Dnes je téměř nemožné najít technický průmysl, který by nepoužíval tvrdé magnetické materiály a permanentní magnety. Jsou to akustika, radioelektronika, počítače a měřicí zařízení, automatizace, teplo a energie, elektrická energie, stavebnictví, hutnictví a jakýkoli druh dopravy, zemědělství, lékařství, zpracování rud a i v kuchyni každého je mikrovlnná trouba, ta ohřeje pizzu. Nelze vše vyjmenovat, magnetické materiály nás provázejí na každém kroku našeho života. A všechny produkty s jejich pomocí fungují na zcela jiných principech: motory a generátory mají své vlastní funkce a brzdová zařízení mají své vlastní, separátor dělá jednu věc a defektoskop jinou. Pravděpodobně neexistuje úplný seznam technických zařízení, kde se používají tvrdé magnetické materiály, je jich tolik.
Co jsou magnetické systémy
Naše planeta samotná je výjimečně dobře promazaný magnetický systém. Všechny ostatní jsou postaveny na stejném principu. Tvrdé magnetické materiály mají velmi rozmanité funkční vlastnosti. V katalozích dodavatelů se ne nadarmo uvádějí nejen jejich parametry, ale i fyzikální vlastnosti. Navíc se může jednat o magneticky tvrdé a magneticky měkké materiály. Například vezměte rezonanční tomografy, kde se používají systémy s vysoce rovnoměrným magnetickým polem, a porovnejte se separátory, kde je pole ostře nehomogenní. Úplně jiný princip! Zvládly se magnetické systémy, kde lze pole zapínat a vypínat. Tak jsou navrženy gripy. A některé systémy dokonce mění magnetické pole ve vesmíru. Jsou to známé klystrony a lampy s putujícími vlnami. Vlastnosti měkkých a tvrdých magnetických materiálů jsou skutečně kouzelné. Jsou jako katalyzátory, téměř vždy fungují jako prostředníci, ale bez sebemenší ztráty vlastní energie dokážou transformovat energii někoho jiného a proměnit jeden druh v jiný.
Například magnetický impuls se přeměňuje na mechanickou energii při provozu spojek, separátorů a podobně. Mechanická energie se přeměňuje pomocí magnetů na elektrickou energii, pokud máme co do činění s mikrofony a generátory. A děje se to i naopak! V reproduktorech a motorech přeměňují magnety elektřinu například na mechanickou energii. A to není vše. Mechanická energie může být dokonce přeměněna na tepelnou energii, stejně jako magnetický systém při provozu mikrovlnné trouby nebo v brzdovém zařízení. Jsou schopnimagneticky tvrdých a magneticky měkkých materiálech a na speciálních efektech - v Hallových senzorech, v magnetických rezonančních tomografech, v mikrovlnné komunikaci. O katalytickém účinku na chemické procesy, o tom, jak gradientová magnetická pole ve vodě ovlivňují struktury iontů, molekul bílkovin a rozpuštěných plynů, můžete napsat samostatný článek.
Kouzlo starověku
Přírodní materiál – magnetit – znal lidstvo před několika tisíciletími. V té době ještě nebyly známy všechny vlastnosti tvrdých magnetických materiálů, a proto se nepoužívaly v technických zařízeních. A to ještě nebyla žádná technická zařízení. Nikdo nevěděl, jak provádět výpočty pro fungování magnetických systémů. Ale vliv na biologické objekty již byl zaznamenán. Využití tvrdých magnetických materiálů zpočátku šlo čistě pro lékařské účely, dokud Číňané ve třetím století před naším letopočtem nevynalezli kompas. Léčba magnetem však nepřestala dodnes, i když se neustále vedou diskuse o škodlivosti takových metod. Zvláště aktivní je použití tvrdých magnetických materiálů v medicíně v USA, Číně a Japonsku. A v Rusku jsou zastánci alternativních metod, i když je nemožné měřit velikost dopadu na tělo nebo rostlinu jakýmkoliv nástrojem.
Ale zpět do historie. V Malé Asii již před mnoha staletími na březích plného Meandru existovalo starověké město Magnesia. A dnes můžete jeho malebné ruiny navštívit v Turecku. Právě tam byla objevena první magnetická železná ruda, která byla pojmenovánaměsta. Poměrně rychle se rozšířil do celého světa a Číňané před pěti tisíci lety s jeho pomocí vynalezli navigační zařízení, které stále neumírá. Nyní se lidstvo naučilo vyrábět magnety uměle v průmyslovém měřítku. Základem pro ně jsou nejrůznější feromagnetika. Univerzita v Tartu má největší přírodní magnet, který dokáže zvednout asi čtyřicet kilogramů, přičemž sama váží pouhých třináct. Dnešní prášky jsou vyrobeny z kob altu, železa a různých dalších přísad, udrží náklad pět tisíckrát více, než váží.
Hysterezní smyčka
Existují dva typy umělých magnetů. Prvním typem jsou konstanty, které jsou vyrobeny z tvrdých magnetických materiálů, jejich vlastnosti nejsou nijak spojeny s vnějšími zdroji nebo proudy. Druhým typem jsou elektromagnety. Mají jádro ze železa - magneticky měkkého materiálu a vinutím tohoto jádra prochází proud, který vytváří magnetické pole. Nyní musíme zvážit principy jeho práce. Charakterizuje magnetické vlastnosti hysterezní smyčky pro tvrdé magnetické materiály. Pro výrobu magnetických systémů existují poměrně složité technologie, a proto jsou potřebné informace o magnetizaci, magnetické permeabilitě a energetických ztrátách, když dojde k obrácení magnetizace. Pokud je změna intenzity cyklická, bude remagnetizační křivka (změny indukce) vždy vypadat jako uzavřená křivka. Toto je hysterezní smyčka. Pokud je pole slabé, pak se smyčka podobá spíše elipse.
Když je napětímagnetické pole se zvětší, získá se celá řada takových smyček, uzavřených do sebe. V procesu magnetizace jsou všechny vektory orientovány podél a na konci přijde stav technického nasycení, materiál bude zcela zmagnetizován. Smyčka získaná při saturaci se nazývá limitní smyčka, ukazuje maximální dosaženou hodnotu indukce Bs (indukce saturace). Při poklesu napětí zůstává zbytková indukce. Oblast hysterezní smyčky v mezním a středním stavu ukazuje ztrátu energie, tedy ztrátu hystereze. Nejvíce záleží na frekvenci reverzace magnetizace, materiálových vlastnostech a geometrických rozměrech. Limitní hysterezní smyčka může určit následující charakteristiky tvrdých magnetických materiálů: saturační indukce Bs, zbytková indukce Bc a koercitivní síla Hc.
Křivka magnetizace
Tato křivka je nejdůležitější charakteristikou, protože ukazuje závislost magnetizace a síly vnějšího pole. Magnetická indukce se měří v Tesle a souvisí s magnetizací. Spínací křivka je hlavní, je to umístění vrcholů na hysterečních smyčkách, které se získají při cyklické remagnetizaci. To odráží změnu magnetické indukce, která závisí na intenzitě pole. Když je magnetický obvod uzavřen, intenzita pole odražená ve formě toroidu se rovná síle vnějšího pole. Pokud je magnetický obvod rozpojený, objevují se na koncích magnetu póly, které vytvářejí demagnetizaci. Rozdíl mezitato napětí určují vnitřní napětí materiálu.
Na hlavní křivce jsou charakteristické úseky, které vyniknou, když je zmagnetizován monokrystal feromagnetika. První část ukazuje proces posouvání hranic nepříznivě laděných domén a ve druhé se vektory magnetizace natáčejí směrem k vnějšímu magnetickému poli. Třetí úsek je paraproces, konečný stupeň magnetizace, zde je magnetické pole silné a usměrněné. Aplikace měkkých a tvrdých magnetických materiálů závisí do značné míry na charakteristikách získaných z magnetizační křivky.
Propustnost a energetické ztráty
Pro charakterizaci chování materiálu v poli napětí je nutné použít takový koncept, jako je absolutní magnetická permeabilita. Existují definice impulsní, diferenciální, maximální, počáteční, normální magnetické permeability. Relativní je trasováno podél hlavní křivky, takže tato definice se nepoužívá - pro jednoduchost. Magnetická permeabilita za podmínek, kdy H=0 se nazývá počáteční a lze ji určit pouze ve slabých polích, do přibližně 0,1 jednotky. Maximum naopak charakterizuje nejvyšší magnetickou permeabilitu. Normální a maximální hodnoty poskytují příležitost sledovat normální průběh procesu v každém konkrétním případě. V oblasti nasycení v silných polích má magnetická permeabilita vždy tendenci k jednotě. Všechny tyto hodnoty jsou nutné pro použití tvrdých magnetůmateriály, vždy je používejte.
Ztráta energie během obrácení magnetizace je nevratná. Elektřina se v materiálu uvolňuje jako teplo a její ztráty jsou tvořeny dynamickými ztrátami a ztrátami hysterezí. Ty se získávají přemístěním doménových stěn, když proces magnetizace právě začíná. Protože magnetický materiál má nehomogenní strukturu, energie se nutně vynakládá na vyrovnání doménových stěn. A dynamické ztráty se získávají ve spojení s vířivými proudy, které vznikají v okamžiku změny síly a směru magnetického pole. Energie se rozptyluje stejným způsobem. A ztráty způsobené vířivými proudy dokonce převyšují hysterezní ztráty při vysokých frekvencích. Rovněž dochází k dynamickým ztrátám v důsledku zbytkových změn stavu magnetického pole po změně intenzity. Výše následných ztrát závisí na složení, na tepelném zpracování materiálu, objevují se zejména při vysokých frekvencích. Následným efektem je magnetická viskozita a tyto ztráty jsou vždy brány v úvahu, pokud jsou feromagnety používány v pulzním režimu.
Klasifikace tvrdých magnetických materiálů
Pojmy, které hovoří o měkkosti a tvrdosti, se vůbec nevztahují na mechanické vlastnosti. Mnoho tvrdých materiálů je ve skutečnosti magneticky měkkých a z mechanického hlediska jsou měkké materiály také docela tvrdé magnetické. Proces magnetizace v obou skupinách materiálů probíhá stejným způsobem. Nejprve se posunou hranice domény a poté začne rotaceve směru stále magnetizujícího pole a nakonec začíná paraproces. A tady nastává ten rozdíl. Magnetizační křivka ukazuje, že je snazší posouvat hranice, je vynaloženo méně energie, ale proces rotace a paraproces jsou energeticky náročnější. Měkké magnetické materiály jsou magnetizovány posunutím hranic. Pevná magnetická – díky rotaci a paraprocessu.
Tvar hysterezní smyčky je přibližně stejný pro obě skupiny materiálů, saturace a zbytková indukce jsou také téměř stejné, ale existuje rozdíl v koercitivní síle a je velmi velký. Tvrdé magnetické materiály mají Hc=800 kA-m, zatímco měkké magnetické materiály mají pouze 0,4 A-m. Celkově je rozdíl obrovský: 2106krát. Proto bylo na základě těchto charakteristik přijato takové rozdělení. I když je třeba přiznat, že je to spíše podmíněné. Měkké magnetické materiály se mohou nasytit i ve slabém magnetickém poli. Používají se v nízkofrekvenčních polích. Například v magnetických paměťových zařízeních. Tvrdé magnetické materiály je obtížné zmagnetizovat, ale magnetizaci si udrží po velmi dlouhou dobu. Právě z nich se získávají dobré permanentní magnety. Oblasti použití tvrdých magnetických materiálů jsou četné a rozsáhlé, některé z nich jsou uvedeny na začátku článku. Existuje další skupina - magnetické materiály pro speciální účely, jejich rozsah je velmi úzký.
Podrobnosti o tvrdosti
Jak již bylo zmíněno, tvrdé magnetické materiály mají širokou hysterezní smyčku a velkou koercitivní sílu, nízkou magnetickou permeabilitu. Vyznačují se maximální specifickou magnetickou energií vydávanou vprostor. A čím "tvrdší" magnetický materiál, tím vyšší je jeho pevnost, tím nižší je propustnost. Při posuzování kvality materiálu hraje nejdůležitější roli měrná magnetická energie. Permanentní magnet prakticky nevydává energii do vnějšího prostoru s uzavřeným magnetickým obvodem, protože všechny siločáry jsou uvnitř jádra a mimo něj není žádné magnetické pole. Aby bylo možné co nejlépe využít energii permanentních magnetů, je uvnitř uzavřeného magnetického obvodu vytvořena vzduchová mezera přesně definované velikosti a konfigurace.
Postupem času magnet "stárne", jeho magnetický tok se snižuje. Takové stárnutí však může být nevratné i reverzibilní. V druhém případě jsou příčinami jeho stárnutí otřesy, otřesy, teplotní výkyvy, konstantní vnější pole. Magnetická indukce je snížena. Dá se ale znovu zmagnetizovat a tím obnovit jeho vynikající vlastnosti. Pokud ale permanentní magnet prošel nějakými strukturálními změnami, přemagnetizace nepomůže, stárnutí se neodstraní. Slouží ale dlouho a účel tvrdých magnetických materiálů je skvělý. Příklady jsou doslova všude. Nejsou to jen permanentní magnety. Jedná se o materiál pro uchovávání informací, pro jejich záznam - jak zvuku, tak digitálního a videa. Ale výše uvedené je jen malá část použití tvrdých magnetických materiálů.
Lité tvrdé magnetické materiály
Podle způsobu výroby a složení lze odlévat tvrdé magnetické materiály, práškové a jiné. Jsou založeny na slitinách.železo, nikl, hliník a železo, nikl, kob alt. Tyto kompozice jsou nejzákladnější pro získání permanentního magnetu. Patří k přesnosti, protože jejich počet je dán nejpřísnějšími technologickými faktory. Odlévané tvrdé magnetické materiály se získávají během precipitačního vytvrzování slitiny, kde dochází k ochlazování vypočítanou rychlostí od tavení do začátku rozkladu, který probíhá ve dvou fázích.
První - když se složení blíží čistému železu s výraznými magnetickými vlastnostmi. Jako by se objevily pláty tloušťky jedné domény. A druhá fáze je složením blíže intermetalické sloučenině, kde nikl a hliník mají nízké magnetické vlastnosti. Ukazuje se systém, kde je nemagnetická fáze kombinována se silně magnetickými inkluzemi s velkou koercitivní silou. Ale tato slitina není dostatečně dobrá z hlediska magnetických vlastností. Nejběžnější je jiné složení, legované: železo, nikl, hliník a měď s kob altem pro legování. Slitiny bez kob altu mají nižší magnetické vlastnosti, ale jsou mnohem levnější.
Práškové tvrdé magnetické materiály
Práškové materiály se používají pro miniaturní, ale složité permanentní magnety. Jsou to kovokeramické, kovoplastové, oxidové a mikropráškové. Cermet je obzvláště dobrý. Pokud jde o magnetické vlastnosti, je o něco horší než lité, ale o něco dražší než oni. Keramicko-kovové magnety se vyrábí lisováním kovových prášků bez pojiva a jejich slinováním při velmi vysokých teplotách. Používají se práškyse slitinami popsanými výše a také se slitinami na bázi platiny a kovů vzácných zemin.
Z hlediska mechanické pevnosti je prášková metalurgie lepší než odlévání, ale magnetické vlastnosti kovokeramických magnetů jsou stále o něco nižší než u litých magnetů. Magnety na bázi platiny mají velmi vysoké hodnoty koercitivní síly a parametry jsou vysoce stabilní. Slitiny s uranem a kovy vzácných zemin mají rekordní hodnoty maximální magnetické energie: limitní hodnota je 112 kJ na metr čtvereční. Takové slitiny se získávají lisováním prášku za studena na nejvyšší stupeň hustoty, poté se brikety slinují za přítomnosti kapalné fáze a odlévají vícesložkové složení. Je nemožné smíchat komponenty v takovém rozsahu jednoduchým litím.
Další tvrdé magnetické materiály
Mezi tvrdé magnetické materiály patří také materiály s vysoce specializovaným účelem. Jedná se o elastické magnety, plasticky deformovatelné slitiny, materiály pro nosiče informací a tekuté magnety. Deformovatelné magnety mají vynikající plastické vlastnosti, výborně se hodí k jakémukoli mechanickému zpracování - lisování, řezání, obrábění. Ale tyto magnety jsou drahé. Magnety Kunife z mědi, niklu a železa jsou anizotropní, to znamená, že jsou magnetizované ve směru válcování, používají se ve formě lisování a drátu. Vikalloy magnety vyrobené z kob altu a vanadu jsou vyrobeny ve formě vysokopevnostní magnetické pásky, stejně jako drátu. Toto složení je dobré pro velmi malé magnety s nejsložitější konfigurací.
Elastické magnety - na gumovém podkladu, ve kterémPlnivo je jemný prášek z tvrdého magnetického materiálu. Nejčastěji se jedná o ferit barnatý. Tato metoda umožňuje získat produkty absolutně jakéhokoli tvaru s vysokou vyrobitelností. Jsou také perfektně střižené nůžkami, ohnuté, vyražené, zkroucené. Jsou mnohem levnější. Magnetická pryž se používá jako listy magnetické paměti pro počítače, v televizi, pro korekční systémy. Jako nosiče informací splňují magnetické materiály mnoho požadavků. Jedná se o vysokoúrovňovou zbytkovou indukci, malý efekt vlastní demagnetizace (jinak dojde ke ztrátě informace), vysokou hodnotu koercitivní síly. A k usnadnění procesu mazání záznamů je zapotřebí jen malé množství této síly, ale tento rozpor je odstraněn pomocí technologie.
