Магнитотвердые матеріали: властивості, характеристики, застосування
Опубликованно 09.04.2018 04:19
Сьогодні майже неможливо знайти таку технічну галузь, де не використовувалися б магнитотвердые матеріали, а також не застосовувалися б постійні магніти. Це і акустика, і радіоелектроніка, і комп'ютерна, та вимірювальна техніка і автоматика, і теплоенергетика, і електроенергетика, будівництво, металургія, та будь-які види транспорту, і сільське господарство, і медицина, і рудообогащение, і навіть на кухні біля кожного стоїть СВЧ-печурка, розігріває піцу. Все не перерахувати, магнитотведрые матеріали супроводжують нас на кожному кроці нашого життя. І всі вироби з їх допомогою працюють за абсолютно різними принципами: двигуни та генератори мають свої функції, а гальмівні пристрої - свої, сепаратор робить одне, а дефектоскоп - інше. Напевно, повного переліку технічних пристроїв, де використані магнитотвердые матеріали, і не існує, настільки їх багато.
Які бувають магнітні системи
Сама наша планета є виключно добре налагодженої магнітною системою. За цим же принципом побудовані й решта. Магнитотвердые матеріали мають функціональні властивості вельми різноманітні. В каталогах у постачальників не дарма даються не тільки їх параметри, але і фізичні властивості. До того ж, це можуть бути матеріали магнитотвердые і магнитом'які. Наприклад, взяти резонансні томографи, де використовуються системи з высокооднородным магнітним полем, і порівняти з сепараторами, де поле різко неоднорідне. Зовсім інший принцип! Освоєні магнітні системи, де поле вміє включатися і виключатися. Саме так влаштовані захоплення. А деякі системи навіть змінюють магнітне поле в просторі. Це всім відомі клістрони, лампи з хвилею, що біжить. Властивості магнитомягких і магнитотвердых матеріалів чарівні. Вони подібні до каталізаторів, практично завжди виступають як посередники, але без найменшої втрати власної енергії вміють перетворювати чуже, перетворюючи один вид в інший.
Наприклад, магнітний імпульс перетворюється в механічну енергію в роботі муфт, сепараторів і тому подібного. Механічна енергія перетворюється за допомогою магнітів в електричну, якщо ми маємо справу з мікрофонами і генераторами. І навпаки буває! В динаміках і моторах магніти перетворюють електроенергію в механічну енергію, наприклад. І це ще не все. Механічну можна перетворити на теплову енергію, як це робить магнітна система в роботі мікрохвильової печі або в гальмівному пристрої. Здатні магнитотвердые і магнитом'які матеріали і спеціальні ефекти в датчиках Холу, магніторезонансних томографах, в роботі НВЧ-зв'язку. Про каталітичному впливі на хімічні процеси можна окрему статтю писати, як у воді градієнтні магнітні поля впливають на структури іонів, білкових молекул, розчинених газів.
Чари з давнини
Природний матеріал - магнетит - був відомий людству кілька тисячоліть тому. Тоді ще не знали всі властивості магнитотвердых матеріалів, а тому в технічних пристроях їх не використовували. Та й не було ще ніяких технічних пристроїв. Розрахунки для роботи магнітних систем робити ніхто не вмів. Але на біологічні об'єкти вплив вже було помічено. Застосування магнитотвердых матеріалів спочатку йшло виключно в медичних цілях, поки в третьому столітті до нашої ери китайці не придумали компас. Однак лікуватися з допомогою магніту не перестали аж до сьогоднішнього дня, навіть незважаючи на те, що постійно ведуться дискусії про шкідливість таких методів. Особливо активно застосування магнитотвердых матеріалів у медицині США, Китаю, Японії. І в Росії є адепти альтернативних способів, хоча величину впливу на організм або рослина заміряти ні одним приладом і неможливо.
Але повернемося до історії. В Малій Азії багато століть тому вже існувало старовинне місто Магнесия на берегах повноводного Меандру. І сьогодні можна відвідати мальовничі руїни в Туреччині. Саме там був виявлений вперше магнітний залізняк, який і був названий на честь міста. Досить швидко він поширився по світу, і китайці п'ять тисяч років тому з його допомогою винайшли до цього часу не вмираючий прилад навігації. Тепер людство навчилося виробляти магніти штучно в промислових масштабах. Основою для них служать самі різні феромагнетики. В університеті Тарту зберігається найбільший природний магніт, здатний підняти близько сорока кілограмів, у той час як сам важить тільки тринадцять. Сьогоднішні порошкові - з кобальту, заліза і різних інших добавок, вони утримують вантажі в п'ять тисяч разів більше, ніж важать самі.
Петля гістерезису
Існує два види штучних магнітів. Перший вид - постійні, які виготовлені з магнитотвердых матеріалів, властивості їх ніяк не зв'язуються з зовнішніми джерелами або струмами. Другий вид - електромагніти. У них є сердечник з заліза - магнітомягкого матеріалу, і по обмотці цього сердечника проходить струм, що створює магнітне поле. Тепер потрібно розглянути принципи його роботи. Характеризує магнітні властивості петля гістерезису для магнитотвердых матеріалів. Існують досить складні технології для виготовлення магнітних систем, а тому потрібні відомості про намагнічуванні, магнітної проникності, про втрати енергії, коли відбувається перемагничивание. Якщо зміна напруженості циклічне, крива перемагнічування (зміни індукції) завжди буде виглядати як замкнута крива. Це і є петля гістерезису. Якщо поле слабке, тоді петля більше схожа на еліпс.
Коли напруженість магнітного поля збільшується, виходить ціла серія таких петель, укладених одна в одну. В процесі намагнічування всі вектори орієнтуються вздовж, а при закінченні настане стан технічного насичення, матеріал намагнічений повністю. Петля, отримана при насиченні, називається граничною, вона показує максимально досягнуте значення індукції Bs (індукція насичення). Коли напруга зменшується, зберігається залишкова індукція. Площа гістерезисних петель у граничному та проміжному стані показує розсіювання енергії, тобто втрати на гістерезис. Це залежить більше всього від частоти перемагнічування, властивостей матеріалу, геометричних розмірів. Граничної петлею гістерезису можуть визначатися такі характеристики магнитотвердых матеріалів: індукція насичення Bs, залишкова індукція Bc і коерцитивна сила Нс.
Крива намагнічування
Ця крива є найважливішою характеристикою, оскільки показує залежно намагніченість і напруженість зовнішнього поля. Магнітну індукцію вимірюють в теслах і пов'язують з намагніченістю. Комутаційна крива - основна, це місце вершин на петлях гістерезису, які отримані під час циклічного перемагнічування. Так відображається зміна магнітної індукції, яке залежить від напруженості поля. Коли магнітна ланцюг замкнута, напруженість поля, відображена у вигляді тороїда, дорівнює напруженості зовнішнього поля. Якщо магнітна ланцюг розімкнута, на кінцях магніту з'являються полюси, які створюють размагниченность. Різниця між цими напруженнями визначає внутрішню напруженість матеріалу.
На основної кривої є характерні ділянки, що виділяються, коли намагнічується монокристал феромагнетика. Перший ділянку показує процес зміщення меж несприятливо настроившихся доменів, а на другому вектори намагніченості розгортаються до зовнішнього магнітного поля. Третя ділянка - парапроцесс, завершальний етап намагнічування, тут магнітне поле сильне і спрямоване. Застосування магнитомягких і магнитотвердых матеріалів у великій мірі залежить від характеристик, отриманих за допомогою кривої намагнічення.
Проникність і втрати енергії
Щоб охарактеризувати поведінку матеріалу в поле напруженості, потрібно використовувати таке поняття як абсолютна магнітна проникність. Існують визначення імпульсної, диференціальної, максимальної, початкової, нормальної магнітної проникності. Відносна простежується за основною кривою, тому таке визначення не вживається - для простоти. Магнітна проникність при умовах, коли Н = 0 називається початковою, і її можна визначити тільки при слабких полях, приблизно до 0,1 одиниць вимірювання. Максимум, навпаки, характеризує найбільшу магнітну проникність. Значення нормальної і максимальної надають можливість спостерігати нормальний хід процесу в кожному окремому випадку. В області насичення в сильних полях магнітна проникність завжди прагне до одиниці. Всі ці значення необхідні для використання магнитотвердых матеріалів, застосовують їх завжди.
Втрати енергії при перемагнічуванні незворотні. Електрика виділяється в матеріалі як тепло, і втрати його складаються з динамічних втрат і втрат на гістерезис. Останні виходять при зміщенні стінок доменів, коли процес намагнічування тільки починається. Оскільки магнітний матеріал має неоднорідну структуру, енергія обов'язково витрачається на вирівнювання стінок доменів. А динамічні втрати виходять у зв'язку з вихровими струмами, що виникають у момент зміни напруженості і напрямку магнітного поля. Таким же чином розсіюється енергія. І втрати від вихрових струмів переважають на високих частотах навіть втрати на гістерезис. Також динамічні втрати виходять у зв'язку із залишковими змінами стану магнітного поля після того, як змінилася напруженість. Кількість втрат післядії залежить від складу, від термічної обробки матеріалу, з'являються вони суто на високих частотах. Післядія - це магнітна в'язкість, і ці втрати завжди враховуються, якщо феромагнетики використовуються в імпульсному режимі.
Класифікація магнитотвердых матеріалів
До механічних властивостей терміни, що говорять про м'якості і твердості, не ставляться абсолютно. Багато тверді матеріали насправді магнитом'які, і так само з механічної точки зору м'які матеріали цілком відносяться до магнитотвердым. Процес намагнічування у тієї й іншої групи матеріалів відбувається однаково. Спочатку зміщуються межі доменів, потім починається обертання в напрямку все більш намагничивающегося поля, а наостанок настає парапроцесс. І ось тут з'являється різниця. Крива намагнічування показує, що зміщувати кордону легше, менше витрачається енергії, а от процес обертання і парапроцесс більш енергоємні. Магнитом'які матеріали намагнічуються допомогою зсуву кордонів. Магнитотвердые - за рахунок обертання і парапроцесса.
Форма петлі гистерезиса приблизно однакова для тих і інших груп матеріалів, індукція насичення і залишкова теж близькі до рівних, але різниця існує в коерцитивній силі, і вона дуже велика. У магнитотвердых матеріалів Нс=800 кА-м, а у магнитомягких - всього 0,4 А-м. Разом, різниця величезна: в 2*106 разів. Ось тому, виходячи з цих характеристик, було прийнято таке розділення. Хоча, потрібно визнати, що воно досить умовне. Магнитом'які матеріали здатні насичуватися навіть у слабкому магнітному полі. Застосовують їх в низькочастотних полях. Наприклад, у пристрої магнітної пам'яті. Магнитотвердые матеріали намагнічуються важко, проте дуже довго зберігають намагніченість. Саме з них виходять хороші постійні магніти. Області застосування магнитотвердых матеріалів численні і великі, деякі перераховані на початку статті. Є ще одна група - магнітні матеріали для особливого призначення, сфера застосування їх дуже вузька.Докладно про магнитотвердости
Як вже говорилося, магнитотвердые матеріали мають широку петлю гістерезису і велику коерцитивну силу, малу магнітну проникність. Вони характеризуються максимальною питомою магнітною енергією, що віддається в простір. І чим "твердіше" магнітний матеріал, тим вище його сила, тим менше проникність. Питомої магнітної енергії віддається найважливіша роль при оцінці якості матеріалу. Постійний магніт у зовнішній простір практично не віддає енергію при замкнутому магнітопроводі, тому що всі силові лінії знаходяться всередині осердя, а поза його магнітного поля немає. Щоб по максимуму використовувати енергію постійних магнітів, всередині замкнутого магнітопровода створюється повітряний зазор строго певного розміру і конфігурації.
Згодом магніт "старіє", його магнітний потік зменшується. Однак таке старіння може бути як необоротних, так і оборотних. В останньому випадку його причинами старіння бувають удари, поштовхи, коливання температури, постійні зовнішні поля. Магнітна індукція знижується. Але його можна намагнітити повторно, відновивши таким чином його чудові властивості. А ось якщо постійний магніт зазнав будь-які структурні зміни, повторне намагнічування не допоможе, старіння не усунеться. Але служать вони довго, і велике призначення магнитотвердых матеріалів. Приклади буквально на кожному кроці. Це не тільки постійні магніти. Це матеріал для зберігання інформації, для запису її - і звуковий, і цифровий, і відео. Але і це - лише мала частина застосування магнитотвердых матеріалів.
Литі магнитотвердые матеріали
За способом отримання і за складом магнитотвердые матеріали можуть бути литими, порошковими та іншими. В їх основі лежать сплави заліза, нікелю, алюмінію і заліза, нікелю, кобальту. Ці склади і є самими основними для того, щоб вийшов постійний магніт. Відносяться вони до прецизійним, оскільки кількість їх визначають найсуворіші технологічні фактори. Виходять литі магнитотвердые матеріали при дисперсійному затвердінні сплаву, де охолодження відбувається з прорахованою швидкістю від плавлення до початку розпаду, який відбувається у двох фазах.
Перша - коли склад близький до чистого заліза з вираженими магнітними властивостями. З'являються як би пластинки однодоменной товщини. А друга фаза ближче до интерметаллическому з'єднанню за складом, де нікель і алюміній мають низькі магнітні властивості. Виходить система, де немагнітна фаза поєднується з сильномагнитными включеннями з великий коэрцитивной силою. Але цей сплав недостатньо хороший за магнітними властивостями. Найпоширенішим є інший склад, легований: залізо, нікель, алюміній і мідь з кобальтом для легування. Бескобальтовые сплави мають більш низькі магнитныке властивості, але вони значно дешевше.Порошкові матеріали магнитотвердые
Порошкові матеріали застосовуються для мініатюрних, але складної форми постійних магнітів. Вони бувають металокерамічними, металлопластическими, оксидними та микропорошковыми. Металокераміка особливо хороша. За магнітними властивостями поступається литим зовсім небагато, але дещо дорожче їх. Виготовляють металокерамічні магніти пресуванням металевих порошків без всякого сполучного матеріалу і спіканням при дуже високих температурах. Порошки використовуються зі сплавами, описаними вище, а також на основі платини і рідкоземельних металів.
По механічній міцності порошкова металургія перевершує лиття, але магнітні властивості металокерамічних магнітів все-таки виходять дещо нижче, ніж у литих. На платиновій основі магніти мають дуже високі значення коерцитивної сили, а також параметри високо стабільні. У сплавів з ураном і рідкоземельними металами рекордні значення максимальної магнітної енергії: граничне значення - 112 кДж на квадратний метр. Такі сплави виходять холодним пресуванням порошку до найвищого ступеня щільності, далі брикети спікається з присутністю рідкої фази і лиття багатокомпонентного складу. Простим литтям неможливо до такої міри добре перемішати компоненти.Інші матеріали магнитотвердые
До магнитотвердым матеріалів відносяться і мають узкоспециальное призначення. Це еластичні магніти, сплави пластично деформуються, матеріали для носіїв інформації і магніти рідкі. Деформуємі магніти мають чудові пластичні властивості, чудово піддаються будь-яким видам механічної обробки - штампування, різання, обробки на верстатах. Але коштують такі магніти дорого. Магніти кунифе з міді, нікелю та заліза анізотропні, тобто намагнічуються в бік прокатки, їх застосовують у вигляді штампування і дроту. Магніти викаллой з кобальту і ванадію виконують у вигляді магнітної стрічки високої міцності, а також і дротом. Цей склад дуже хороший для дрібних магнітів з самою складною конфігурацією.
Еластичні магніти - на гумовій основі, в якій наповнювачем служить дрібний порошок з магнитотвердого матеріалу. Найчастіше це ферит барію. Такий спосіб дозволяє отримувати вироби абсолютно будь-якої форми з високою технологічністю. Вони теж прекрасно ріжеться ножицями, згинаються, штампуютмя, скручуються. Коштують вони значно дешевше. Магнітна гума застосовується як листи магнітної пам'яті для ЕОМ, в телебаченні, для коригувальних систем. Як носії інформації магнітні матеріали відповідають багатьом вимогам. Це залишкова індукція високого рівня, малий ефект саморазмагничивания (інакше інформація загубиться), високе значення коерцитивної сили. А щоб полегшити процес стирання записів, потрібна якраз мала величина цієї сили, але це протиріччя забирається за допомогою технологій.
Категория: Студентам