catalític en els processos químics, com afecten els camps magnètics de gradient a l'aigua les estructures dels ions, les molècules de proteïnes i els gasos dissolts.
Màgia de l'antiguitat
El material natural, la magnetita, era conegut per la humanitat fa diversos mil·lennis. En aquell moment, encara no es coneixien totes les propietats dels materials magnètics durs i, per tant, no s'utilitzaven en dispositius tècnics. I encara no hi havia dispositius tècnics. Ningú sabia com fer càlculs per al funcionament dels sistemes magnètics. Però la influència en els objectes biològics ja s'ha notat. L'ús de materials magnètics durs al principi va ser purament mèdic, fins que els xinesos van inventar la brúixola al segle III aC. Tanmateix, el tractament amb un imant no s'ha aturat fins avui, tot i que hi ha discussions constants sobre la nocivitat d'aquests mètodes. L'ús de materials magnètics durs en medicina als EUA, la Xina i el Japó és especialment actiu. I a Rússia hi ha adeptes de mètodes alternatius, tot i que és impossible mesurar la magnitud de l'impacte sobre el cos o la planta amb qualsevol instrument.
Però tornem a la història. A l'Àsia Menor, fa molts segles, l'antiga ciutat de Magnèsia ja existia a la vora del Meandre que flueix. I avui podeu visitar les seves pintoresques ruïnes a Turquia. Va ser allà on es va descobrir el primer mineral de ferro magnètic, que va rebre el seu nomciutats. Amb força rapidesa, es va estendre per tot el món, i els xinesos fa cinc mil anys, amb la seva ajuda, van inventar un aparell de navegació que encara no mor. Ara la humanitat ha après a produir imants artificialment a escala industrial. La base per a ells són una varietat de ferroimants. La Universitat de Tartu té l'imant natural més gran, capaç d'aixecar uns quaranta quilos, mentre que ell mateix en pesa només tretze. Les pols actuals estan fetes de cob alt, ferro i diversos altres additius, aguanten cinc mil vegades més del que pesen.
bucle d'histeresi
Hi ha dos tipus d'imants artificials. El primer tipus són les constants, que estan fetes de materials magnètics durs, les seves propietats no estan de cap manera associades a fonts o corrents externs. El segon tipus són els electroimants. Tenen un nucli fet de ferro, un material magnèticament tou, i un corrent passa per l'enrotllament d'aquest nucli, que crea un camp magnètic. Ara hem de considerar els principis del seu treball. Caracteritza les propietats magnètiques del bucle d'histèresi per a materials magnètics durs. Hi ha tecnologies força complexes per a la fabricació de sistemes magnètics i, per tant, es necessita informació sobre la magnetització, la permeabilitat magnètica i les pèrdues d'energia quan es produeix la inversió de la magnetització. Si el canvi d'intensitat és cíclic, la corba de remagnetització (canvis en la inducció) sempre semblarà una corba tancada. Aquest és el bucle d'histèresi. Si el camp és feble, llavors el bucle s'assembla més a una el·lipse.
Quan la tensióel camp magnètic augmenta, s'obté tota una sèrie d'aquests bucles, tancats entre si. En el procés de magnetització, tots els vectors s'orienten al llarg i, al final, arribarà un estat de saturació tècnica, el material quedarà completament magnetitzat. El bucle obtingut durant la saturació s'anomena bucle límit, mostra el valor màxim assolit de la inducció Bs (inducció de saturació). Quan la tensió disminueix, es manté la inducció residual. L'àrea dels bucles d'histèresi en els estats límit i intermedi mostra la dissipació d'energia, és a dir, la pèrdua d'histèresi. Depèn sobretot de la freqüència d'inversió de la magnetització, les propietats del material i les dimensions geomètriques. El bucle d'histèresi limitador pot determinar les característiques següents dels materials magnètics durs: inducció de saturació Bs, inducció residual Bc i força coercitiva Hc.
Corba de magnetització
Aquesta corba és la característica més important, perquè mostra la dependència de la magnetització i la força del camp extern. La inducció magnètica es mesura en Tesla i està relacionada amb la magnetització. La corba de commutació és la principal, és la localització dels pics en els bucles d'histèresi, que s'obtenen durant la remagnetització cíclica. Això reflecteix el canvi en la inducció magnètica, que depèn de la intensitat del camp. Quan el circuit magnètic està tancat, la intensitat del camp reflectida en forma de toroide és igual a la força del camp extern. Si el circuit magnètic està obert, als extrems de l'imant apareixen pols que generen desmagnetització. Diferència entreaquestes tensions determinen la tensió interna del material.
Hi ha seccions característiques a la corba principal que destaquen quan s'imanta un únic cristall d'un ferroimant. La primera secció mostra el procés de desplaçament dels límits dels dominis sintonitzats desfavorablement, i en la segona, els vectors de magnetització es dirigeixen cap al camp magnètic extern. La tercera secció és el paraprocés, l'etapa final de magnetització, aquí el camp magnètic és fort i dirigit. L'aplicació de materials magnètics tous i durs depèn en gran mesura de les característiques obtingudes de la corba de magnetització.
Permeabilitat i pèrdua d'energia
Per caracteritzar el comportament d'un material en un camp de tensió, cal utilitzar un concepte com la permeabilitat magnètica absoluta. Hi ha definicions de permeabilitat magnètica d'impuls, diferencial, màxima, inicial, normal. El relatiu es traça al llarg de la corba principal, de manera que aquesta definició no s'utilitza, per simplificar. La permeabilitat magnètica en condicions en què H=0 s'anomena inicial, i només es pot determinar en camps febles, fins a aproximadament 0,1 unitats. El màxim, per contra, caracteritza la més alta permeabilitat magnètica. Els valors normals i màxims ofereixen l'oportunitat d'observar el curs normal del procés en cada cas particular. A la regió de saturació en camps forts, la permeabilitat magnètica sempre tendeix a la unitat. Tots aquests valors són necessaris per a l'ús de magnètic durmaterials, fes-los servir sempre.
La pèrdua d'energia durant la inversió de la magnetització és irreversible. L'electricitat s'allibera al material en forma de calor, i les seves pèrdues estan formades per pèrdues dinàmiques i pèrdues per histèresi. Aquests últims s'obtenen desplaçant les parets del domini quan tot just comença el procés de magnetització. Com que el material magnètic té una estructura no homogènia, l'energia es gasta necessàriament en l'alineació de les parets del domini. I les pèrdues dinàmiques s'obtenen en relació amb els corrents de Foucault que es produeixen en el moment de canviar la força i la direcció del camp magnètic. L'energia es dissipa de la mateixa manera. I les pèrdues per corrents de Foucault superen fins i tot les pèrdues per histèresi a altes freqüències. A més, s'obtenen pèrdues dinàmiques a causa dels canvis residuals en l'estat del camp magnètic després que la intensitat hagi canviat. La quantitat de pèrdues per efectes posteriors depèn de la composició, del tractament tèrmic del material, apareixen especialment a altes freqüències. L'efecte posterior és la viscositat magnètica, i aquestes pèrdues sempre es tenen en compte si s'utilitzen ferroimants en mode polsat.
Classificació de materials magnètics durs
Els termes que parlen de suavitat i duresa no s'apliquen en absolut a les propietats mecàniques. Molts materials durs són realment magnèticament tous i, des d'un punt de vista mecànic, els materials tous també són bastant durs magnètics. El procés de magnetització en ambdós grups de materials es produeix de la mateixa manera. Primer, els límits del domini es desplacen i després comença la rotacióen direcció a un camp cada cop més magnetitzador i, finalment, comença el paraprocés. I aquí és on entra la diferència. La corba de magnetització mostra que és més fàcil moure els límits, es gasta menys energia, però el procés de rotació i el paraprocés consumeixen més energia. Els materials magnètics tous són magnetitzats mitjançant el desplaçament dels límits. Magnètic dur: a causa de la rotació i el paraprocés.
La forma del bucle d'histèresi és aproximadament la mateixa per als dos grups de materials, la saturació i la inducció residual també són gairebé iguals, però la diferència existeix en la força coercitiva i és molt gran. Els materials magnètics durs tenen Hc=800 kA-m, mentre que els materials magnètics tous només tenen 0,4 A-m. En total, la diferència és enorme: 2106 vegades. Per això, a partir d'aquestes característiques, es va adoptar aquesta divisió. Tot i que, cal admetre que és més aviat condicional. Els materials magnètics tous poden saturar fins i tot en un camp magnètic feble. S'utilitzen en camps de baixa freqüència. Per exemple, en dispositius de memòria magnètica. Els materials magnètics durs són difícils de magnetitzar, però mantenen la magnetització durant molt de temps. És d'ells que s'obtenen bons imants permanents. Les àrees d'aplicació dels materials magnètics durs són nombroses i extenses, algunes d'elles s'enumeren al principi de l'article. Hi ha un altre grup: els materials magnètics per a finalitats especials, el seu abast és molt reduït.
Detalls de la duresa
Com ja s'ha esmentat, els materials magnètics durs tenen un ampli bucle d'histèresi i una gran força coercitiva, una baixa permeabilitat magnètica. Es caracteritzen per la màxima energia magnètica específica que es desprenenespai. I com més "dur" sigui el material magnètic, més gran és la seva força, menor serà la permeabilitat. L'energia magnètica específica té el paper més important en l'avaluació de la qualitat del material. Un imant permanent pràcticament no emet energia a l'espai exterior amb un circuit magnètic tancat, perquè totes les línies de força es troben dins del nucli i no hi ha camp magnètic fora d'ell. Per aprofitar al màxim l'energia dels imants permanents, es crea un espai d'aire d'una mida i una configuració estrictament definides dins d'un circuit magnètic tancat.
Amb el temps, l'imant "envelleix", el seu flux magnètic disminueix. Tanmateix, aquest envelliment pot ser irreversible i reversible. En aquest darrer cas, les causes del seu envelliment són xocs, xocs, fluctuacions de temperatura, camps externs constants. La inducció magnètica es redueix. Però es pot tornar a magnetitzar, recuperant així les seves excel·lents propietats. Però si l'imant permanent ha patit canvis estructurals, la re-magnetització no ajudarà, l'envelliment no s'eliminarà. Però serveixen durant molt de temps i el propòsit dels materials magnètics durs és fantàstic. Els exemples són literalment a tot arreu. No són només imants permanents. Aquest és un material per emmagatzemar informació, per gravar-la, tant sonora com digital i vídeo. Però l'anterior és només una petita part de l'aplicació de materials magnètics durs.
Materials magnètics durs fosos
Segons el mètode de producció i composició, els materials magnètics durs es poden colar, en pols i altres. Es basen en aliatges.ferro, níquel, alumini i ferro, níquel, cob alt. Aquestes composicions són les més bàsiques per aconseguir un imant permanent. Pertanyen a la precisió, ja que el seu nombre està determinat pels factors tecnològics més estrictes. Els materials magnètics durs fosos s'obtenen durant l'enduriment per precipitació de l'aliatge, on el refredament es produeix a una velocitat calculada des de la fusió fins a l'inici de la descomposició, que es produeix en dues fases.
El primer - quan la composició és propera al ferro pur amb propietats magnètiques pronunciades. Com si apareguessin plaques de gruix d'un sol domini. I la segona fase és més propera al compost intermetàl·lic en composició, on el níquel i l'alumini tenen propietats magnètiques baixes. Resulta un sistema on la fase no magnètica es combina amb inclusions fortament magnètiques amb una gran força coercitiva. Però aquest aliatge no és prou bo en propietats magnètiques. El més habitual és una altra composició, aliada: ferro, níquel, alumini i coure amb cob alt per aliar. Els aliatges sense cob alt tenen propietats magnètiques més baixes, però són molt més barats.
Materials magnètics durs en pols
Els materials en pols s'utilitzen per a imants permanents en miniatura però complexos. Són metall-ceràmica, metall-plàstic, òxid i micropols. El cermet és especialment bo. Pel que fa a les propietats magnètiques, és bastant inferior a les de fosa, però una mica més car que elles. Els imants de ceràmica-metall es fabriquen pressionant pols metàl·liques sense cap material aglutinant i sinteritzant-los a temperatures molt elevades. S'utilitzen polsamb els aliatges descrits anteriorment, així com els basats en platí i metalls de terres rares.
En termes de resistència mecànica, la metal·lúrgia de pols és superior a la fosa, però les propietats magnètiques dels imants de metall-ceràmica són encara una mica inferiors a les dels de fosa. Els imants basats en platí tenen valors de força coercitius molt elevats i els paràmetres són molt estables. Els aliatges amb urani i metalls de terres rares tenen valors rècord d'energia magnètica màxima: el valor límit és de 112 kJ per metre quadrat. Aquests aliatges s'obtenen mitjançant la pressió en fred de la pols fins al grau més alt de densitat, després les briquetes es sintereixen amb la presència d'una fase líquida i la fosa d'una composició multicomponent. És impossible barrejar els components fins a tal punt mitjançant la fosa simple.
Altres materials magnètics durs
Els materials magnètics durs també inclouen aquells amb una finalitat altament especialitzada. Es tracta d'imants elàstics, aliatges plàsticament deformables, materials per a portadors d'informació i imants líquids. Els imants deformables tenen excel·lents propietats plàstiques, es presten perfectament a qualsevol tipus de processament mecànic: estampació, tall, mecanitzat. Però aquests imants són cars. Els imants Kunife fets de coure, níquel i ferro són anisòtrops, és a dir, estan magnetitzats en la direcció de rodament, s'utilitzen en forma d'estampació i filferro. Els imants Vikalloy fets de cob alt i vanadi es fabriquen en forma de cinta magnètica d' alta resistència, així com de filferro. Aquesta composició és bona per a imants molt petits amb la configuració més complexa.
Imants elàstics - sobre una base de goma, en quèEl farciment és una pols fina d'un material magnètic dur. Molt sovint és ferrita de bari. Aquest mètode us permet obtenir productes de qualsevol forma amb una alta capacitat de fabricació. També es tallen perfectament amb tisores, es dobleguen, estan estampats, retorçats. Són molt més barats. El cautxú magnètic s'utilitza com a làmines de memòria magnètica per a ordinadors, en televisió, per a sistemes correctius. Com a portadors d'informació, els materials magnètics compleixen molts requisits. Es tracta d'una inducció residual d' alt nivell, un petit efecte d'autodesmagnetització (en cas contrari es perdrà la informació), un alt valor de la força coercitiva. I per facilitar el procés d'esborrat de registres, només cal una petita quantitat d'aquesta força, però aquesta contradicció s'elimina amb l'ajuda de la tecnologia.
