История развития магнитных материалов
Постоянные магниты, изготовленные из магнетита, применялись в медицине с древнейших времен. Царица Египта Клеопатра носила магнитный амулет. В древнем Китае в «Императорской книге по внутренней медицине» затрагивался вопрос применения магнитных камней для коррекции в теле энергии Ци — «живой силы». В более поздние времена о благотворном влиянии магнитов высказывались великие врачи и философы: Аристотель, Авиценна, Гиппократ. В средние века придворный врач Гилберт, опубликовавший сочинение «О магните», лечил от артрита королеву Елизавету I при помощи постоянного магнита. Русский врач Боткин прибегал к методам магнитотерапии.
Первым искусственным магнитным материалом стала углеродистая сталь, закалённая на структуру мартенсита и содержащая около 1,2—1,5 % углерода. Магнитные свойства такой стали чувствительны к механическим и температурным воздействиям. В ходе эксплуатации постоянных магнитов на её основе наблюдалось явление «старения» магнитных свойств стали.
Легирование такой стали вольфрамом и хромом до 3 %, а позднее кобальтом до 6 % совместно с хромом до 6 % позволило доктору Хонда из Тохокского университета создать новый тип стали — КS — с высокой намагниченностью и значительной коэрцитивной силой. Для получения высоких магнитных свойств сталь подвергалась определённой термической обработке. Высокая остаточная индукция у магнитов из сталей KS достигалась уменьшением размагничивающего фактора. Для этого часто магниты выпускались удлинённой, подковообразной формы.
Исследования магнитных свойств сплавов показали, что они в первую очередь зависят от микроструктуры материала. В 1930 году был достигнут качественный скачок в получении новой микроструктуры твердеющих сплавов, и в 1932 году за счёт легирования стали KS никелем, алюминием и медью доктор Т. Мискима получил сталь МК.
Это значительный шаг в разработке ряда сплавов, получивших позднее общее название Альнико (по российским стандартам ЮНДК).
Существенный прорыв в этой области произвели в 1930-х годах японские ученые, доктор Ёгоро Като и доктор Такэси Такэи из Токийского технологического института. Замещение в составе магнетита части оксида двухвалентного железа на оксид кобальта при синтезе феррита по керамической технологии привела к созданию твёрдого раствора кобальтого и железного ферритов. Коэрцитивная сила данного типа феррита достигла 48—72 кА/м (600—900 Э). В Японии коммерческие ферритовые магниты появились приблизительно в 1955 году, в России — в середине 1960-х. Бариевые ферриты постепенно модифицировались в стронциевые, так как последние оказались более технологичными (не требовали очень точной регулировки температуры спекания и экологически были более безопасными). В составе ферритовых магнитов содержится 85—90 % оксида железа, который является отходом металлургической отрасли (с установки регенерации травильных хлоридных растворов Рутнера), что значительно удешевило производство.
Следующий значительный технологический прорыв произошел в лаборатории U.S. Air Force Material Research, где было найдено интерметаллическое соединение самария с кобальтом ( 5SmCo) с большой константой магнитокристаллической анизотропии. Постоянный магнит, изготовленный из такого материала, позволил достигнуть свойств (ВН)макс = 16—24 мега Гаусс-Эрстедах (МГсЭ), а на соединении 17Co2Sm — 32 МГсЭ, коэрцитивная сила была повышена до 560—1000 кА/м. Магниты из SmCo производятся промышленностью с 1970-х годов. В это же время было обнаружено соединение Nd2Fe14B. Магниты из этого материала появились и в Японии, и в США одновременно в середине 1980-х годов, но технология их производства разнилась. В Японии производство организовывалось по типу магнитов SmCo: производство порошка из литого сплава, затем прессование в магнитном поле и спекание. В США был принят meltspinning process: сначала производится аморфный сплав, затем он измельчается, и изготавливается композиционный материал. Магнитный порошок связывается резиной, винилом, нейлоном или другими пластиками в композиционную массу, которую прессуют (инжектируют) или каландруют в изделия. Магниты из композиционного материала имеют по сравнению со спечёнными несколько более низкие свойства, однако не требуют гальванических покрытий, легко обрабатываются механически, зачастую имеют красивый внешний вид, будучи окрашенными в различные цвета. Магниты из Nd2Fe14B появились на рынке постоянных магнитов в 1990-х годах и очень быстро достигли на спечённых образцах энергии в 50 МгсЭ (400 кДж/м3). Этот материал быстро вытеснил другие, в первую очередь — в миниатюрной электронике.
Определение и основные признаки постоянного магнита
Постоянным магнитом называют твердый предмет, способный долгое время сохранять состояние намагниченности. Состояние намагниченности означает наличие магнитного поля, которое воздействует (притягивает) на металлические предметы.
Постоянные магниты могут быть естественного происхождения (магнетит) и искусственными, которые изготавливают из железа, стали, никеля, кобальта и других, более редких металлов. Искусственные магниты получают с помощью намагничивания заготовок в сильном магнитном поле. Эти магниты могут иметь разную форму и размеры.
Основным признаком постоянного магнита является наличие двух магнитных полюсов: южный — S, и северный — N. Магнитные линии направлены снаружи постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного к северному.
Как и из чего делают постоянные магниты
Магнетиты имеют довольно слабые магнитные свойства. Промышленным способом налажено массовое производство искусственных магнитов различных размеров. Исходными материалами для этого служат сплавы на основе металлов: железа Fe, никеля Ni, кобальта Co, неодима Nd, самария Sm. Заготовки из этих сплавов получают литьем, прессованием или спеканием. Затем они помещаются в очень сильное однородное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Во время воздействия магнитного поля, намагниченные частицы направляются в одну сторону. Так выравнивается полярность будущего магнита. В результате заготовки сильно намагничиваются и становятся самостоятельными постоянными магнитами.
В последнее время большую популярность получили полимерные постоянные магниты (магнитопласты). Их изготавливают из смеси магнитного порошка и полимерной (пластиковой) эластичной добавки, например, резины. Магнитные свойства магнитопластов невысоки, но их вполне достаточно для изготовления различных полезных приспособлений, например, магнитов на холодильник, пластиковых карт, демонстрационных и учебных досок.
Как делают магниты разными способами
Прессованные магнитопласты – это магниты, полученные путем смешивания специального вида порошка NdFeB с полимерными связывающими материалами. Затем эта масса прессуется в форму и нагревается.
Магнитные изделия, получаемые таким способом, могут быть сложных форм, и обычно не требуют дополнительной обработки. Они имеют более низкую энергию продукта, чем спеченные магниты, до 10 МГсЭ.
Изотропные магнитопласты NdFeB могут быть намагничены в любом направлении.
При использовании специальных соленоидов можно получить многополюсные магниты или магниты со специальной формой магнитного поля.
Разумеется, такие сложные соленоиды могут стоить очень дорого в зависимости от сложности конструкции и требуемой производительности.
Литые магнитопласты – при этом способе производства магнитов порошок NdFeB смешивается с полимерным материалом и выдавливается в форму. Получающиеся магнитные изделия имеют энергию продукта до 5 МГсЭ, но могут быть сделаны замысловатых форм.
Спеченные неомагниты – мелкий порошок NdFeB запрессовывается в форму, затем спекается и обрабатывается до нужного размера (шлифуется).
Производство неодимовых магнитов – сложный высокотехнологичный процесс, требующий соблюдения состава, содержания примесей. Все операции, кроме шлифовки в размер, проводятся без доступа кислорода в вакууме или атмосфере инертных газов. Направление намагниченности задается текстурой магнитного поля во время прессования.
Принцип взаимодействия постоянных магнитов
Мы уже знаем, что вокруг магнита существует магнитное поле.
Магнитное поле — это пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы. Магнитное поле может быть создано постоянным магнитом или электромагнитом.
Поля двух магнитов вблизи могут взаимодействовать между собой, и это взаимодействие проявляется как притяжение или отталкивание магнитов. Разные полюса магнитов буду притягиваться, одинаковые отталкиваться. Магнитное поле одного магнита будет действовать на другой магнит даже сквозь вакуум. Чтобы уменьшить действие магнитов, достаточно просто разместить их вдали друг от друга. Ниже, на рисунках, показан вид линий магнитной индукции (магнитного поля) при взаимодействии двух магнитов.
Свойства магнита
Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита.
Индукция постоянного магнита Bd не может превышать Br: равенство Bd = Br возможно лишь в том случае, если магнит представляет собой замкнутый магнитопровод, то есть не имеет воздушного промежутка, однако постоянные магниты, как правило, используются для создания магнитного поля в воздушном (или заполненном другой средой) зазоре, в этом случае Bd < Br, величина разности зависит от формы магнита и свойств среды.
Для производства постоянных магнитов обычно используются следующие материалы: [1]
- Бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты
Имеют состав Ba/SrO·6 Fe2O3 и характеризуются высокой устойчивостью к размагничиванию в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью. Несмотря на низкие по сравнению с другими классами магнитные параметры и высокую хрупкость, благодаря низкой стоимости магнитотвердые ферриты наиболее широко применяются в промышленности.
- Магниты NdFeB (неодим-железо-бор)
Редкоземельные магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd2Fe14B. Преимуществами этого класса магнитов являются высокие магнитные свойства (Br, Hc и (BH)max), а также невысокая стоимость. В связи со слабой коррозионной устойчивостью обычно покрываются медью, никелем или цинком.
- Редкоземельные магниты SmCo (Самарий-Кобальт)
Изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo5/Sm2Co17 и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350 °C, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB
- Магниты ALNICO (российское название ЮНДК)
Изготавливаются основе сплава Al-Ni-Co-Fe. К их преимуществам можно отнести высокую температурную стабильность в интервале температур до 550 °C, высокую временну́ю стабильность параметров в сочетании с большой величиной коэрцитивной силы, хорошую коррозионную устойчивость. Важным фактором в пользу их выбора может являться значительно меньшая стоимость по сравнению с магнитами из Sm-Co.
- Полимерные постоянные магниты (магнитопласты)
Изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты (например резины). Достоинством магнитопластов является возможность получения сложных форм изделий с высокой точностью размеров, а также высокая коррозионная устойчивость в сочетании с большой величиной удельного сопротивления и малым весом.
Наиболее широко распространены ферритовые магниты ]источник не указан 421 день[ .
Для применений при обычных температурах самые сильные постоянные магниты делаются из сплавов, содержащих неодим. Они используются в таких областях, как магнитно-резонансная томография, сервоприводы жёстких дисков и создание высококачественных динамиков, а также ведущей части двигателей авиамоделей.
Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет.
Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек — они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Также в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.
Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое — с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются положительные и отрицательные полюса.
Мощность постоянных магнитов
Мощность магнита является довольно относительным понятием. То есть сила магнитного поля у магнита стабильна, и ее можно измерить и зафиксировать специальными датчиками и приборами. Но такой параметр, как сила сцепления, зависит от многих факторов, что следует учитывать при выборе магнитов.
Например, имеется зависимость от чистоты металлической поверхности и ее толщины. Влияние оказывает и угол отрыва. Под силой сцепления понимается усилие, необходимое для отрыва магнита от металлической поверхности толщиной не менее 10 мм. Особое значение имеют:
- угол прикладывания усилия;
- температура и влажность воздуха;
- магнитные свойства поверхности металла;
- наличие следов коррозии.
Где используют постоянные магниты
Замечательные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, на производствах, в повседневной жизнедеятельности. Вот только некоторые из них:
- Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
- Пластиковые карты различного назначения (финансовые, бонусные, контрольно-пропускные);
- Микрофоны, громкоговорители, звуковая техника;
- Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
- Компасы;
- В измерительных приборах с отклоняющей стрелкой, например, в амперметрах;
- Пластиковые магниты для использования в учебных выставочных целях;
- Магниты на холодильник;
- Изготовление застежек для одежды и сумок:
- Мебельные фиксаторы (закрывание дверок);
- Детские игрушки.
Области применение постоянных магнитов
Пальму первенства среди самых мощных искусственных магнитов на сегодняшний день удерживают магниты, в состав которых включены редкоземельные металлы: неодим (сплав Nd-Fe-B) или самарий (сплав Sm-Co). Эти магниты могут сохранять свои свойства, не размагничиваясь в течение 30 лет.
Двигатель на постоянных магнитах
В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.
Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.
Предыдущая