כיום, כמעט בלתי אפשרי למצוא תעשייה טכנית שאינה משתמשת בחומרים מגנטיים קשים ובמגנטים קבועים. אלו הם אקוסטיקה ורדיו אלקטרוניקה, ומחשבים וציוד מדידה, ואוטומציה, וחום וכוח, וכוח חשמלי, ובנייה, ומטלורגיה, וכל סוג של תחבורה, וחקלאות, ורפואה, ועיבוד עפרות, ו אפילו במטבח של כולם יש מיקרוגל, הוא מחמם את הפיצה. אי אפשר למנות הכל, חומרים מגנטיים מלווים אותנו בכל שלב בחיינו. וכל המוצרים בעזרתם עובדים על פי עקרונות שונים לחלוטין: למנועים ולגנרטורים יש פונקציות משלהם, ולהתקני בלימה יש משלהם, המפריד עושה דבר אחד, וגלאי הפגמים עושה דבר אחר. כנראה, אין רשימה מלאה של מכשירים טכניים שבהם נעשה שימוש בחומרים מגנטיים קשים, יש כל כך הרבה מהם.
מהן מערכות מגנטיות
כוכב הלכת שלנו עצמו הוא מערכת מגנטית משומנת במיוחד. כל השאר בנויים על אותו עיקרון. לחומרים מגנטיים קשים יש תכונות פונקציונליות מגוונות מאוד. בקטלוגים של ספקים, לא בכדי ניתנים לא רק הפרמטרים שלהם, אלא גם מאפיינים פיזיים. בנוסף, זה יכול להיות חומרים קשים מגנטית ורכים מגנטית. לדוגמה, קחו טומוגרפים תהודה, שבהם נעשה שימוש במערכות בעלות שדה מגנטי אחיד ביותר, והשוו עם מפרידים, שבהם השדה אינו הומגני בצורה חדה. עיקרון שונה לגמרי! מערכות מגנטיות עברו שליטה, שבהן ניתן להפעיל ולכבות את השדה. כך מעוצבים אחיזות. ומערכות מסוימות אף משנות את השדה המגנטי בחלל. אלו הם קליסטרונים ידועים ומנורות גל נודדות. התכונות של חומרים מגנטיים רכים וקשים הם באמת קסומים. הם כמו זרזים, הם כמעט תמיד פועלים כמתווכים, אבל בלי אובדן קל של האנרגיה שלהם, הם מסוגלים להפוך את זו של מישהו אחר, ולהפוך מין אחד למשנהו.
לדוגמה, דחף מגנטי מומר לאנרגיה מכנית בפעולת צימודים, מפרידים וכדומה. אנרגיה מכנית מומרת בעזרת מגנטים לאנרגיה חשמלית, אם במיקרופונים ובגנרטורים עסקינן. ולהיפך קורה! ברמקולים ובמנועים, מגנטים ממירים חשמל לאנרגיה מכנית, למשל. וזה לא הכל. אנרגיה מכנית אף ניתנת להמרה לאנרגיה תרמית, וכך גם המערכת המגנטית בהפעלת מיקרוגל או במכשיר בלימה. יכוליםחומרים קשים מגנטית ורכים מגנטית ועל אפקטים מיוחדים - בחיישני הול, בטומוגרפים תהודה מגנטית, בתקשורת במיקרוגל. ניתן לכתוב מאמר נפרד על ההשפעה הקטליטית על תהליכים כימיים, כיצד שדות מגנטיים גרדיאנטים במים משפיעים על המבנים של יונים, מולקולות חלבון וגזים מומסים.
קסם מהעת העתיקה
חומר טבעי - מגנטיט - היה ידוע לאנושות לפני כמה אלפי שנים. באותה תקופה, עדיין לא היו ידועות כל התכונות של חומרים מגנטיים קשים, ולכן לא נעשה בהם שימוש במכשירים טכניים. ועדיין לא היו מכשירים טכניים. אף אחד לא ידע לעשות חישובים לפעולת מערכות מגנטיות. אבל ההשפעה על עצמים ביולוגיים כבר הבחינה. השימוש בחומרים מגנטיים קשים הלך תחילה אך ורק למטרות רפואיות, עד שהסינים המציאו את המצפן במאה השלישית לפני הספירה. עם זאת, הטיפול במגנט לא פסק עד היום, למרות שיש דיונים מתמידים על מזיקותן של שיטות כאלה. השימוש בחומרים מגנטיים קשים ברפואה בארה ב, סין ויפן פעיל במיוחד. וברוסיה יש חסידים של שיטות חלופיות, למרות שאי אפשר למדוד את גודל ההשפעה על הגוף או הצמח עם כל מכשיר.
אבל בחזרה להיסטוריה. באסיה הקטנה, לפני מאות שנים, העיר העתיקה מגנזיה כבר התקיימה על גדות הפיתול הזורם במלואו. והיום תוכלו לבקר בהריסותיו הציוריות בטורקיה. שם התגלתה עפרת הברזל המגנטית הראשונה, שנקראה על שמוערים. די מהר הוא התפשט בכל העולם, והסינים לפני חמשת אלפים שנה, בעזרתו, המציאו מכשיר ניווט שעדיין לא מת. כעת האנושות למדה לייצר מגנטים באופן מלאכותי בקנה מידה תעשייתי. הבסיס להם הם מגוון של פרומגנטים. לאוניברסיטת טרטו יש את המגנט הטבעי הגדול ביותר, המסוגל להרים כארבעים קילוגרמים, בעוד שהוא שוקל רק שלוש עשרה. האבקות של היום עשויות מקובלט, ברזל ותוספים שונים אחרים, הן מחזיקות המון פי חמש אלפים ממה שהן שוקלות.
לולאת היסטרזיס
ישנם שני סוגים של מגנטים מלאכותיים. הסוג הראשון הוא קבועים, העשויים מחומרים מגנטיים קשים, המאפיינים שלהם אינם קשורים בשום אופן למקורות או זרמים חיצוניים. הסוג השני הוא אלקטרומגנטים. יש להם ליבה העשויה מברזל - חומר רך מבחינה מגנטית, וזרם עובר דרך הפיתול של הליבה הזו, היוצר שדה מגנטי. כעת עלינו לשקול את עקרונות עבודתו. מאפיין את התכונות המגנטיות של לולאת ההיסטרזיס לחומרים מגנטיים קשים. ישנן טכנולוגיות מורכבות למדי לייצור מערכות מגנטיות, ולכן יש צורך במידע על מגנטיזציה, חדירות מגנטית ואיבוד אנרגיה כאשר מתרחש היפוך מגנטיזציה. אם השינוי בעוצמה הוא מחזורי, עקומת המגנטיזציה מחדש (שינויים באינדוקציה) תיראה תמיד כמו עקומה סגורה. זוהי לולאת ההיסטרזיס. אם השדה חלש, הלולאה דומה יותר לאליפסה.
כאשר המתחהשדה המגנטי גדל, מתקבלת סדרה שלמה של לולאות כאלה, סגורות זו בזו. בתהליך המגנטיזציה, כל הוקטורים מכוונים לאורך, ובסופו יגיע מצב של רוויה טכנית, החומר יתמגנט לחלוטין. הלולאה המתקבלת במהלך הרוויה נקראת לולאת הגבול, היא מציגה את הערך המרבי שהושג של האינדוקציה Bs (אינדוקציית רוויה). כאשר המתח יורד, נותרת השראה שיורית. שטח לולאות ההיסטרזיס במצב הגבול והביניים מציג את פיזור האנרגיה, כלומר, אובדן ההיסטרזיס. זה תלוי יותר מכל בתדר היפוך המגנטיזציה, בתכונות החומר ובמידות הגיאומטריות. לולאת ההיסטרזיס המגבילה יכולה לקבוע את המאפיינים הבאים של חומרים מגנטיים קשים: אינדוקציית רוויה Bs, אינדוקציה שיורית Bc וכוח הכפייה Hc.
עקומת מגנטיזציה
עקומה זו היא המאפיין החשוב ביותר, מכיוון שהיא מראה את התלות של המגנטיזציה ואת עוצמת השדה החיצוני. אינדוקציה מגנטית נמדדת בטסלה וקשורה למגנטיזציה. עקומת המיתוג היא העיקרית, היא המיקום של הפסגות על לולאות ההיסטרזיס, המתקבלות במהלך המגנטיזציה המחזורית. זה משקף את השינוי באינדוקציה המגנטית, שתלוי בעוצמת השדה. כאשר המעגל המגנטי סגור, עוצמת השדה המשתקפת בצורה של טורואיד שווה לעוצמת השדה החיצונית. אם המעגל המגנטי פתוח, מופיעים קטבים בקצוות המגנט, שיוצרים דה-מגנטיזציה. הבדל ביןהמתחים הללו קובעים את המתח הפנימי של החומר.
יש קטעים אופייניים בעקומה הראשית הבולטים כאשר גביש בודד של פרומגנט מתמגנט. החלק הראשון מציג את תהליך הזזת הגבולות של תחומים מכוונים לרעה, ובחלק השני, וקטורי המגנטיזציה פונים לכיוון השדה המגנטי החיצוני. החלק השלישי הוא הפרה-תהליך, השלב האחרון של המגנטיזציה, כאן השדה המגנטי חזק ומכוון. היישום של חומרים מגנטיים רכים וקשים תלוי במידה רבה במאפיינים המתקבלים מעקומת המגנטיזציה.
חדירות ואיבוד אנרגיה
כדי לאפיין התנהגות של חומר בשדה מתח, יש צורך להשתמש במושג כזה כמו חדירות מגנטית מוחלטת. ישנן הגדרות של דחף, דיפרנציאלי, מקסימום, ראשוני, חדירות מגנטית נורמלית. קרוב המשפחה מתחקה לאורך העקומה הראשית, ולכן לא נעשה שימוש בהגדרה זו - לשם הפשטות. חדירות מגנטית בתנאים שבהם H=0 נקראת ראשונית, וניתן לקבוע אותה רק בשדות חלשים, עד כ-0.1 יחידות. המקסימום, להיפך, מאפיין את החדירות המגנטית הגבוהה ביותר. הערכים הנורמליים והמקסימליים מספקים הזדמנות לראות את המהלך התקין של התהליך בכל מקרה ספציפי. באזור הרוויה בשדות חזקים, החדירות המגנטית תמיד נוטה לאחדות. כל הערכים הללו נחוצים לשימוש במגנטי קשיחחומרים, השתמש בהם תמיד.
איבוד אנרגיה במהלך היפוך מגנטיזציה הוא בלתי הפיך. חשמל משתחרר בחומר כחום, והפסדיו מורכבים מהפסדים דינמיים ומפסדי היסטרזיס. אלה האחרונים מתקבלים על ידי עקירת קירות התחום כאשר תהליך המגנטיזציה רק מתחיל. מכיוון שלחומר המגנטי יש מבנה לא הומוגני, אנרגיה מושקעת בהכרח על יישור קירות התחום. והפסדים דינמיים מתקבלים בקשר לזרמי מערבולת המתרחשים ברגע של שינוי החוזק והכיוון של השדה המגנטי. אנרגיה מתפזרת באותו אופן. וההפסדים עקב זרמי מערבולת עולים אפילו על הפסדי ההיסטרזיס בתדרים גבוהים. כמו כן, הפסדים דינמיים מתקבלים עקב שינויים שיוריים במצב השדה המגנטי לאחר שינוי העוצמה. כמות הפסדי ההשפעה תלויה בהרכב, בטיפול בחום של החומר, הם מופיעים במיוחד בתדרים גבוהים. ההשפעה שלאחר מכן היא הצמיגות המגנטית, וההפסדים האלה תמיד נלקחים בחשבון אם משתמשים בפרומגנטים במצב פעימות.
סיווג של חומרים מגנטיים קשיחים
המונחים המדברים על רכות וקשיות אינם חלים על תכונות מכניות כלל. חומרים קשים רבים הם למעשה רכים מגנטית, ומבחינה מכנית, חומרים רכים הם גם מגנטיים קשים למדי. תהליך המגנטיזציה בשתי קבוצות החומרים מתרחש באותו אופן. ראשית, גבולות התחום נעקרים, ואז הסיבוב מתחיל בבכיוון של שדה מתמגנט יותר ויותר, ולבסוף, הפרה-תהליך מתחיל. וכאן נכנס ההבדל. עקומת המגנטיזציה מראה שקל יותר להזיז את הגבולות, פחות אנרגיה מושקעת, אבל תהליך הסיבוב והפרה-תהליך הם יותר אנרגיה. חומרים מגנטיים רכים מתמגנטים על ידי תזוזה של גבולות. מגנטי קשיח - עקב סיבוב ופאה-תהליך.
צורת לולאת ההיסטרזיס זהה בערך לשתי קבוצות החומרים, גם הרוויה והאינדוקציה השיורית קרובה לשווים, אבל ההבדל קיים בכוח הכפייה, והוא גדול מאוד. לחומרים מגנטיים קשים יש Hc=800 kA-m, בעוד לחומרים מגנטיים רכים יש רק 0.4 A-m. בסך הכל, ההבדל הוא עצום: 2106 פעמים. לכן, על סמך מאפיינים אלו, אומצה חלוקה כזו. אמנם, יש להודות שזה די מותנה. חומרים מגנטיים רכים יכולים להרוות אפילו בשדה מגנטי חלש. הם משמשים בשדות בתדר נמוך. למשל בהתקני זיכרון מגנטיים. קשה למגנט חומרים מגנטיים קשים, אך הם שומרים על מגנט לאורך זמן רב. מהם מתקבלים מגנטים קבועים טובים. תחומי היישום של חומרים מגנטיים קשים הם רבים ונרחבים, חלקם מפורטים בתחילת המאמר. ישנה קבוצה נוספת - חומרים מגנטיים למטרות מיוחדות, היקפם צר מאוד.
פרטי קשיות
כפי שכבר הוזכר, לחומרים מגנטיים קשים יש לולאת היסטרזיס רחבה וכוח כפייה גדול, חדירות מגנטית נמוכה. הם מאופיינים באנרגיה המגנטית הספציפית המקסימלית הנפלטת פנימהמֶרחָב. וככל שהחומר המגנטי "קשה" יותר, חוזקו גבוה יותר, החדירות נמוכה יותר. האנרגיה המגנטית הספציפית מקבלת את התפקיד החשוב ביותר בהערכת איכות החומר. מגנט קבוע למעשה אינו נותן אנרגיה לחלל החיצון במעגל מגנטי סגור, מכיוון שכל קווי הכוח נמצאים בתוך הליבה, ואין שדה מגנטי מחוצה לה. על מנת להפיק את המרב מהאנרגיה של מגנטים קבועים, נוצר מרווח אוויר בגודל ותצורה מוגדרים בהחלט בתוך מעגל מגנטי סגור.
עם הזמן, המגנט "מזדקן", השטף המגנטי שלו פוחת. עם זאת, הזדקנות כזו יכולה להיות גם בלתי הפיכה וגם הפיכה. במקרה האחרון, הגורמים להזדקנותו הם זעזועים, זעזועים, תנודות טמפרטורה, שדות חיצוניים קבועים. האינדוקציה המגנטית מופחתת. אבל ניתן למגנט אותו שוב, ובכך לשחזר את תכונותיו המצוינות. אבל אם המגנט הקבוע עבר שינויים מבניים כלשהם, מגנטיזציה מחדש לא תעזור, ההזדקנות לא תבוטל. אבל הם משרתים במשך זמן רב, והמטרה של חומרים מגנטיים קשים היא גדולה. דוגמאות נמצאות ממש בכל מקום. זה לא רק מגנטים קבועים. זהו חומר לאחסון מידע, להקלטתו - גם קול, וגם דיגיטלי וגם וידאו. אבל האמור לעיל הוא רק חלק קטן מהיישום של חומרים מגנטיים קשים.
חומרים מגנטיים קשיחים יצוקים
לפי שיטת הייצור וההרכב, ניתן ליצוק חומרים מגנטיים קשים, אבקה ואחרים. הם מבוססים על סגסוגות.ברזל, ניקל, אלומיניום וברזל, ניקל, קובלט. הקומפוזיציות הללו הן הבסיסיות ביותר על מנת לקבל מגנט קבוע. הם שייכים לדיוק, שכן מספרם נקבע על ידי הגורמים הטכנולוגיים המחמירים ביותר. חומרים מגנטיים קשיחים יצוקים מתקבלים במהלך התקשות המשקעים של הסגסוגת, כאשר הקירור מתרחש בקצב מחושב מההתכה ועד תחילת הפירוק, המתרחש בשני שלבים.
הראשון - כאשר ההרכב קרוב לברזל טהור בעל תכונות מגנטיות בולטות. כאילו מופיעות לוחות בעובי תחום יחיד. והשלב השני קרוב יותר לתרכובת הבין מתכתית בהרכבה, שבה לניקל ולאלומיניום יש תכונות מגנטיות נמוכות. מסתבר שמערכת שבה השלב הלא מגנטי משולב עם תכלילים מגנטיים חזקים עם כוח כפייה גדול. אבל הסגסוגת הזו לא מספיק טובה בתכונות מגנטיות. הנפוץ ביותר הוא הרכב נוסף, סגסוגת: ברזל, ניקל, אלומיניום ונחושת עם קובלט לסגסוגת. לסגסוגות ללא קובלט יש תכונות מגנטיות נמוכות יותר, אבל הן הרבה יותר זולות.
חומרים מגנטיים קשים באבקה
חומרי אבקה משמשים למגנטים קבועים מיניאטוריים אך מורכבים. הם מתכת-קרמיקה, מתכת-פלסטיק, תחמוצת ומיקרו-אבקה. הצרמט טוב במיוחד. מבחינת מאפיינים מגנטיים, הוא די נחות מהיצוקים, אבל קצת יותר יקר מהם. מגנטים קרמיים-מתכתיים מיוצרים על ידי לחיצת אבקות מתכת ללא כל חומר קשירה וסינטרן בטמפרטורות גבוהות מאוד. משתמשים באבקותעם הסגסוגות המתוארות לעיל, כמו גם אלו המבוססות על פלטינה ומתכות אדמה נדירות.
במונחים של חוזק מכני, מתכות אבקה עדיפה על יציקה, אבל התכונות המגנטיות של מגנטים מתכת-קרמיים עדיין נמוכות במקצת מאלה של מגנטים יצוקים. למגנטים מבוססי פלטינה יש ערכי כוח כפייה גבוהים מאוד, והפרמטרים יציבים ביותר. לסגסוגות עם אורניום ומתכות אדמה נדירות יש ערכי שיא של אנרגיה מגנטית מקסימלית: ערך הגבול הוא 112 קילו-ג'יי למ ר. סגסוגות כאלה מתקבלות על ידי כבישה קרה של האבקה לדרגת הצפיפות הגבוהה ביותר, ואז הלבנים מסוננים בנוכחות שלב נוזלי ויציקה של הרכב רב רכיבים. אי אפשר לערבב את הרכיבים במידה כזו על ידי יציקה פשוטה.
חומרים מגנטיים קשיחים אחרים
חומרים מגנטיים קשים כוללים גם כאלה עם ייעוד מיוחד מאוד. אלו הם מגנטים אלסטיים, סגסוגות הניתנות לעיוות פלסטי, חומרים למנשאי מידע ומגנטים נוזליים. למגנטים הניתנים לעיוות יש תכונות פלסטיות מצוינות, הם מתאימים את עצמם בצורה מושלמת לכל סוג של עיבוד מכני - הטבעה, חיתוך, עיבוד שבבי. אבל המגנטים האלה יקרים. מגנטים של קוניף העשויים מנחושת, ניקל וברזל הם אניזוטרופיים, כלומר, הם ממוגנטים לכיוון הגלגול, הם משמשים בצורה של הטבעה וחוט. מגנטים של Vikalloy עשויים קובלט ונדיום עשויים בצורת סרט מגנטי בעל חוזק גבוה, כמו גם חוט. הרכב זה מתאים למגנטים קטנים מאוד עם התצורה המורכבת ביותר.
מגנטים אלסטיים - על בסיס גומי, שבהםחומר המילוי הוא אבקה דקה מחומר מגנטי קשיח. לרוב זה בריום פריט. שיטה זו מאפשרת לך להשיג מוצרים מכל צורה לחלוטין עם יכולת ייצור גבוהה. הם גם חתוכים בצורה מושלמת עם מספריים, מכופפים, מוטבעים, מעוותים. הם הרבה יותר זולים. גומי מגנטי משמש כיריעות זיכרון מגנטי למחשבים, בטלוויזיה, למערכות מתקנות. בתור נושאי מידע, חומרים מגנטיים עומדים בדרישות רבות. זוהי אינדוקציה שיורית ברמה גבוהה, השפעה קטנה של דה-מגנטיזציה עצמית (אחרת המידע יאבד), ערך גבוה של כוח הכפייה. וכדי להקל על תהליך מחיקת הרשומות, יש צורך בכמות קטנה בלבד מהכוח הזה, אבל הסתירה הזו מוסרת בעזרת הטכנולוגיה.
