Бүгінгі таңда қатты магнитті материалдар мен тұрақты магниттерді пайдаланбайтын техникалық саланы табу мүмкін емес. Бұл акустика, радиоэлектроника, есептеуіш техника, өлшеуіш техника, автоматика, жылу-энергетика, электр энергетикасы, құрылыс, металлургия, көліктің кез келген түрі, ауыл шаруашылығы, медицина, кен өңдеу, және Тіпті кез келген адамның асханасында микротолқынды пеш бар, ол пиццаны қыздырады. Барлығын санап шығу мүмкін емес, магниттік материалдар өміріміздің әр қадамында бізді сүйемелдейді. Олардың көмегімен барлық өнімдер мүлдем басқа принциптерге сәйкес жұмыс істейді: қозғалтқыштар мен генераторлардың өз функциялары бар, ал тежегіш құрылғылардың өз функциялары бар, сепаратор бір нәрсені жасайды, ал ақауларды анықтағыш басқа істейді. Қатты магнитті материалдар қолданылатын техникалық құрылғылардың толық тізімі жоқ шығар, олардың саны өте көп.
Магниттік жүйелер дегеніміз не
Біздің планетамыздың өзі өте жақсы майланған магниттік жүйе. Қалғандарының бәрі бірдей принципке негізделген. Қатты магнитті материалдардың функционалдық қасиеттері өте әртүрлі. Жеткізушілердің каталогтарында олардың параметрлері ғана емес, физикалық қасиеттері де берілгені бекер емес. Сонымен қатар, ол магнитті қатты және магнитті жұмсақ материалдар болуы мүмкін. Мысалы, біркелкі магнит өрісі бар жүйелер қолданылатын резонанстық томографтарды алыңыз және өріс күрт біртекті емес болатын сепараторлармен салыстырыңыз. Бұл мүлдем басқа принцип! Өрісті қосуға және өшіруге болатын магниттік жүйелер игерілді. Тұтқалар осылай жасалған. Ал кейбір жүйелер тіпті кеңістіктегі магнит өрісін өзгертеді. Бұл белгілі клистрондар және қозғалатын толқын шамдары. Жұмсақ және қатты магниттік материалдардың қасиеттері шынымен сиқырлы. Олар катализаторлар сияқты, олар әрқашан дерлік делдал ретінде әрекет етеді, бірақ өздерінің энергиясын аз да болса жоғалтпай, басқа біреуді түрлендіруге, бір түрді екіншісіне айналдыруға қабілетті.
Мысалы, муфталар, сепараторлар және т.б. жұмысында магниттік импульс механикалық энергияға айналады. Механикалық энергия магниттердің көмегімен электр энергиясына айналады, егер біз микрофондар мен генераторлармен айналысатын болсақ. Және керісінше болады! Динамиктерде және қозғалтқыштарда магниттер, мысалы, электр энергиясын механикалық энергияға түрлендіреді. Бұл бәрі емес. Микротолқынды пештің жұмысындағы немесе тежегіш құрылғыдағы магниттік жүйе сияқты механикалық энергияны тіпті жылу энергиясына айналдыруға болады. Қабілеті бармагнитті қатты және магнитті жұмсақ материалдарда және арнайы әсерлерде - Холл сенсорларында, магнитті-резонанстық томографтарда, микротолқынды байланыста. Химиялық процестерге каталитикалық әсері, судағы градиенттік магнит өрістері иондардың, ақуыз молекулаларының және еріген газдардың құрылымдарына қалай әсер ететіні туралы жеке мақала жаза аласыз.
Ежелгі сиқыр
Табиғи материал – магнетит – адамзатқа бірнеше мыңжылдықтар бұрын белгілі болған. Ол кезде қатты магниттік материалдардың барлық қасиеттері әлі белгісіз, сондықтан олар техникалық құрылғыларда пайдаланылмады. Ал техникалық құрылғылар әлі болған жоқ. Магниттік жүйелердің жұмысы үшін есептеулер жасауды ешкім білмеді. Бірақ биологиялық объектілерге әсері қазірдің өзінде байқалды. Қатты магниттік материалдарды пайдалану бастапқыда тек медициналық мақсатта болды, қытайлықтар біздің эрамызға дейінгі үшінші ғасырда компасты ойлап тапқанға дейін. Дегенмен, мұндай әдістердің зияндылығы туралы үнемі пікірталас болғанымен, магнитпен емдеу бүгінгі күнге дейін тоқтаған жоқ. Қатты магнитті материалдарды медицинада АҚШ, Қытай және Жапонияда қолдану әсіресе белсенді. Ал Ресейде балама әдістерді ұстанушылар бар, дегенмен ағзаға немесе өсімдікке әсер етудің шамасын кез келген құралмен өлшеу мүмкін емес.
Бірақ тарихқа оралу. Кіші Азияда көптеген ғасырлар бұрын Магнезия ежелгі қаласы толық ағып жатқан Меандрдың жағасында болған. Ал бүгін Түркиядағы оның көркем қирандыларына баруға болады. Дәл сол жерде алғашқы магниттік темір кені ашылды, оның аты аталғанқалалар. Ол тез арада бүкіл әлемге тарады және қытайлықтар бес мың жыл бұрын оның көмегімен әлі күнге дейін өлмейтін навигациялық құрылғыны ойлап тапты. Қазір адамзат өнеркәсіптік масштабта жасанды түрде магниттер шығаруды үйренді. Олардың негізі әртүрлі ферромагнетиктер болып табылады. Тарту университетінде ең үлкен табиғи магнит бар, ол қырық келіге жуық салмақты көтере алады, ал оның салмағы небәрі он үш. Қазіргі ұнтақтар кобальттан, темірден және басқа да түрлі қоспалардан жасалған, олар салмағынан бес мың есе артық жүкті ұстайды.
Гистерезис циклі
Жасанды магниттердің екі түрі бар. Бірінші түрі - қатты магниттік материалдардан жасалған тұрақтылар, олардың қасиеттері сыртқы көздермен немесе токтармен ешқандай түрде байланысты емес. Екінші түрі - электромагниттер. Олардың темірден жасалған өзегі бар – магнитті жұмсақ материал және осы ядроның орамасынан ток өтеді, ол магнит өрісін жасайды. Енді оның жұмыс істеу принциптерін қарастыруымыз керек. Қатты магнитті материалдар үшін гистерезис контурының магниттік қасиеттерін сипаттайды. Магниттік жүйелерді жасаудың жеткілікті күрделі технологиялары бар, сондықтан магниттелу, магниттік өткізгіштік және магниттелудің кері айналуы кезіндегі энергия шығындары туралы ақпарат қажет. Егер қарқындылықтың өзгеруі циклдік болса, қайта магниттелу қисығы (индукцияның өзгеруі) әрқашан тұйық қисық тәрізді болады. Бұл гистерезис циклі. Өріс әлсіз болса, цикл эллипске көбірек ұқсайды.
Кернеу кезіндемагнит өрісі артады, бір-бірімен қоршалған осындай ілмектердің тұтас сериясы алынады. Магниттелу процесінде барлық векторлар бойымен бағытталады және соңында техникалық қаныққан күй пайда болады, материал толығымен магниттеледі. Қанықтыру кезінде алынған контур шекті контур деп аталады, ол индукцияның Bs (қанықтыру индукциясы) максималды жеткен мәнін көрсетеді. Кернеу төмендеген кезде қалдық индукция қалады. Шекті және аралық күйдегі гистерезис контурларының ауданы энергияның диссипациясын, яғни гистерезис жоғалуын көрсетеді. Бұл ең алдымен магниттелудің кері жиілігіне, материалдың қасиеттеріне және геометриялық өлшемдерге байланысты. Шектеулі гистерезис контуры қатты магниттік материалдардың келесі сипаттамаларын анықтай алады: қанығу индукциясы Bs, қалдық индукция Bc және Hc коэрцивтік күш.
Магнитизация қисығы
Бұл қисық ең маңызды сипаттама болып табылады, өйткені ол магниттелудің тәуелділігін және сыртқы өрістің күшін көрсетеді. Магниттік индукция Теслада өлшенеді және магниттелумен байланысты. Ауыстыру қисығы негізгі болып табылады, ол циклдік қайта магниттелу кезінде алынатын гистерезис контурларындағы шыңдардың орналасуы. Бұл өріс кернеулігіне байланысты магниттік индукцияның өзгеруін көрсетеді. Магниттік контур жабылған кезде тороид түрінде көрінетін өріс күші сыртқы өрістің кернеулігіне тең болады. Магниттік контур ашық болса, магниттің ұштарында демагнетизацияны тудыратын полюстер пайда болады. Арасындағы айырмашылықбұл кернеулер материалдың ішкі керілуін анықтайды.
Негізгі қисық сызықта ферромагнетиктің монокристалы магниттелген кезде ерекшеленетін сипатты қималар бар. Бірінші бөлімде қолайсыз бапталған домендердің шекараларының жылжу процесі көрсетілген, ал екіншісінде магниттелу векторлары сыртқы магнит өрісіне қарай бұрылады. Үшінші бөлім - парапроцесс, магниттелудің соңғы кезеңі, мұнда магнит өрісі күшті және бағытталған. Жұмсақ және қатты магниттік материалдарды қолдану көп дәрежеде магниттелу қисығынан алынған сипаттамаларға байланысты.
Өткізгіштік және энергияны жоғалту
Материалдың кернеу өрісіндегі әрекетін сипаттау үшін абсолютті магниттік өткізгіштік сияқты ұғымды қолдану қажет. Импульстік, дифференциалдық, максимум, бастапқы, қалыпты магниттік өткізгіштіктің анықтамалары бар. Салыстырмалы негізгі қисық бойымен сызылады, сондықтан бұл анықтама қолданылмайды - қарапайымдылық үшін. Магниттік өткізгіштік H=0 болған жағдайда бастапқы деп аталады және оны тек әлсіз өрістерде анықтауға болады, шамамен 0,1 бірлікке дейін. Максимум, керісінше, ең жоғары магниттік өткізгіштігін сипаттайды. Қалыпты және максималды мәндер әрбір нақты жағдайда процестің қалыпты барысын байқауға мүмкіндік береді. Күшті өрістердегі қанығу аймағында магниттік өткізгіштік әрқашан бірлікке ұмтылады. Барлық осы мәндер қатты магнитті пайдалану үшін қажетматериалдарды әрқашан пайдаланыңыз.
Магниттенуді өзгерту кезіндегі энергия жоғалуы қайтымсыз. Электр энергиясы материалда жылу түрінде бөлінеді, ал оның ысыраптары динамикалық жоғалтулар мен гистерезис шығындарынан тұрады. Соңғысы магниттелу процесі енді ғана басталған кезде домен қабырғаларын ығыстыру арқылы алынады. Магниттік материал біртекті емес құрылымға ие болғандықтан, энергия міндетті түрде домен қабырғаларын теңестіруге жұмсалады. Ал динамикалық ысыраптар магнит өрісінің күші мен бағытын өзгерту сәтінде пайда болатын құйынды токтарға байланысты алынады. Энергия да дәл осылай бөлінеді. Ал құйынды токтардан болатын шығындар тіпті жоғары жиіліктердегі гистерезис жоғалтуларынан да асып түседі. Сондай-ақ, қарқындылық өзгергеннен кейін магнит өрісінің күйінің қалдық өзгерістеріне байланысты динамикалық шығындар алынады. Әсерден кейінгі шығындардың мөлшері материалдың құрамына, термиялық өңдеуіне байланысты, олар әсіресе жоғары жиілікте пайда болады. Кейінгі әсер магниттік тұтқырлық болып табылады және ферромагнетиктер импульстік режимде пайдаланылса, бұл жоғалтулар әрқашан ескеріледі.
Қатты магнитті материалдардың классификациясы
Жұмсақтық пен қаттылық туралы айтатын терминдер механикалық қасиеттерге мүлдем қолданылмайды. Көптеген қатты материалдар шын мәнінде магнитті жұмсақ, ал механикалық тұрғыдан жұмсақ материалдар да өте қатты магнитті болып табылады. Материалдардың екі тобында да магниттелу процесі бірдей жүреді. Алдымен домен шекаралары ауыстырылады, содан кейін айналу басталадыбарған сайын магниттелетін өріс бағытында, ақырында, парапроцесс басталады. Міне, айырмашылық осында. Магнитизация қисығы шекараларды жылжыту оңайырақ екенін көрсетеді, аз энергия жұмсалады, бірақ айналу процесі мен парапроцесс энергияны көп қажет етеді. Жұмсақ магниттік материалдар шекараларды ауыстыру арқылы магниттеледі. Қатты магнит - айналу және парапроцесске байланысты.
Гистерезис контурының пішіні материалдардың екі тобы үшін де шамамен бірдей, қанығу және қалдық индукция да теңге жақын, бірақ айырмашылық коэрцив күшінде бар және ол өте үлкен. Қатты магниттік материалдарда Hc=800 кА-м болса, жұмсақ магниттік материалдарда небәрі 0,4 А-м болады. Жалпы алғанда, айырмашылық өте үлкен: 2106 есе. Міне, осы сипаттамаларға сүйене отырып, мұндай бөлу қабылданды. Дегенмен, бұл өте шартты екенін мойындау керек. Жұмсақ магниттік материалдар әлсіз магнит өрісінде де қанықтыра алады. Олар төмен жиілікті өрістерде қолданылады. Мысалы, магниттік жады құрылғыларында. Қатты магнитті материалдарды магниттеу қиын, бірақ олар магниттелуді өте ұзақ уақыт сақтайды. Олардан жақсы тұрақты магниттер алынады. Қатты магниттік материалдарды қолдану аймақтары көп және кең, олардың кейбіреулері мақаланың басында келтірілген. Тағы бір топ бар - арнайы мақсаттағы магниттік материалдар, олардың қолданылу аясы өте тар.
Қаттылық мәліметтері
Жоғарыда айтылғандай, қатты магниттік материалдарда кең гистерезис ілмегі және үлкен мәжбүрлі күш, төмен магниттік өткізгіштік бар. Олар максималды меншікті магниттік энергиямен сипатталадығарыш. Ал магниттік материал неғұрлым «қатты» болса, оның беріктігі соғұрлым жоғары болса, өткізгіштігі соғұрлым төмен болады. Материалдың сапасын бағалауда ең маңызды рөл меншікті магниттік энергияға беріледі. Тұрақты магнит тұйық магнит тізбегі бар ғарыш кеңістігіне іс жүзінде энергия бермейді, өйткені барлық күш сызықтары ядроның ішінде, ал оның сыртында магнит өрісі жоқ. Тұрақты магниттердің энергиясын барынша пайдалану үшін жабық магниттік тізбектің ішінде қатаң анықталған өлшем мен конфигурациядағы ауа саңылауы жасалады.
Уақыт өте келе магнит «қартаяды», оның магнит ағыны азаяды. Дегенмен, мұндай қартаю қайтымсыз және қайтымды болуы мүмкін. Соңғы жағдайда оның қартаюының себептері соққылар, соққылар, температура ауытқулары, тұрақты сыртқы өрістер болып табылады. Магниттік индукция азаяды. Бірақ ол қайтадан магниттелуі мүмкін, осылайша оның тамаша қасиеттерін қалпына келтіреді. Бірақ тұрақты магнит кез келген құрылымдық өзгерістерге ұшыраған болса, қайта магниттеу көмектеспейді, қартаю жойылмайды. Бірақ олар ұзақ уақыт бойы қызмет етеді, ал қатты магниттік материалдардың мақсаты керемет. Мысалдар сөзбе-сөз барлық жерде бар. Бұл тұрақты магниттер ғана емес. Бұл ақпаратты сақтауға, оны жазуға арналған материал - дыбысты да, сандықты да, бейнені де. Бірақ жоғарыда айтылғандар қатты магниттік материалдарды қолданудың кішкене бөлігі ғана.
Құйылған қатты магниттік материалдар
Жасалу әдісі мен құрамы бойынша қатты магнитті материалдар құйылған, ұнтақ және т.б. Олар қорытпаларға негізделген.темір, никель, алюминий және темір, никель, кобальт. Бұл композициялар тұрақты магнитті алу үшін ең негізгі болып табылады. Олар дәлдікке жатады, өйткені олардың саны ең қатаң технологиялық факторлармен анықталады. Құйылған қатты магниттік материалдар қорытпаның жауын-шашынмен қатаюы кезінде алынады, мұнда салқындату балқудан ыдырау басталғанға дейін есептелген жылдамдықпен жүреді, ол екі фазада жүреді.
Бірінші - құрамы айқын магниттік қасиеттері бар таза темірге жақын болғанда. Бір домен қалыңдығының тақталары пайда болғандай. Ал екінші фаза құрамы бойынша никель мен алюминийдің магниттік қасиеті төмен болатын интерметалл қосылысына жақын. Магниттік емес фаза үлкен күш күші бар күшті магнитті қосындылармен біріктірілген жүйе болып шықты. Бірақ бұл қорытпа магниттік қасиеттерде жеткілікті жақсы емес. Ең көп таралған басқа композиция, легирленген: темір, никель, алюминий және легірлеуге арналған кобальтпен мыс. Кобальтсыз қорытпалардың магниттік қасиеттері төмен, бірақ олар әлдеқайда арзан.
Ұнтақ қатты магнитті материалдар
Ұнтақ материалдар шағын, бірақ күрделі тұрақты магниттер үшін пайдаланылады. Олар металл-керамикалық, металл-пластик, оксид және микроұнтақ. Кермет әсіресе жақсы. Магниттік қасиеттері бойынша ол құйылғандардан біршама төмен, бірақ олардан біршама қымбатырақ. Керамикалық-металл магниттері ешқандай байланыстырушы материалсыз металл ұнтақтарын престеу және оларды өте жоғары температурада агломерациялау арқылы жасалады. Ұнтақтар қолданыладыжоғарыда сипатталған, сондай-ақ платина және сирек жер металдарына негізделген қорытпалармен.
Механикалық беріктігі бойынша ұнтақ металлургиясы құюға қарағанда жоғары, бірақ металл керамикалық магниттердің магниттік қасиеттері әлі де құйылғандарға қарағанда біршама төмен. Платина негізіндегі магниттер өте жоғары күш мәндеріне ие және параметрлері өте тұрақты. Уран және сирек жер металдары бар қорытпалар максималды магниттік энергияның рекордтық мәндеріне ие: шекті мән шаршы метрге 112 кДж. Мұндай қорытпалар ұнтақты ең жоғары тығыздық дәрежесіне дейін суық престеу арқылы алынады, содан кейін брикеттерді сұйық фазаның қатысуымен және көп компонентті құрамды құйып құю арқылы алады. Қарапайым құю арқылы компоненттерді соншалықты араластыру мүмкін емес.
Басқа қатты магнитті материалдар
Қатты магниттік материалдарға жоғары мамандандырылған мақсаттағы материалдар да кіреді. Бұл серпімді магниттер, пластикалық деформацияланатын қорытпалар, ақпаратты тасымалдаушыларға арналған материалдар және сұйық магниттер. Деформацияланатын магниттер тамаша пластикалық қасиеттерге ие, олар механикалық өңдеудің кез келген түріне - штамптауға, кесуге, өңдеуге өте ыңғайлы. Бірақ бұл магниттер қымбат. Мыс, никель, темірден жасалған құнды магниттер анизотропты, яғни илемдеу бағытында магниттеледі, штамптау және сым түрінде қолданылады. Кобальт пен ванадийден жасалған Викаллой магниттері жоғары берік магниттік таспа, сондай-ақ сым түрінде жасалған. Бұл композиция ең күрделі конфигурациялы өте кішкентай магниттер үшін жақсы.
Эластикалық магниттер - резеңке негізде, оның ішіндеТолтырғыш қатты магнитті материалдың жұқа ұнтағы болып табылады. Көбінесе бұл барий ферриті. Бұл әдіс жоғары өндірістік қабілеттілігі бар мүлдем кез келген пішіндегі бұйымдарды алуға мүмкіндік береді. Олар сондай-ақ қайшымен тамаша кесілген, бүгілген, мөрленген, бұралған. Олар әлдеқайда арзан. Магниттік резеңке компьютерлер, теледидарлар, түзету жүйелері үшін магниттік жадының парақтары ретінде қолданылады. Ақпаратты тасымалдаушы ретінде магниттік материалдар көптеген талаптарға жауап береді. Бұл жоғары деңгейлі қалдық индукция, өзін-өзі магнитсіздендірудің шамалы әсері (әйтпесе ақпарат жоғалады), мәжбүрлеу күшінің жоғары мәні. Жазбаларды өшіру процесін жеңілдету үшін бұл күштің аз ғана мөлшері қажет, бірақ бұл қайшылық технологияның көмегімен жойылады.
