امروزه یافتن صنعتی فنی که از مواد مغناطیسی سخت و آهنرباهای دائمی استفاده نکند تقریبا غیرممکن است. اینها آکوستیک و رادیو الکترونیک و کامپیوتر و تجهیزات اندازه گیری و اتوماسیون و گرما و برق و برق و ساخت و ساز و متالورژی و هر نوع حمل و نقل و کشاورزی و پزشکی و فرآوری سنگ معدن و حتی در آشپزخانه همه مایکروفر وجود دارد، پیتزا را گرم می کند. شمردن همه چیز غیرممکن است، مواد مغناطیسی در هر مرحله از زندگی ما را همراهی می کنند. و همه محصولات با کمک آنها طبق اصول کاملاً متفاوتی کار می کنند: موتورها و ژنراتورها عملکردهای خاص خود را دارند و دستگاه های ترمز خود را دارند ، جداکننده یک کار را انجام می دهد و ردیاب عیب چیز دیگری را انجام می دهد. احتمالاً لیست کاملی از وسایل فنی وجود ندارد که در آن از مواد مغناطیسی سخت استفاده می شود، تعداد آنها بسیار زیاد است.
سیستم های مغناطیسی چیست
سیاره ما خود یک سیستم مغناطیسی فوق العاده روغن کاری شده است. همه بقیه بر اساس یک اصل ساخته شده اند. مواد مغناطیسی سخت خواص عملکردی بسیار متنوعی دارند. در کاتالوگ تامین کنندگان، بیهوده نیست که نه تنها پارامترهای آنها، بلکه خواص فیزیکی نیز آورده شده است. علاوه بر این، می تواند از نظر مغناطیسی سخت و مواد مغناطیسی نرم باشد. به عنوان مثال، توموگرافی رزونانس را در نظر بگیرید، که در آن از سیستم‌هایی با میدان مغناطیسی بسیار یکنواخت استفاده می‌شود، و با جداکننده‌ها مقایسه کنید، جایی که میدان کاملاً ناهمگن است. یک اصل کاملا متفاوت! سیستم های مغناطیسی تسلط یافته اند، جایی که میدان را می توان روشن و خاموش کرد. دستگیره ها به این صورت طراحی می شوند. و برخی از سیستم ها حتی میدان مغناطیسی را در فضا تغییر می دهند. اینها کلیسترون ها و لامپ های موج مسافرتی معروف هستند. خواص مواد مغناطیسی نرم و سخت واقعا جادویی است. آنها مانند کاتالیزور هستند، تقریباً همیشه به عنوان واسطه عمل می کنند، اما بدون کوچکترین اتلاف انرژی خود، می توانند انرژی شخص دیگری را تغییر دهند و یک گونه را به گونه دیگر تبدیل کنند.
به عنوان مثال، یک ضربه مغناطیسی در عملکرد کوپلینگ ها، جداکننده ها و موارد مشابه به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. اگر با میکروفون و ژنراتور سر و کار داشته باشیم، انرژی مکانیکی با کمک آهنربا به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. و بالعکس اتفاق می افتد! در بلندگوها و موتورها، آهنرباها الکتریسیته را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. و این همه ماجرا نیست. انرژی مکانیکی حتی می تواند به انرژی حرارتی تبدیل شود، همانطور که سیستم مغناطیسی در عملکرد یک اجاق مایکروویو یا یک دستگاه ترمز انجام می دهد. قادرندمواد مغناطیسی سخت و مغناطیسی نرم و در جلوه های ویژه - در سنسورهای هال، در توموگرافی رزونانس مغناطیسی، در ارتباطات مایکروویو. می‌توانید مقاله جداگانه‌ای در مورد تأثیر کاتالیزوری بر فرآیندهای شیمیایی، چگونگی تأثیر میدان‌های مغناطیسی گرادیان در آب بر ساختار یون‌ها، مولکول‌های پروتئین و گازهای محلول بنویسید.
جادو از دوران باستان
مواد طبیعی - مگنتیت - چندین هزار سال پیش برای بشر شناخته شده بود. در آن زمان هنوز تمام خواص مواد مغناطیسی سخت مشخص نبود و به همین دلیل از آنها در دستگاه های فنی استفاده نمی شد. و هنوز وسایل فنی وجود نداشت. هیچ کس نمی دانست که چگونه برای عملکرد سیستم های مغناطیسی محاسبات انجام دهد. اما تأثیر آن بر اشیاء بیولوژیکی قبلاً مشاهده شده است. استفاده از مواد مغناطیسی سخت در ابتدا صرفاً برای مقاصد پزشکی بود، تا اینکه چینی ها قطب نما را در قرن سوم قبل از میلاد اختراع کردند. با این حال، درمان با آهنربا تا به امروز متوقف نشده است، حتی اگر بحث های مداوم در مورد مضر بودن چنین روش هایی وجود دارد. استفاده از مواد مغناطیسی سخت در پزشکی در ایالات متحده آمریکا، چین و ژاپن به ویژه فعال است. و در روسیه طرفداران روش‌های جایگزین وجود دارد، اگرچه اندازه‌گیری میزان تأثیر بر بدن یا گیاه با هیچ ابزاری غیرممکن است.
اما به تاریخ بازگردیم. در آسیای صغیر، قرن ها پیش، شهر باستانی مگنزیا قبلاً در سواحل پرآب پرپیچ و خم وجود داشت. و امروز می توانید از خرابه های زیبای آن در ترکیه دیدن کنید. در آنجا بود که اولین سنگ آهن مغناطیسی کشف شد که به همین نام نامگذاری شدشهرها خیلی سریع در سراسر جهان گسترش یافت و چینی ها پنج هزار سال پیش با کمک آن دستگاه ناوبری را اختراع کردند که هنوز نمی میرد. اکنون بشر یاد گرفته است که آهن ربا را به صورت مصنوعی در مقیاس صنعتی تولید کند. اساس آنها انواع فرومغناطیس ها هستند. دانشگاه تارتو دارای بزرگترین آهنربای طبیعی است که می تواند حدود چهل کیلوگرم را بلند کند، در حالی که وزن خود فقط سیزده کیلوگرم است. پودرهای امروزی از کبالت، آهن و مواد افزودنی مختلف دیگر ساخته می‌شوند که پنج هزار برابر وزن خود بارها را تحمل می‌کنند.
حلقه هیسترزیس
دو نوع آهنربا مصنوعی وجود دارد. نوع اول ثابت ها هستند که از مواد مغناطیسی سخت ساخته شده اند، خواص آنها به هیچ وجه با منابع یا جریان های خارجی مرتبط نیست. نوع دوم الکترومغناطیس است. آنها دارای یک هسته ساخته شده از آهن هستند - یک ماده مغناطیسی نرم، و جریانی از سیم پیچ این هسته عبور می کند که یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. حال باید اصول کار آن را در نظر بگیریم. خواص مغناطیسی حلقه هیسترزیس را برای مواد مغناطیسی سخت مشخص می کند. فناوری‌های کاملاً پیچیده‌ای برای ساخت سیستم‌های مغناطیسی وجود دارد و بنابراین اطلاعاتی در مورد مغناطش، نفوذپذیری مغناطیسی و تلفات انرژی هنگام برگشت مغناطیسی مورد نیاز است. اگر تغییر شدت چرخه ای باشد، منحنی مغناطیس مجدد (تغییر در القاء) همیشه شبیه یک منحنی بسته خواهد بود. این حلقه هیسترزیس است. اگر میدان ضعیف باشد، حلقه بیشتر شبیه یک بیضی است.
هنگامی که تنشمیدان مغناطیسی افزایش می یابد، یک سری کامل از چنین حلقه هایی به دست می آید که در یکدیگر محصور شده اند. در فرآیند مغناطیسی، تمام بردارها در امتداد جهت گیری می شوند و در پایان، یک حالت اشباع فنی فرا می رسد، مواد کاملا مغناطیسی می شوند. حلقه به دست آمده در طول اشباع، حلقه حد نامیده می شود، این حلقه حداکثر مقدار به دست آمده از القاء Bs (القاء اشباع) را نشان می دهد. وقتی کشش کاهش می یابد، القای باقی مانده باقی می ماند. مساحت حلقه‌های پسماند در حالت‌های حدی و میانی، اتلاف انرژی، یعنی از دست دادن پسماند را نشان می‌دهد. بیشتر از همه به فرکانس معکوس مغناطیسی، خواص مواد و ابعاد هندسی بستگی دارد. حلقه پسماند محدود کننده می تواند ویژگی های زیر را برای مواد مغناطیسی سخت تعیین کند: القای اشباع Bs، القای باقیمانده Bc و نیروی اجباری Hc.
منحنی مغناطیس
این منحنی مهمترین مشخصه است، زیرا وابستگی مغناطش و قدرت میدان خارجی را نشان می دهد. القای مغناطیسی در تسلا اندازه گیری می شود و مربوط به مغناطش است. منحنی سوئیچینگ منحنی اصلی است، این محل قله ها در حلقه های پسماند است که در طول مغناطیس مجدد چرخه ای به دست می آید. این منعکس کننده تغییر در القای مغناطیسی است که به شدت میدان بستگی دارد. هنگامی که مدار مغناطیسی بسته است، شدت میدان منعکس شده به شکل حلقوی برابر با شدت میدان خارجی است. اگر مدار مغناطیسی باز باشد، قطب هایی در انتهای آهنربا ظاهر می شوند که مغناطیس زدایی ایجاد می کنند. تفاوت بیناین کشش ها کشش داخلی ماده را تعیین می کند.
بخش‌های مشخصه‌ای روی منحنی اصلی وجود دارد که وقتی یک بلور از فرومغناطیس مغناطیسی می‌شود خودنمایی می‌کند. بخش اول روند جابجایی مرزهای دامنه های تنظیم شده نامطلوب را نشان می دهد و در بخش دوم، بردارهای مغناطیسی به سمت میدان مغناطیسی خارجی می چرخند. بخش سوم فراپردازش است، مرحله نهایی مغناطیسی، در اینجا میدان مغناطیسی قوی و جهت دار است. کاربرد مواد مغناطیسی نرم و سخت تا حد زیادی به ویژگی های به دست آمده از منحنی مغناطیسی بستگی دارد.
نفوذپذیری و اتلاف انرژی
برای توصیف رفتار یک ماده در یک میدان کشش، لازم است از مفهومی به عنوان نفوذپذیری مغناطیسی مطلق استفاده شود. تعاریفی برای نفوذپذیری مغناطیسی ضربه ای، دیفرانسیل، حداکثر، اولیه و نرمال وجود دارد. نسبی در امتداد منحنی اصلی ردیابی می شود، بنابراین از این تعریف استفاده نمی شود - برای سادگی. نفوذپذیری مغناطیسی در شرایطی که H=0 اولیه نامیده می شود، و تنها در میدان های ضعیف، تا حدود 0.1 واحد قابل تعیین است. حداکثر، برعکس، بالاترین نفوذپذیری مغناطیسی را مشخص می کند. مقادیر نرمال و حداکثر فرصتی را برای مشاهده روند عادی فرآیند در هر مورد خاص فراهم می کند. در ناحیه اشباع در میدان های قوی، نفوذپذیری مغناطیسی همیشه به سمت وحدت گرایش دارد. همه این مقادیر برای استفاده از مغناطیسی سخت ضروری هستندمواد، همیشه از آنها استفاده کنید.
اتلاف انرژی در طول معکوس مغناطیسی برگشت ناپذیر است. الکتریسیته در ماده به صورت گرما آزاد می شود و تلفات آن از تلفات دینامیکی و تلفات هیسترزیس تشکیل می شود. دومی با جابجایی دیواره های دامنه زمانی که فرآیند مغناطیسی تازه شروع شده است به دست می آید. از آنجایی که ماده مغناطیسی ساختاری ناهمگن دارد، انرژی لزوماً در تراز دیواره های حوزه صرف می شود. و تلفات دینامیکی در ارتباط با جریان های گردابی حاصل می شود که در لحظه تغییر قدرت و جهت میدان مغناطیسی رخ می دهد. انرژی نیز به همین ترتیب تلف می شود. و تلفات ناشی از جریان های گردابی حتی از تلفات هیسترزیس در فرکانس های بالا نیز بیشتر است. همچنین تلفات دینامیکی به دلیل تغییرات باقیمانده در حالت میدان مغناطیسی پس از تغییر شدت حاصل می شود. میزان تلفات افترافکت به ترکیب بستگی دارد، به عملیات حرارتی مواد، به ویژه در فرکانس های بالا ظاهر می شوند. اثر بعدی ویسکوزیته مغناطیسی است و اگر فرومغناطیس در حالت پالسی استفاده شود، این تلفات همیشه در نظر گرفته می شود.
طبقه بندی مواد مغناطیسی سخت
اصطلاحاتی که از نرمی و سختی صحبت می کنند به هیچ وجه در مورد خواص مکانیکی صدق نمی کنند. بسیاری از مواد سخت در واقع از نظر مغناطیسی نرم هستند و از نقطه نظر مکانیکی، مواد نرم نیز کاملاً مغناطیسی سخت هستند. فرآیند مغناطیسی در هر دو گروه مواد به یک شکل انجام می شود. ابتدا مرزهای دامنه جابجا می شوند، سپس چرخش در آن آغاز می شوددر جهت یک میدان مغناطیسی فزاینده، و در نهایت، فراپردازش آغاز می شود. و اینجاست که تفاوت ظاهر می شود. منحنی مغناطیسی نشان می دهد که جابجایی مرزها آسان تر است، انرژی کمتری صرف می شود، اما فرآیند چرخش و فراپردازش انرژی بیشتری دارند. مواد مغناطیسی نرم با جابجایی مرزها مغناطیسی می شوند. مغناطیسی سخت - به دلیل چرخش و فراپردازش.
شکل حلقه پسماند برای هر دو گروه مواد تقریباً یکسان است، اشباع و القای باقیمانده نیز نزدیک به مساوی هستند، اما تفاوت در نیروی اجباری وجود دارد و بسیار زیاد است. مواد مغناطیسی سخت Hc=800 kA-m دارند، در حالی که مواد مغناطیسی نرم تنها 0.4 A-m دارند. در کل، تفاوت بسیار زیاد است: 2106 بار. به همین دلیل بر اساس این ویژگی ها، چنین تقسیم بندی اتخاذ شد. گرچه باید پذیرفت که نسبتاً مشروط است. مواد مغناطیسی نرم می توانند حتی در یک میدان مغناطیسی ضعیف اشباع شوند. آنها در زمینه های فرکانس پایین استفاده می شوند. به عنوان مثال، در دستگاه های حافظه مغناطیسی. مغناطیسی کردن مواد مغناطیسی سخت دشوار است، اما برای مدت طولانی خاصیت مغناطیسی را حفظ می کنند. از آنهاست که آهنرباهای دائمی خوبی به دست می آید. زمینه های کاربرد مواد مغناطیسی سخت متعدد و گسترده است که برخی از آنها در ابتدای مقاله ذکر شده است. گروه دیگری وجود دارد - مواد مغناطیسی برای اهداف خاص، دامنه آنها بسیار باریک است.
جزئیات سختی
همانطور که قبلاً ذکر شد، مواد مغناطیسی سخت دارای یک حلقه پسماند گسترده و نیروی اجباری زیاد، نفوذپذیری مغناطیسی کم هستند. آنها با حداکثر انرژی مغناطیسی ویژه ای که در آن منتشر می شود مشخص می شوندفضا. و هر چه ماده مغناطیسی "سخت تر" باشد، قدرت آن بالاتر است، نفوذپذیری کمتری دارد. انرژی مغناطیسی خاص مهمترین نقش را در ارزیابی کیفیت مواد دارد. یک آهنربای دائمی عملاً با مدار مغناطیسی بسته به فضای بیرونی انرژی نمی دهد، زیرا تمام خطوط نیرو در داخل هسته هستند و هیچ میدان مغناطیسی در خارج از آن وجود ندارد. برای استفاده حداکثری از انرژی آهنرباهای دائمی، یک شکاف هوایی با اندازه و پیکربندی کاملاً مشخص در داخل یک مدار مغناطیسی بسته ایجاد می‌شود.
با گذشت زمان، آهنربا "کهنه می شود"، شار مغناطیسی آن کاهش می یابد. با این حال، چنین پیری می تواند هم برگشت ناپذیر و هم برگشت پذیر باشد. در مورد دوم، علل پیری آن شوک، شوک، نوسانات دما، میدان های خارجی ثابت است. القای مغناطیسی کاهش می یابد. اما می توان دوباره آن را مغناطیسی کرد و در نتیجه خواص عالی آن را بازیابی کرد. اما اگر آهنربای دائمی دستخوش تغییرات ساختاری شده باشد، مغناطش مجدد کمکی نمی کند، پیری از بین نمی رود. اما آنها برای مدت طولانی خدمت می کنند و هدف از مواد مغناطیسی سخت عالی است. نمونه ها به معنای واقعی کلمه همه جا هستند. این فقط آهنرباهای دائمی نیست. این ماده ای برای ذخیره اطلاعات، برای ضبط آن است - هم صدا، هم دیجیتال و هم ویدئو. اما موارد فوق تنها بخش کوچکی از کاربرد مواد مغناطیسی سخت است.
ریخته گری مواد مغناطیسی سخت
با توجه به روش تولید و ترکیب، مواد مغناطیسی سخت را می توان ریخته گری، پودر و غیره. آنها بر اساس آلیاژ هستند.آهن، نیکل، آلومینیوم و آهن، نیکل، کبالت. این ترکیبات اساسی ترین برای به دست آوردن یک آهنربای دائمی هستند. آنها به دقت تعلق دارند، زیرا تعداد آنها توسط دقیق ترین عوامل تکنولوژیکی تعیین می شود. مواد مغناطیسی سخت ریخته گری در طول سخت شدن آلیاژ رسوبی به دست می آیند، جایی که خنک شدن با سرعت محاسبه شده از ذوب تا شروع تجزیه، که در دو فاز اتفاق می افتد، رخ می دهد.
اولین - زمانی که ترکیب نزدیک به آهن خالص با خواص مغناطیسی مشخص است. گویی صفحاتی با ضخامت تک دامنه ظاهر می شوند. و فاز دوم از نظر ترکیب به ترکیب بین فلزی نزدیکتر است، جایی که نیکل و آلومینیوم دارای خواص مغناطیسی پایینی هستند. به نظر می رسد سیستمی که در آن فاز غیر مغناطیسی با اجزای مغناطیسی قوی با نیروی اجباری زیاد ترکیب می شود. اما این آلیاژ از نظر خواص مغناطیسی به اندازه کافی خوب نیست. رایج ترین ترکیب دیگری است که آلیاژ می شود: آهن، نیکل، آلومینیوم و مس با کبالت برای آلیاژسازی. آلیاژهای بدون کبالت خواص مغناطیسی کمتری دارند، اما بسیار ارزان‌تر هستند.
پودر مواد مغناطیسی سخت
مواد پودریبرای آهنرباهای دائمی مینیاتوری اما پیچیده استفاده می شود. آنها فلز-سرامیک، فلز-پلاستیک، اکسید و میکروپودر هستند. سرمت به خصوص خوب است. از نظر خواص مغناطیسی، نسبت به ریخته‌گری‌ها کمی پایین‌تر است، اما تا حدودی گران‌تر از آنهاست. آهنرباهای سرامیکی - فلزی با فشار دادن پودرهای فلزی بدون هیچ گونه مواد اتصال دهنده و پخت آنها در دماهای بسیار بالا ساخته می شوند. پودرها استفاده می شودبا آلیاژهایی که در بالا توضیح داده شد، و همچنین آلیاژهای مبتنی بر پلاتین و فلزات خاکی کمیاب.
از نظر استحکام مکانیکی، متالورژی پودر نسبت به ریخته گری برتری دارد، اما خواص مغناطیسی آهنرباهای فلزی-سرامیکی هنوز تا حدودی کمتر از آهنرباهای ریخته گری است. آهنرباهای مبتنی بر پلاتین دارای مقادیر نیروی اجباری بسیار بالایی هستند و پارامترها بسیار پایدار هستند. آلیاژهای با اورانیوم و فلزات خاکی کمیاب دارای مقادیر رکورد حداکثر انرژی مغناطیسی هستند: مقدار حد مجاز 112 کیلوژول بر متر مربع است. چنین آلیاژهایی با فشار سرد پودر تا بالاترین درجه چگالی به دست می آیند، سپس بریکت ها با حضور یک فاز مایع و ریخته گری یک ترکیب چند جزئی تف جوشی می شوند. با ریخته‌گری ساده نمی‌توان اجزا را تا این حد مخلوط کرد.
سایر مواد مغناطیسی سخت
مواد مغناطیسی سخت نیز شامل مواردی است که هدف بسیار تخصصی دارند. اینها آهنرباهای الاستیک، آلیاژهای قابل تغییر شکل پلاستیکی، مواد حامل اطلاعات و آهنرباهای مایع هستند. آهنرباهای تغییر شکل پذیر دارای خواص پلاستیکی عالی هستند، آنها کاملاً خود را به هر نوع پردازش مکانیکی - مهر زنی، برش، ماشینکاری وام می دهند. اما این آهنرباها گران هستند. آهنرباهای Kunife ساخته شده از مس، نیکل و آهن ناهمسانگرد هستند، یعنی در جهت نورد مغناطیسی می شوند، به صورت مهر زنی و سیم استفاده می شوند. آهنرباهای ویکالوی ساخته شده از کبالت و وانادیوم به صورت نوار مغناطیسی با مقاومت بالا و همچنین سیم ساخته می شوند. این ترکیب برای آهنرباهای بسیار کوچک با پیچیده ترین پیکربندی مناسب است.
آهنرباهای الاستیک - روی یک پایه لاستیکی، که در آنپرکننده یک پودر ریز از یک ماده مغناطیسی سخت است. اغلب این فریت باریم است. این روش به شما امکان می دهد محصولات کاملاً هر شکلی را با قابلیت ساخت بالا بدست آورید. آنها همچنین کاملاً با قیچی بریده می شوند، خم می شوند، مهر می زنند، پیچیده می شوند. آنها بسیار ارزان تر هستند. لاستیک مغناطیسی به عنوان صفحات حافظه مغناطیسی برای رایانه ها، در تلویزیون، برای سیستم های اصلاحی استفاده می شود. به عنوان حامل اطلاعات، مواد مغناطیسی نیازهای بسیاری را برآورده می کنند. این یک القاء باقیمانده سطح بالا است، یک اثر کوچک از خود مغناطیسی زدایی (در غیر این صورت اطلاعات از بین می رود)، ارزش بالایی از نیروی اجباری است. و برای تسهیل فرآیند پاک کردن سوابق، فقط به مقدار کمی از این نیرو نیاز است، اما این تناقض با کمک فناوری برطرف می شود.
