Danes je skoraj nemogoče najti tehnično industrijo, ki ne uporablja trdih magnetnih materialov in trajnih magnetov. To so akustika, radijska elektronika, računalniška in merilna oprema, avtomatizacija, toplota in energija, električna energija, gradbeništvo in metalurgija, in kakršen koli promet, kmetijstvo, medicina in predelava rude in tudi v kuhinji vseh je mikrovalovna pečica, pogreje pico. Vsega je nemogoče našteti, magnetni materiali nas spremljajo na vsakem koraku našega življenja. In vsi izdelki z njihovo pomočjo delujejo po popolnoma drugačnih principih: motorji in generatorji imajo svoje funkcije, zavorne naprave pa svoje, separator naredi eno, detektor napak pa drugo. Verjetno ni popolnega seznama tehničnih naprav, kjer se uporabljajo trdi magnetni materiali, toliko jih je.
Kaj so magnetni sistemi
Naš planet je sam po sebi izjemno dobro naoljen magnetni sistem. Vsi ostali so zgrajeni po istem principu. Trdi magnetni materiali imajo zelo raznolike funkcionalne lastnosti. V katalogih dobaviteljev niso zaman navedeni ne le njihovi parametri, temveč tudi fizične lastnosti. Poleg tega so lahko magnetno trdi in magnetno mehki materiali. Vzemite na primer resonančne tomografe, kjer se uporabljajo sistemi z zelo enotnim magnetnim poljem, in primerjajte s separatorji, kjer je polje močno nehomogeno. Povsem drugačen princip! Obvladani so magnetni sistemi, kjer se polje lahko vklopi in izklopi. Tako so oblikovani ročaji. Nekateri sistemi celo spreminjajo magnetno polje v vesolju. To so dobro znani klistroni in svetilke s potujočimi valovi. Lastnosti mehkih in trdih magnetnih materialov so resnično čarobne. So kot katalizatorji, skoraj vedno delujejo kot posredniki, a brez najmanjše izgube lastne energije so sposobni preoblikovati energijo nekoga drugega in eno vrsto spremenijo v drugo.
Na primer, magnetni impulz se pri delovanju sklopk, ločevalcev in podobno pretvori v mehansko energijo. Mehanska energija se s pomočjo magnetov pretvarja v električno energijo, če imamo opravka z mikrofoni in generatorji. In obratno se zgodi! V zvočnikih in motorjih na primer magneti pretvarjajo električno energijo v mehansko energijo. In to še ni vse. Mehansko energijo lahko pretvorimo celo v toplotno, prav tako magnetni sistem pri delovanju mikrovalovne pečice ali v zavorni napravi. So sposobnimagnetno trdih in magnetno mehkih materialih ter na specialnih učinkih - v Hallovih senzorjih, v magnetnoresonančnih tomografih, v mikrovalovni komunikaciji. O katalitičnem učinku na kemične procese, o tem, kako gradientna magnetna polja v vodi vplivajo na strukture ionov, beljakovinskih molekul in raztopljenih plinov, lahko napišete ločen članek.
Čarovnija iz antike
Naravni material - magnetit - je bil človeštvu znan že pred nekaj tisočletji. Takrat še niso bile znane vse lastnosti trdih magnetnih materialov, zato jih v tehničnih napravah niso uporabljali. In tehničnih naprav še ni bilo. Nihče ni znal narediti izračunov za delovanje magnetnih sistemov. Toda vpliv na biološke objekte je bil že opažen. Uporaba trdih magnetnih materialov je bila sprva izključno v medicinske namene, dokler niso Kitajci izumili kompas v tretjem stoletju pred našim štetjem. Vendar se zdravljenje z magnetom ni ustavilo vse do danes, čeprav se nenehno razpravlja o škodljivosti tovrstnih metod. Posebej aktivna je uporaba trdih magnetnih materialov v medicini v ZDA, na Kitajskem in na Japonskem. In v Rusiji obstajajo privrženci alternativnih metod, čeprav je nemogoče izmeriti obseg vpliva na telo ali rastlino s katerim koli instrumentom.
Ampak nazaj v zgodovino. V Mali Aziji je pred mnogimi stoletji na bregovih polnovodnega Meandra že obstajalo starodavno mesto Magnezija. In danes lahko obiščete njegove slikovite ruševine v Turčiji. Tam je bila odkrita prva magnetna železova ruda, po kateri je dobila imemesta. Precej hitro se je razširil po vsem svetu, Kitajci pa so pred pet tisoč leti z njeno pomočjo izumili navigacijsko napravo, ki še vedno ne umre. Zdaj se je človeštvo naučilo umetno proizvajati magnete v industrijskem obsegu. Osnova zanje so različni feromagneti. Univerza v Tartuju ima največji naravni magnet, ki lahko dvigne približno štirideset kilogramov, sama pa tehta le trinajst. Današnji praški so narejeni iz kob alta, železa in raznih drugih dodatkov, držijo obremenitve pet tisočkrat več, kot tehtajo.
Histerezna zanka
Obstajata dve vrsti umetnih magnetov. Prva vrsta so konstante, ki so izdelane iz trdih magnetnih materialov, njihove lastnosti pa nikakor niso povezane z zunanjimi viri ali tokovi. Druga vrsta so elektromagneti. Imajo jedro iz železa – magnetno mehkega materiala, skozi navitje tega jedra pa teče tok, ki ustvarja magnetno polje. Zdaj moramo razmisliti o načelih njegovega delovanja. Karakterizira magnetne lastnosti histerezne zanke za trde magnetne materiale. Obstajajo precej zapletene tehnologije za izdelavo magnetnih sistemov, zato so potrebne informacije o magnetizaciji, magnetni prepustnosti in energijskih izgubah, ko pride do obrata magnetizacije. Če je sprememba intenzivnosti ciklična, bo krivulja remagnetizacije (spremembe indukcije) vedno videti kot zaprta krivulja. To je histerezna zanka. Če je polje šibko, je zanka bolj podobna elipsi.
Ko napetostmagnetno polje se poveča, dobi se cela vrsta takšnih zank, zaprtih ena v drugo. V procesu magnetizacije so vsi vektorji usmerjeni vzdolž, na koncu pa bo prišlo do tehnične nasičenosti, material bo popolnoma magnetiziran. Zanka, pridobljena med nasičenjem, se imenuje mejna zanka, kaže največjo doseženo vrednost indukcije Bs (indukcija nasičenja). Ko se napetost zmanjša, ostane preostala indukcija. Območje histereznih zank v mejnem in vmesnem stanju kaže disipacijo energije, to je izgubo histereze. Najbolj je odvisno od frekvence obrata magnetizacije, lastnosti materiala in geometrijskih dimenzij. Omejevalna histerezna zanka lahko določi naslednje značilnosti trdih magnetnih materialov: indukcijo nasičenja Bs, preostalo indukcijo Bc in koercitivno silo Hc.
Magnetna krivulja
Ta krivulja je najpomembnejša značilnost, saj prikazuje odvisnost magnetizacije in jakosti zunanjega polja. Magnetna indukcija se meri v Tesli in je povezana z magnetizacijo. Preklopna krivulja je glavna, je lokacija vrhov na histereznih zankah, ki se dobijo med ciklično remagnetizacijo. To odraža spremembo magnetne indukcije, ki je odvisna od jakosti polja. Ko je magnetno vezje zaprto, je jakost polja, ki se odbije v obliki toroida, enaka zunanji jakosti polja. Če je magnetno vezje odprto, se na koncih magneta pojavijo poli, ki ustvarjajo razmagnetizacijo. Razlika medte napetosti določajo notranjo napetost materiala.
Na glavni krivulji so značilni odseki, ki izstopajo, ko je en sam kristal feromagneta magnetiziran. Prvi del prikazuje proces premikanja meja neugodno uglašenih domen, v drugem pa se vektorji magnetizacije obračajo proti zunanjemu magnetnemu polju. Tretji del je paraproces, zadnja faza magnetizacije, tu je magnetno polje močno in usmerjeno. Uporaba mehkih in trdih magnetnih materialov je v veliki meri odvisna od lastnosti, pridobljenih iz krivulje magnetizacije.
Prepustnost in izguba energije
Da bi opisali obnašanje materiala v napetostnem polju, je potrebno uporabiti tak koncept, kot je absolutna magnetna prepustnost. Obstajajo definicije impulzne, diferencialne, maksimalne, začetne, normalne magnetne prepustnosti. Relativno se izsledi vzdolž glavne krivulje, zato se ta definicija ne uporablja - zaradi poenostavitve. Magnetna prepustnost v pogojih, ko je H=0, se imenuje začetna in jo je mogoče določiti le v šibkih poljih, do približno 0,1 enote. Najvišja, nasprotno, označuje najvišjo magnetno prepustnost. Normalne in največje vrednosti dajejo priložnost za opazovanje normalnega poteka procesa v vsakem posameznem primeru. V območju nasičenosti v močnih poljih magnetna prepustnost vedno teži k enoti. Vse te vrednosti so potrebne za uporabo trdega magnetamateriale, vedno jih uporabljaj.
Izguba energije med obratom magnetizacije je nepopravljiva. Električna energija se v materialu sprošča kot toplota, njene izgube pa sestavljajo dinamične izgube in izgube histereze. Slednje dobimo s premikom domenskih sten, ko se proces magnetizacije šele začenja. Ker ima magnetni material nehomogeno strukturo, se energija nujno porabi za poravnavo domenskih sten. In dinamične izgube se dobijo v povezavi z vrtinčnimi tokovi, ki nastanejo v trenutku spreminjanja jakosti in smeri magnetnega polja. Energija se razprši na enak način. In izgube zaradi vrtinčnih tokov presegajo celo izgube histereze pri visokih frekvencah. Prav tako dobimo dinamične izgube zaradi preostalih sprememb v stanju magnetnega polja po spremembi jakosti. Količina izgub po učinkih je odvisna od sestave, od toplotne obdelave materiala, pojavljajo se predvsem pri visokih frekvencah. Posledica je magnetna viskoznost in te izgube se vedno upoštevajo, če se feromagneti uporabljajo v impulznem načinu.
Razvrstitev trdih magnetnih materialov
Izrazi, ki govorijo o mehkosti in trdoti, sploh ne veljajo za mehanske lastnosti. Veliko trdih materialov je pravzaprav magnetno mehkih, z mehanskega vidika pa so mehki materiali tudi precej trdo magnetni. Proces magnetizacije v obeh skupinah materialov poteka na enak način. Najprej se meje domene premaknejo, nato se začne vrtenjev smeri vse bolj magnetnega polja in končno se začne paraproces. In tu pride do razlike. Krivulja magnetizacije kaže, da je lažje premikati meje, porabi se manj energije, vendar sta proces vrtenja in paraproces energetsko bolj intenzivna. Mehki magnetni materiali se magnetizirajo s premikom mej. Trdi magnet - zaradi rotacije in paraprocesa.
Oblika histerezne zanke je približno enaka za obe skupini materialov, tudi nasičenost in preostala indukcija sta skoraj enaki, razlika pa obstaja v prisilni sili in je zelo velika. Trdi magnetni materiali imajo Hc=800 kA-m, mehki magnetni materiali pa le 0,4 A-m. Skupno je razlika ogromna: 2106-krat. Zato je bila na podlagi teh značilnosti sprejeta taka delitev. Čeprav je treba priznati, da je precej pogojno. Mehki magnetni materiali se lahko nasičijo tudi v šibkem magnetnem polju. Uporabljajo se v nizkofrekvenčnih poljih. Na primer v magnetnih pomnilniških napravah. Trde magnetne materiale je težko magnetizirati, vendar ohranjajo magnetizacijo zelo dolgo. Iz njih dobimo dobre trajne magnete. Področja uporabe trdih magnetnih materialov so številna in obsežna, nekatera so navedena na začetku članka. Obstaja še ena skupina - magnetni materiali za posebne namene, njihov obseg je zelo ozek.
Podrobnosti o trdoti
Kot smo že omenili, imajo trdi magnetni materiali široko histerezno zanko in veliko prisilno silo, nizko magnetno prepustnost. Zanje je značilna največja specifična magnetna energija, ki se oddaja vprostor. In "trši" je magnetni material, večja je njegova moč, nižja je prepustnost. Specifična magnetna energija ima najpomembnejšo vlogo pri ocenjevanju kakovosti materiala. Trajni magnet z zaprtim magnetnim vezjem praktično ne oddaja energije v vesolje, ker so vse črte sile znotraj jedra, zunaj njega pa ni magnetnega polja. Da bi kar najbolje izkoristili energijo trajnih magnetov, se znotraj zaprtega magnetnega kroga ustvari zračna reža strogo določene velikosti in konfiguracije.
Sčasoma se magnet "stara", njegov magnetni tok se zmanjša. Vendar je takšno staranje lahko tako nepovratno kot reverzibilno. V slednjem primeru so vzroki za njegovo staranje udarci, udarci, temperaturna nihanja, stalna zunanja polja. Magnetna indukcija se zmanjša. Lahko pa se ponovno magnetizira in tako povrne njegove odlične lastnosti. Toda če je trajni magnet doživel kakršne koli strukturne spremembe, ponovna magnetizacija ne bo pomagala, staranje ne bo odpravljeno. A služijo dolgo časa, namen trdih magnetnih materialov pa je odličen. Primeri so dobesedno povsod. Ne gre samo za trajne magnete. To je material za shranjevanje informacij, za njihovo snemanje - tako zvočnih, kot digitalnih in video. Toda zgoraj je le majhen del uporabe trdih magnetnih materialov.
Uliti trdi magnetni materiali
Glede na način izdelave in sestavo so trdi magnetni materiali lahko liti, praškasti in drugi. Temeljijo na zlitinah.železo, nikelj, aluminij in železo, nikelj, kob alt. Ti sestavki so najosnovnejši za pridobitev trajnega magneta. Sodijo k natančnosti, saj njihovo število določajo najstrožji tehnološki dejavniki. Ulite trde magnetne materiale dobimo med padajočim utrjevanjem zlitine, kjer se hlajenje odvija z izračunano hitrostjo od taljenja do začetka razkroja, ki poteka v dveh fazah.
Prvi - ko je sestava blizu čistega železa z izrazitimi magnetnimi lastnostmi. Kot da se pojavijo plošče enodomenske debeline. In druga faza je po sestavi bližje intermetalni spojini, kjer imata nikelj in aluminij nizke magnetne lastnosti. Izkaže se sistem, kjer je nemagnetna faza združena z močno magnetnimi vključki z veliko prisilno silo. Toda ta zlitina ni dovolj dobra v magnetnih lastnostih. Najpogostejša je druga sestava, legirana: železo, nikelj, aluminij in baker s kob altom za legiranje. Zlitine brez kob alta imajo nižje magnetne lastnosti, vendar so veliko cenejše.
Trdi magnetni materiali v prahu
Materiali v prahu se uporabljajo za miniaturne, a kompleksne trajne magnete. So kovinsko-keramični, kovinsko-plastični, oksidni in mikroprah. Kermet je še posebej dober. Po magnetnih lastnostih je precej slabši od litih, a nekoliko dražji od njih. Keramično-kovinski magneti so izdelani s stiskanjem kovinskih prahov brez vezivnega materiala in sintranjem pri zelo visokih temperaturah. Uporabljajo se praškiz zgoraj opisanimi zlitinami, pa tudi na osnovi platine in redkih zemeljskih kovin.
Glede na mehansko trdnost je prašna metalurgija boljša od litja, vendar so magnetne lastnosti kovinsko-keramičnih magnetov še vedno nekoliko nižje kot pri litih. Magneti na osnovi platine imajo zelo visoke vrednosti koercivne sile, parametri pa so zelo stabilni. Zlitine z uranom in redkimi zemeljskimi kovinami imajo rekordne vrednosti največje magnetne energije: mejna vrednost je 112 kJ na kvadratni meter. Takšne zlitine se pridobivajo s hladnim stiskanjem prahu do najvišje stopnje gostote, nato se briketi sintrajo s prisotnostjo tekoče faze in litjem večkomponentne sestave. Nemogoče je mešati komponente v tolikšni meri s preprostim litjem.
Drugi trdi magnetni materiali
Trdi magnetni materiali vključujejo tudi tiste z visoko specializiranim namenom. To so elastični magneti, plastično deformabilne zlitine, materiali za nosilce informacij in tekoči magneti. Deformabilni magneti imajo odlične plastične lastnosti, popolnoma so primerni za vse vrste mehanske obdelave - žigosanje, rezanje, strojna obdelava. Toda ti magneti so dragi. Kunife magneti iz bakra, niklja in železa so anizotropni, torej so magnetizirani v smeri valjanja, uporabljajo se v obliki žigosanja in žice. Magneti Vikalloy iz kob alta in vanadija so izdelani v obliki magnetnega traku visoke trdnosti, pa tudi žice. Ta sestava je dobra za zelo majhne magnete z najbolj zapleteno konfiguracijo.
Elastični magneti - na gumijasti podlagi, v kateriPolnilo je fin prah iz trdega magnetnega materiala. Najpogosteje je to barijev ferit. Ta metoda vam omogoča, da dobite izdelke popolnoma katere koli oblike z visoko stopnjo izdelave. Prav tako so odlično rezane s škarjami, upognjene, žigosane, zvite. So veliko cenejši. Magnetna guma se uporablja kot listi magnetnega pomnilnika za računalnike, na televiziji, za korektivne sisteme. Magnetni materiali kot nosilci informacij izpolnjujejo številne zahteve. To je visoka stopnja preostale indukcije, majhen učinek samodemagnetizacije (v nasprotnem primeru bodo informacije izgubljene), visoka vrednost prisilne sile. Za lažji postopek brisanja zapisov je potrebna le majhna količina te sile, vendar je to protislovje odstranjeno s pomočjo tehnologije.
