Магнито-твърди материали: свойства, характеристики, приложение

Днес е почти невъзможно да се намери такава техническа индустрия, където няма да се използват магнитно твърди материали, нито да се използват постоянни магнити. Това акустика и електроника и компютърна и измерване технология и оборудване, както и комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия и сила, както и строителство и стоманодобивната промишленост, както и всички видове транспорт, и селското стопанство, както и медицината, и rudoobogaschenie, а дори и в кухнята на всеки има микровълнова печка, загрява пицата. Всички, които не са изброени, ни придружават магнитни материали на всяка крачка от нашия живот. И всички продукти, с тяхна помощ работата по съвсем различни принципи: двигатели и генератори, имат свои собствени функции и спирачни устройства - нейната сепаратор прави едно нещо и недостатък - повече. Вероятно няма пълен списък на техническите устройства, в които се използват магнитно твърди материали, има толкова много от тях.

Какви са магнитните системи

Самата ни планета е изключително добре настроена магнитна система. По същия принцип са изградени всички останали. Магнетично твърдите материали имат много различни функционални свойства. В каталозите доставчиците не са напразни дават не само своите параметри, но и физическите си свойства. В допълнение, той може да бъде магнитно твърди и меки магнитни материали. Например, вземете резонансни томографи, където се използват системи с високо хомогенно магнитно поле и сравнете със сепаратори, където полето е рязко нееднородно. Напълно различен принцип! Манипулирани магнитни системи, където полето може да се включва и изключва. Ето как се уреждат улавянията. И някои системи дори променят магнитното поле в пространството. Това са всички познати klystrons и лампи с пътуваща вълна. Свойствата на магнитно меките и магнитно твърдите материали са наистина магически. Те са като катализатори, почти винаги действат като посредници, но без най-малката загуба на собствената си енергия те могат да трансформират някой друг, като се превръщат в един вид в друг.

Например, магнитният импулс се превръща в механична енергия при работа на съединители, сепаратори и други подобни. Механичната енергия се превръща чрез магнити в електрически, ако се занимаваме с микрофони и генератори. И обратното това се случва! В тонколоните и двигателите магнитите превръщат електричеството в механична енергия, например. И това не е всичко. Механизмът може да се превърне дори в топлинна енергия, както и магнитната система в работата на микровълнова фурна или в спирачно устройство. Възможност за магнитно твърди и меки магнитни материали и специални ефекти - в Hall сензори, в магнитно-резонансни томографи, при работа с микровълнова комуникация. Може да се напише отделна статия за каталитичния ефект върху химичните процеси, тъй като във водния градиент магнитното поле влияе върху структурата на йони, протеинови молекули, разтворени газове.

Магия от древността

Природният материал - магнетит - е известен на човечеството преди няколко хилядолетия. Тогава те не познават всички свойства на магнитно твърдите материали и следователно не се използват в техническите устройства. И нямаше технически средства. Никой не знае как да прави изчисления за работата на магнитни системи. Но въздействието върху биологичните обекти вече е било наблюдавано. Използването на магнитно твърди материали става чисто за медицински цели, докато в III век пр.н.е. китайците изобретяваха компас. Въпреки това, лечението с магнит не е спряло до днес, въпреки че текущите дискусии относно вредността на такива методи. Особено активно е използването на магнитно твърди материали в медицината в САЩ, Китай и Япония. И в Русия има адекватни алтернативни методи, въпреки че е невъзможно да се измери количеството на излагане на организъм или растение от всяко устройство.

Но обратно към историята. В Мала Азия преди много векове вече съществуваше древния град Магнезия на бреговете на дълбоководния Меандър. И днес можете да посетите живописните си руини в Турция. Там се открива първият магнитен железен камък, който е кръстен на града. Толкова бързо се разпространи в целия свят, а китайските преди пет хиляди години с помощта му изобретяваха до днес не умиращо устройство за навигация. Сега човечеството се е научило да произвежда изкуствено магнити в индустриален мащаб. Основата за тях е разнообразие от феромагнити. Университетът в Тарту има най-големият естествен магнит, способен да вдигне около четиридесет килограма, докато тежи само тринадесет. Днешната прах - от кобалт, желязо и различни други добавки, те държат стоката пет хиляди пъти повече, отколкото се претеглят.

Хистерезисна линия

Има два вида изкуствени магнити. Първият тип е постоянен, който е направен от магнитно твърди материали, техните свойства не се свързват с външни източници или токове. Вторият тип е електромагнитите. Те имат сърцевина от желязо - магнитно мек материал и ток преминава през намотката на това ядро, което създава магнитно поле. Сега трябва да разгледаме принципите на неговата работа. Характеризира магнитните свойства на хистерезисната верига за магнитно твърди материали. Има съвсем сложни технологии за производството на магнитни системите и затова се нуждаем от информация за магнетизацията, магнитната пропускливост, загубите на енергия, когато има обръщане на магнетизацията. Ако промяната в напрежението е циклична, кривата на обръщане на магнетизацията (индукционна промяна) винаги ще изглежда като затворена крива. Това е хистерезис цикъл. Ако полето е слабо, тогава цикълът е по-скоро като елипса.

Когато интензивността на магнитното поле се увеличи, се образуват цяла серия от такива вериги, които се затварят един в друг. В процеса на магнетизация, всички вектори са ориентирани по протежение на пътя и в края ще настъпи състояние на техническо насищане, материалът ще бъде магнетизиран напълно. Цикълът, получен при насищане, се нарича ограничителна линия, показва максималната достигната стойност на индукция Bs (индукция на насищане). Когато напрежението намалява, остатъчната индукция продължава. Районът на хистерезисните бримки в граничното и междинното състояние показва разсейване на енергия, т.е. загуба, дължаща се на хистерезис. Това зависи най-вече от честотата на обръщане на магнетизацията, свойствата на материала, геометричните измерения. Ограничаващите характеристики на магнитно твърдите материали могат да се определят чрез граничната хистерезисна линия: индукция на насищане Bs, остатъчна индукция Bc и принудителна сила Hc.

Крива на магнетизацията

Тази крива е най-важната характеристика, тъй като показва магнетизацията и силата на външното поле в зависимост. Магнитната индукция се измерва в Tesla и се асоциира с магнетизация. Кривата на комутация е основната, това е мястото на върховете на хистерезисните бримки, получени по време на обръщане на цикличната магнетизация. Това отразява промяната в магнитната индукция, която зависи от силата на полето. Когато магнитната верига е затворена, силата на полето, отразена под формата на тороид, е равна на якостта на външното поле. Ако магнитната верига е отворена, полюсите се появяват в краищата на магнита, които създават демагнетизация. Разликата между тези напрежения определя вътрешното напрежение на материала.

На основната крива има характерни участъци, които се освобождават, когато се магнетизира единичен кристал на феромагнит. Първият раздел показва процеса на преместване на границите на неблагоприятно настроени домейни, а на второ - векторите на магнетизация се разгръщат към външното магнитно поле. Третият раздел е парапроцес, крайният етап на магнетизацията, тук магнитното поле е силно и насочено. Използването на магнитно меки и магнитно твърди материали до голяма степен зависи от характеристиките, получени с магнетизиращата крива.

Пропускливост и загуба на енергия

За да се характеризира поведението на материала в областта на напрежението, трябва да се използва такава концепция като абсолютна магнитна пропускливост. Има определения на импулс, диференциал, максимална, начална, нормална магнитна пропускливост. Относителното е проследено по основната крива, така че това определение не се използва - за простота. Магнитната пропускливост при условия, при които H = 0 се нарича първоначална, и може да се определи само за слабо поле, до около 0,1 единици измерване. Максимумът, напротив, характеризира най-голямата магнитна пропускливост. Стойностите на нормалния и максималния осигуряват възможност за наблюдение на нормалния ход на процеса във всеки конкретен случай. В областта на насищане в силни полета, магнитната пропускливост винаги има тенденция към единство. Всички тези стойности са необходими за използването на магнитно твърди материали, те винаги се използват.

Енергийната загуба, причинена от обръщането на магнетизацията, е необратима. Електричеството се отделя в материала като топлина и загубите му се състоят от динамични загуби и загуби, дължащи се на хистерезис. Последните се получават чрез преместване на стените на домейни, когато процесът на магнетизиране току-що е започнал. Тъй като магнитният материал има нехомогенна структура, енергията непременно се изразходва за изравняване на стените на домените. И динамичните загуби се получават във връзка с вихрови токове, възникващи по време на промяната на силата и посоката на магнитното поле. Енергията се разсейва по същия начин. И загубите, дължащи се на вихрови токове, надвишават при високи честоти дори загубите от хистерезис. Динамични загуби се получават и поради остатъчни промени в състоянието на магнитното поле след промяната на напрежението. Количеството на загубите след въздействие зависи от състава, топлинната обработка на материала, те се появяват само при високи честоти. Аферефект е магнитният вискозитет и тези загуби винаги се вземат предвид, ако се използват феромагнити в импулсен режим.

Класификация на твърди магнитни материали

За механичните свойства термините, които говорят за мекота и твърдост, не се прилагат абсолютно. Много твърди материали всъщност са магнитно меки, а от механична гледна точка меките материали също са доста магнитни. Процесът на магнетизация в тези и в други групи от материали се среща еднакво. Първо, границите на домейните се преместват, след това въртенето започва в посока на все по-магнетизираното поле и накрая се получава парапроцес. И тук има разлика. Кривата на магнетизиране показва, че е по-лесно да се преместват границите, изразходва се по-малко енергия, но процесът на въртене и парапроцеси са по-енергийно интензивни. Магнитно меките материали се магнетизират чрез изместване на границите. Магнито-твърд - поради ротация и парапроцес.

Формата на хистерезисната крива е приблизително едно и също за другите групи на материали, предизвикване на насищане и остатъчен твърде близо до равни, но има разлика в коерцитивната сила, и е много голям. В магнитно твърдите материали, Hc = 800 kA-m, докато за магнитно меки материали той е само 0,4 А-м. Общо, разликата е огромна: 2 * 106 пъти. Ето защо, въз основа на тези характеристики, такова разделение беше прието. Въпреки, че трябва да признаем, че това е доста условно. Магнитно меките материали могат да наситят дори в слабо магнитно поле. Нанесете ги в нискочестотни полета. Например, в устройства с магнитна памет. Магнетично твърдите материали са трудни за магнетизиране, но магнетизирането се запазва за много дълго време. От тях се получават добри постоянни магнити. Областите на приложение на магнитно твърди материали са многобройни и екстензивни, някои от тях са изброени в началото на статията. Има и друга група - магнитни материали за специални цели, техният обхват е много тесен.

Подробности за магнито-твърдостта

Както вече беше споменато, магнитно твърдите материали имат широк хистерезисен контур и голяма коерцитивна сила, малка магнитна пропускливост. Те се характеризират с максималната специфична магнитна енергия, освободена в космоса. И "по-трудно" е магнитният материал, колкото по-силна е неговата сила, толкова по-малко пропускливост. специфичен магнитна енергия най-важната роля се играе при оценката на качеството на материала. Постоянният магнит във външното пространство практически не дава енергия, когато магнитната верига е затворена, защото всички линии на сила са в сърцевината и няма външно магнитно поле. За да се постигне максимално използване на енергията на постоянните магнити, в затворената магнитна верига се създава въздушна междина с строго дефиниран размер и конфигурация.

С течение на времето магнитът "възрасти", магнитният му поток намалява. Това стареене обаче може да бъде или необратимо, или обратимо. Във втория случай, причините за неговото стареене са шокове, шокове, температурни колебания, постоянни външни полета. Магнитната индукция е намалена. Но тя може отново да бъде магнетизирана, като по този начин възстановява отличните си свойства. Но ако постоянният магнит е претърпял някакви структурни промени, регенетизацията няма да помогне, застаряването няма да бъде премахнато. Но те служат за дълго време, а назначаването на магнитно твърди материали е страхотно. Примерите буквално са на всяка крачка. Това не са само постоянни магнити. Това е материал за съхраняване на информация, за записването й - и аудио, цифрова и видео. Но горното е само малка част от приложението на магнитно твърди материали.

Формовани твърди магнитни материали

Чрез метода на производство и състава, магнитно твърдите материали могат да бъдат отливани, прахообразни и други. Те са базирани на сплави от желязо, никел, алуминий и желязо, никел, кобалт. Тези съединения са най-основни, за да се получи постоянен магнит. Те се отнасят до точност, тъй като броят им определя най-строгите технологични фактори. Алуминиеви магнитни материали се получават чрез утаяване на сплав втвърдяване, което се случва с скорост на охлаждане от топене, изчислена преди разпад, който се среща в две фази.

Първият е, когато съставът е близо до чиста жлеза с изразени магнитни свойства. Появяват се като плочи с дебелина на един домейн. И втората фаза е по-близо до интерметалното съединение в състава, където никелът и алуминият имат ниски магнитни свойства. Получава се система, при която немагнитната фаза се комбинира със силно магнитни включвания с голяма коерцитивна сила. Но тази сплав не е достатъчно добра за магнитни свойства. Най-често срещан е друг състав, легиран: желязо, никел, алуминий и мед с кобалт за сплавяване. Безобалтовите сплави имат по-ниски магнитни свойства, но те са много по-евтини.

Прахови магнито-твърди материали

Праховите материали се използват за миниатюрни, но сложни форми на постоянни магнити. Те могат да бъдат керамични, метални пластмаси, оксиди и микропрахове. Металната керамика е особено добра. Според магнитните свойства, гласове не са много по-малко от гласове, но малко по-скъпи от тях. Керамичните магнити се правят чрез пресоване на метални прахове без свързващ материал и синтероване при много високи температури. Праховете се използват със сплавите, описани по-горе, както и на основата на платина и редкоземните метали.

Механичната якост на праховата металургия надвишава отливката, но магнитните свойства на керамичните магнити са все още малко по-ниски от тези на отливката. На основата на платина магнитите имат много високи стойности на принудителната сила, както и много стабилни параметри. За сплави с уран и редкоземни метали стойностите на рекордите на максималната магнитна енергия: граничната стойност е 112 kJ на квадратен метър. Такива сплави се получават чрез студено пресоване на праха до най-висока степен на плътност, след което брикетите се синтерат при наличие на течна фаза и леене на многокомпонентен състав. Чрез простото леене не е възможно да се смесват компонентите до такава степен.

Други твърди магнитни материали

Магнетично твърдите материали са тези с тесни специални цели. Това са еластични магнити, сплавите са пластично деформируеми, материалите за носители на информация и магнитите са течни. Деформируемите магнити имат забележителни пластични свойства, отлично приспособени към всякакъв вид обработка - щамповане, рязане, обработка. Но тези магнити са скъпи. Магнити kunife на мед, никел и желязо са анизотропни, че е намагнетизирана в посока на въртене, те се използват под формата на пробиване и жица. Магнитите с вокал от кобалт и ванадий се произвеждат под формата на магнитна лента с висока якост, както и с тел. Това съединение е добро за много малки магнити с най-сложна конфигурация.

Еластични магнити - на каучукова основа, в която пълнителят е фин прах от магнитно твърд материал. Най-често това е бариев ферит. Този метод позволява да се получат продукти с абсолютно всякаква форма с висока обработваемост. Те също са перфектно нарязани с ножици, огъване, печат, обръщане. Те са много по-евтини. Магнитният каучук се използва като листове магнитни памет за компютри, телевизия, за коригиращи системи. Като носители на информация, магнитните материали отговарят на много изисквания. Тази остатъчна индукция на високо ниво, малък ефект на самомагнитизиране (в противен случай информацията ще бъде изгубена), висока сила на принудителната сила. И за да се улесни процесът на изтриване на записите, само малка част от тази сила е необходима, но противоречието се отстранява с помощта на технологията.