Ma szinte lehetetlen olyan műszaki iparágat találni, amely ne használna kemény mágneses anyagokat és állandó mágneseket. Ezek az akusztika, és rádióelektronika, és számítógép, és mérőberendezések, és automatizálás, valamint hő- és villamosenergia-, és villamosenergia-, és építőipar, és kohászat, és bármilyen közlekedés, és mezőgazdaság, orvostudomány és ércfeldolgozás, ill. még mindenkinek a konyhájában van mikrohullámú sütő, ez melegíti fel a pizzát. Lehetetlen mindent felsorolni, a mágneses anyagok életünk minden lépésén elkísérnek bennünket. És a segítségükkel ellátott összes termék teljesen más elvek szerint működik: a motoroknak és a generátoroknak megvannak a saját funkcióik, és a fékberendezéseknek megvannak a sajátjai, az elválasztó egy dolgot, a hibaérzékelő mást. Valószínűleg nincs teljes lista azokról a műszaki eszközökről, ahol kemény mágneses anyagokat használnak, nagyon sok van belőlük.
Mik azok a mágneses rendszerek
Maga bolygónk egy rendkívül jól olajozott mágneses rendszer. Az összes többi ugyanazon az elven épül fel. A kemény mágneses anyagok nagyon változatos funkcionális tulajdonságokkal rendelkeznek. A beszállítói katalógusokban nem hiába vannak megadva nemcsak paramétereik, hanem fizikai tulajdonságaik is. Ezenkívül lehet mágnesesen kemény és mágnesesen lágy anyagok. Vegyünk például rezonáns tomográfokat, ahol nagyon egyenletes mágneses térrel rendelkező rendszereket használnak, és hasonlítsuk össze a szeparátorokkal, ahol a tér élesen inhomogén. Egészen más elv! Elsajátították a mágneses rendszereket, ahol a mező ki-be kapcsolható. A fogantyúk így vannak kialakítva. És egyes rendszerek még a mágneses teret is megváltoztatják a térben. Ezek jól ismert klistronok és utazó hullámlámpák. A lágy és kemény mágneses anyagok tulajdonságai valóban varázslatosak. Olyanok, mint a katalizátorok, szinte mindig közvetítőként működnek, de saját energiájuk legkisebb vesztesége nélkül képesek átalakítani valaki másét, egyik fajt a másikká változtatva.
Például a mágneses impulzus mechanikai energiává alakul át tengelykapcsolók, leválasztók és hasonlók működése során. A mechanikai energiát mágnesek segítségével elektromos energiává alakítjuk, ha mikrofonokról és generátorokról van szó. És fordítva is megtörténik! A hangszórókban és a motorokban a mágnesek például az elektromosságot mechanikai energiává alakítják. És ez még nem minden. A mechanikai energia akár hőenergiává is alakítható, akárcsak a mágneses rendszer mikrohullámú sütő vagy fékezőberendezés működésében. Képesek rámágnesesen kemény és mágnesesen lágy anyagokon és speciális effektusokon - Hall szenzorokban, mágneses rezonancia tomográfokban, mikrohullámú kommunikációban. Külön cikket írhat a kémiai folyamatokra gyakorolt katalitikus hatásról, arról, hogy a vízben a gradiens mágneses mezők hogyan hatnak az ionok, fehérjemolekulák és az oldott gázok szerkezetére.
Varázslat az ókorból
A természetes anyagot – a magnetitot – több évezreddel ezelőtt ismerte az emberiség. Ekkor még nem ismerték a keménymágneses anyagok minden tulajdonságát, ezért műszaki eszközökben sem használták őket. És még nem voltak technikai eszközök. Senki sem tudta, hogyan kell számításokat végezni a mágneses rendszerek működésére. De a biológiai objektumokra gyakorolt hatást már észrevették. A kemény mágneses anyagokat eleinte pusztán orvosi célokra használták, mígnem a kínaiak az időszámításunk előtti harmadik században feltalálták az iránytűt. A mágneses kezelés azonban a mai napig nem szűnt meg, pedig állandó viták zajlanak az ilyen módszerek ártalmasságáról. Az USA-ban, Kínában és Japánban különösen aktív a kemény mágneses anyagok alkalmazása az orvostudományban. Oroszországban pedig vannak az alternatív módszerek hívei, bár lehetetlen bármilyen műszerrel megmérni a testre vagy növényre gyakorolt hatás nagyságát.
De vissza a történelemhez. Kis-Ázsiában sok évszázaddal ezelőtt Magnézia ősi városa már létezett a teljes folyású Meander partján. És ma meglátogathatja festői romjait Törökországban. Ott fedezték fel az első mágneses vasércet, amelyről el is neveztékvárosok. Elég gyorsan elterjedt az egész világon, és a kínaiak ötezer évvel ezelőtt a segítségével feltaláltak egy navigációs készüléket, amely még mindig nem hal meg. Most az emberiség megtanulta mesterségesen, ipari méretekben mágneseket előállítani. Ezek alapja a különféle ferromágnesek. A Tartui Egyetem rendelkezik a legnagyobb természetes mágnessel, amely körülbelül negyven kilogrammot képes megemelni, miközben maga mindössze tizenhárom. A mai porok kob altból, vasból és különféle egyéb adalékanyagokból készülnek, ötezerszer nagyobb terhelést bírnak el, mint amennyit a súlyuk.
Hiszterézis hurok
Kétféle mesterséges mágnes létezik. Az első típus az állandók, amelyek kemény mágneses anyagokból készülnek, tulajdonságaik semmilyen módon nem kapcsolódnak külső forrásokhoz vagy áramokhoz. A második típus az elektromágnesek. Vas magjuk van - mágnesesen lágy anyag, és ennek a magnak a tekercsén áram halad át, ami mágneses mezőt hoz létre. Most mérlegelnünk kell a működésének elveit. A hiszterézis hurok mágneses tulajdonságait jellemzi kemény mágneses anyagokhoz. A mágneses rendszerek gyártására meglehetősen összetett technológiák léteznek, ezért információra van szükség a mágnesezettségről, a mágneses permeabilitásról és az energiaveszteségről, amikor a mágnesezettség megfordul. Ha az intenzitás változása ciklikus, akkor az újramágnesezési görbe (az indukció változása) mindig zárt görbének fog kinézni. Ez a hiszterézis hurok. Ha a mező gyenge, akkor a hurok inkább ellipszishez hasonlít.
Amikor a feszültséga mágneses tér növekszik, ilyen hurkok egész sorozatát kapjuk, amelyek egymásba vannak zárva. A mágnesezés folyamatában minden vektor végig van orientálva, és a végén jön a technikai telítettség állapota, az anyag teljesen mágnesezett lesz. A telítés során kapott hurkot határhuroknak nevezzük, ez mutatja a Bs indukció (telítési indukció) maximális elért értékét. Amikor a feszültség csökken, a maradék indukció megmarad. A hiszterézis hurkok határ- és köztes állapotú területe az energia disszipációt, vagyis a hiszterézis veszteséget mutatja. Ez leginkább a mágnesezési megfordítási frekvenciától, az anyagtulajdonságoktól és a geometriai méretektől függ. A korlátozó hiszterézis hurok a kemény mágneses anyagok következő jellemzőit tudja meghatározni: Bs telítési indukció, Bc maradék indukció és Hc koercitív erő.
Mágnesezési görbe
Ez a görbe a legfontosabb jellemző, mert a mágnesezettség és a külső térerősség függését mutatja. A mágneses indukciót Teslában mérik, és a mágnesezettséggel kapcsolatos. A kapcsolási görbe a fő, ez a hiszterézis hurkon lévő csúcsok elhelyezkedése, amelyeket a ciklikus újramágnesezés során kapunk. Ez tükrözi a mágneses indukció változását, amely a térerősségtől függ. Amikor a mágneses áramkör zárva van, a toroid formájában visszavert térerősség megegyezik a külső térerősséggel. Ha a mágneses áramkör nyitva van, a mágnes végein pólusok jelennek meg, amelyek demagnetizálódnak. A különbség köztükezek a feszültségek határozzák meg az anyag belső feszültségét.
Vannak jellemző szakaszok a főgörbén, amelyek kiemelkednek, ha egy ferromágnes egykristályát mágnesezzük. Az első rész a kedvezőtlenül hangolt tartományok határainak eltolódásának folyamatát mutatja be, a másodikban pedig a mágnesezettségi vektorok a külső mágneses tér felé fordulnak. A harmadik szakasz a parafolyamat, a mágnesezés utolsó szakasza, itt a mágneses tér erős és irányított. A lágy és kemény mágneses anyagok alkalmazása nagymértékben függ a mágnesezési görbéből nyert jellemzőktől.
Permeabilitás és energiaveszteség
Az anyag feszültségmezőben való viselkedésének jellemzéséhez szükség van egy olyan fogalom használatára, mint az abszolút mágneses permeabilitás. Létezik impulzus, differenciális, maximális, kezdeti, normál mágneses permeabilitás meghatározása. A relatív a főgörbe mentén van nyomon követve, ezért ezt a definíciót nem használjuk – az egyszerűség kedvéért. A mágneses permeabilitást olyan körülmények között, amikor H=0, kezdetinek nevezzük, és csak gyenge térben határozható meg, körülbelül 0,1 egységig. A maximum éppen ellenkezőleg, a legmagasabb mágneses permeabilitást jellemzi. A normál és maximális értékek minden esetben lehetőséget adnak a folyamat normál lefolyásának megfigyelésére. A telítési tartományban erős mezőkben a mágneses permeabilitás mindig egységbe hajlik. Mindezek az értékek szükségesek a kemény mágnes használatáhozanyagokat, mindig használja őket.
Az energiaveszteség a mágnesezés megfordítása során visszafordíthatatlan. Az anyagban az elektromosság hőként szabadul fel, vesztesége dinamikus veszteségekből és hiszterézisveszteségekből tevődik össze. Ez utóbbiakat a tartomány falainak eltolásával kapjuk, amikor a mágnesezési folyamat éppen most kezdődik. Mivel a mágneses anyag inhomogén szerkezetű, szükségszerűen energiát kell fordítani a tartomány falainak igazítására. És dinamikus veszteségeket kapunk az örvényáramok kapcsán, amelyek a mágneses tér erősségének és irányának megváltoztatásának pillanatában jelentkeznek. Az energia ugyanúgy disszipálódik. Az örvényáramok okozta veszteségek pedig még a hiszterézis veszteségeket is meghaladják magas frekvenciákon. Ezenkívül dinamikus veszteségeket kapunk a mágneses tér állapotának az intenzitás megváltozása utáni maradék változásai miatt. Az utóhatás-veszteségek mértéke az összetételtől, az anyag hőkezelésétől függ, különösen nagy frekvencián jelentkeznek. Az utóhatás a mágneses viszkozitás, és ezeket a veszteségeket mindig figyelembe veszik, ha ferromágneseket impulzus üzemmódban használnak.
Kemény mágneses anyagok osztályozása
A lágyságról és keménységről beszélő kifejezések egyáltalán nem vonatkoznak a mechanikai tulajdonságokra. Sok kemény anyag valójában mágnesesen lágy, és mechanikai szempontból a lágy anyagok is meglehetősen kemény mágnesesek. A mágnesezési folyamat mindkét anyagcsoportban azonos módon megy végbe. Először a tartományhatárok eltolódnak, majd megkezdődik a forgatásegyre inkább mágnesező tér irányába, és végül megindul a parafolyamat. És itt jön be a különbség. A mágnesezési görbe azt mutatja, hogy könnyebb a határok mozgatása, kevesebb energia költ el, viszont a forgási folyamat és a parafolyamat energiaigényesebb. A lágy mágneses anyagok a határvonalak elmozdulásával mágneseződnek. Kemény mágneses - a forgás és a parafolyamat miatt.
A hiszterézis hurok alakja megközelítőleg azonos mindkét anyagcsoportnál, a telítés és a maradék indukció is közel azonos, de a különbség a koercitív erőben van, és nagyon nagy. A kemény mágneses anyagok Hc=800 kA-m, míg a lágymágneses anyagok csak 0,4 A-m. Összességében óriási a különbség: 2106-szor. Ezért e jellemzők alapján egy ilyen felosztást fogadtak el. Bár el kell ismerni, hogy ez meglehetősen feltételes. A lágy mágneses anyagok még gyenge mágneses térben is telítődhetnek. Alacsony frekvenciájú mezőkben használják. Például mágneses memóriaeszközökben. A kemény mágneses anyagokat nehéz mágnesezni, de nagyon hosszú ideig megtartják a mágnesezettséget. Tőlük kapnak jó állandó mágneseket. A keménymágneses anyagok felhasználási területei számosak és kiterjedtek, ezek egy részét a cikk elején soroljuk fel. Létezik egy másik csoport is – a speciális célokra szánt mágneses anyagok, ezek hatóköre nagyon szűk.
Keménység részletei
Mint már említettük, a kemény mágneses anyagok széles hiszterézishurokkal és nagy koercitív erővel, alacsony mágneses permeabilitással rendelkeznek. A maximális fajlagos mágneses energia jellemzi őkethely. És minél "keményebb" a mágneses anyag, annál nagyobb az erőssége, annál kisebb az áteresztőképesség. Az anyag minőségének megítélésében a fajlagos mágneses energia kapja a legfontosabb szerepet. Az állandó mágnes gyakorlatilag nem ad le energiát a világűrbe zárt mágneses körrel, mert minden erővonal a magon belül van, azon kívül pedig nincs mágneses tér. Az állandó mágnesek energiájának maximális kihasználása érdekében egy zárt mágneses körön belül szigorúan meghatározott méretű és konfigurációjú légrést alakítanak ki.
Idővel a mágnes "megöregszik", a mágneses fluxusa csökken. Az ilyen öregedés azonban visszafordíthatatlan és visszafordítható is lehet. Utóbbi esetben öregedésének okai sokkok, ütések, hőmérséklet-ingadozások, állandó külső mezők. A mágneses indukció csökken. De újra mágnesezhető, ezzel visszaállítva kiváló tulajdonságait. De ha az állandó mágnes valamilyen szerkezeti változáson ment keresztül, az újramágnesezés nem segít, az öregedés nem szűnik meg. De hosszú ideig szolgálnak, és a kemény mágneses anyagok célja nagyszerű. Példák szó szerint mindenhol vannak. Nem csak állandó mágnesek. Ez egy információ tárolására és rögzítésére szolgáló anyag - mind hang, mind digitális, mind videó. De a fentiek csak egy kis részét képezik a kemény mágneses anyagok alkalmazásának.
Kemény mágneses anyagok öntése
A gyártási módszer és az összetétel szerint kemény mágneses anyagok önthetők, por és egyebek. Ötvözeteken alapulnak.vas, nikkel, alumínium és vas, nikkel, kob alt. Ezek a kompozíciók a legalapvetőbbek ahhoz, hogy állandó mágnest kapjunk. A precizitás körébe tartoznak, mivel számukat a legszigorúbb technológiai tényezők határozzák meg. Öntött kemény mágneses anyagokat az ötvözet csapadékos keményítése során nyernek, ahol a lehűlés számított sebességgel megy végbe az olvadástól a bomlás kezdetéig, ami két fázisban megy végbe.
Az első - amikor a kompozíció közel áll a tiszta vashoz, kifejezett mágneses tulajdonságokkal. Mintha egydomén vastagságú lemezek jelennének meg. A második fázis összetételében közelebb áll az intermetallikus vegyülethez, ahol a nikkel és az alumínium alacsony mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Kiderült egy olyan rendszer, ahol a nem mágneses fázis erősen mágneses zárványokkal van kombinálva, nagy kényszerítő erővel. De ez az ötvözet nem elég jó mágneses tulajdonságokkal. A legelterjedtebb egy másik összetétel, ötvözve: vas, nikkel, alumínium és réz kob alttal az ötvözéshez. A kob altmentes ötvözetek alacsonyabb mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek, de sokkal olcsóbbak.
Por kemény mágneses anyagok
Por anyagokat használnak miniatűr, de összetett állandó mágnesekhez. Fém-kerámia, fém-műanyag, oxid és mikropor. A cermet különösen jó. Mágneses tulajdonságait tekintve kissé gyengébb az öntötteknél, de valamivel drágább náluk. A kerámia-fém mágnesek fémporok kötőanyag nélküli préselésével és nagyon magas hőmérsékleten történő szinterezésével készülnek. Porokat használnaka fent leírt ötvözetekkel, valamint a platina és ritkaföldfém alapú ötvözetekkel.
A mechanikai szilárdság tekintetében a porkohászat felülmúlja az öntést, de a fémkerámia mágnesek mágneses tulajdonságai még mindig valamivel alacsonyabbak, mint az öntötteké. A platina alapú mágnesek nagyon nagy koercitív erővel rendelkeznek, és a paraméterek nagyon stabilak. Az uránt és a ritkaföldfémeket tartalmazó ötvözetek maximális mágneses energiával rendelkeznek: a határérték 112 kJ négyzetméterenként. Az ilyen ötvözeteket a por hidegsajtolásával állítják elő a legnagyobb sűrűségig, majd a briketteket folyékony fázis jelenlétében szinterelik, és többkomponensű készítményt öntenek. Egyszerű öntéssel lehetetlen ilyen mértékben összekeverni az összetevőket.
Egyéb kemény mágneses anyagok
A kemény mágneses anyagok közé tartoznak azok is, amelyek speciális célt szolgálnak. Ezek rugalmas mágnesek, plasztikusan deformálható ötvözetek, információhordozó anyagok és folyadékmágnesek. A deformálható mágnesek kiváló plasztikus tulajdonságokkal rendelkeznek, kiválóan alkalmasak bármilyen mechanikai megmunkálásra - bélyegzés, vágás, megmunkálás. De ezek a mágnesek drágák. A rézből, nikkelből és vasból készült Kunife mágnesek anizotrópok, vagyis a hengerlés irányában mágnesezettek, sajtolás és huzal formájában használatosak. A kob altból és vanádiumból készült Vikalloy mágnesek nagy szilárdságú mágnesszalag, valamint huzal formájában készülnek. Ez a kompozíció nagyon kisméretű, legbonyolultabb konfigurációjú mágnesekhez jó.
Elasztikus mágnesek - gumi alapon, melybenA töltőanyag finom por kemény mágneses anyagból. Leggyakrabban bárium-ferrit. Ez a módszer lehetővé teszi, hogy bármilyen alakú, nagy gyárthatóságú terméket kapjon. Ollóval is tökéletesen vágják, hajlítják, bélyegzik, csavarják. Sokkal olcsóbbak. A mágneses gumit mágneses memórialapként használják számítógépekben, televíziókban, korrekciós rendszerekben. Információhordozóként a mágneses anyagok számos követelménynek megfelelnek. Ez egy magas szintű maradék indukció, az öndemagnetizálás kis hatása (különben az információ elveszik), a kényszerítő erő nagy értéke. Az iratok törlésének megkönnyítéséhez pedig csak egy kis mennyiségű erőre van szükség, de ez az ellentmondás a technológia segítségével megszűnik.
