Heute ist kaum noch eine technische Industrie zu finden, die ohne hartmagnetische Werkstoffe und Permanentmagnete auskommt. Dies sind Akustik und Funkelektronik und Computer und Messgeräte und Automatisierung und Wärme und Strom und elektrische Energie und Bauwesen und Metallurgie und jede Art von Transport und Landwirtschaft und Medizin und Erzverarbeitung und Sogar in der Küche von jedem gibt es einen Mikrowellenherd, der die Pizza aufwärmt. Es ist unmöglich alles aufzuzählen, magnetische Materialien begleiten uns auf Schritt und Tritt unseres Lebens. Und alle Produkte mit ihrer Hilfe arbeiten nach völlig unterschiedlichen Prinzipien: Motoren und Generatoren haben ihre eigenen Funktionen und Bremsgeräte haben ihre eigenen, der Separator macht eine Sache und der Fehlerdetektor eine andere. Wahrscheinlich gibt es keine vollständige Liste von technischen Geräten, in denen hartmagnetische Materialien verwendet werden, es gibt so viele davon.
Was sind Magnetsysteme
Unser Planet selbst ist ein außergewöhnlich gut geöltes Magnetsystem. Alle anderen sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut. Hartmagnetische Werkstoffe haben sehr unterschiedliche funktionelle Eigenschaften. In den Katalogen der Lieferanten sind nicht umsonst nicht nur deren Parameter angegeben, sondern auch physikalische Eigenschaften. Außerdem kann es sich um magnetisch harte und weichmagnetische Materialien handeln. Nehmen Sie zum Beispiel resonante Tomographen, bei denen Systeme mit einem sehr gleichmäßigen Magnetfeld verwendet werden, und vergleichen Sie sie mit Separatoren, bei denen das Feld stark inhomogen ist. Ganz anderes Prinzip! Es wurden Magnetsysteme beherrscht, bei denen das Feld ein- und ausgesch altet werden kann. So sind Griffe konstruiert. Und einige Systeme verändern sogar das Magnetfeld im Weltraum. Dies sind bekannte Klystrons und Wanderwellenlampen. Die Eigenschaften von weich- und hartmagnetischen Materialien sind wirklich magisch. Sie sind wie Katalysatoren, sie fungieren fast immer als Vermittler, aber ohne den geringsten Verlust ihrer eigenen Energie sind sie in der Lage, die eines anderen zu transformieren und eine Spezies in eine andere zu verwandeln.
Zum Beispiel wird beim Betrieb von Kupplungen, Trennern und dergleichen ein magnetischer Impuls in mechanische Energie umgewandelt. Mechanische Energie wird mit Hilfe von Magneten in elektrische Energie umgewandelt, wenn es sich um Mikrofone und Generatoren handelt. Und umgekehrt passiert! In Lautsprechern und Motoren wandeln Magnete zum Beispiel Strom in mechanische Energie um. Und das ist noch nicht alles. Sogar mechanische Energie kann in thermische Energie umgewandelt werden, ebenso wie das Magnetsystem beim Betrieb eines Mikrowellenofens oder in einem Bremsgerät. Sind in der Lagehartmagnetische und weichmagnetische Materialien und Spezialeffekte - in Hallsensoren, in Magnetresonanztomographen, in der Mikrowellenkommunikation. Sie können einen separaten Artikel über die katalytische Wirkung auf chemische Prozesse schreiben, wie Gradientenmagnetfelder in Wasser die Strukturen von Ionen, Proteinmolekülen und gelösten Gasen beeinflussen.
Zauber der Antike
Naturmaterial - Magnetit - war der Menschheit vor mehreren Jahrtausenden bekannt. Damals waren noch nicht alle Eigenschaften von hartmagnetischen Werkstoffen bekannt, weshalb sie in technischen Geräten noch nicht verwendet wurden. Und es gab noch keine technischen Geräte. Niemand wusste, wie man Berechnungen für den Betrieb von Magnetsystemen durchführt. Aber der Einfluss auf biologische Objekte wurde bereits bemerkt. Die Verwendung hartmagnetischer Materialien diente zunächst rein medizinischen Zwecken, bis die Chinesen im 3. Jahrhundert v. Chr. den Kompass erfanden. Die Behandlung mit einem Magneten hat sich jedoch bis heute nicht eingestellt, auch wenn immer wieder über die Schädlichkeit solcher Methoden diskutiert wird. Besonders aktiv ist die Verwendung hartmagnetischer Materialien in der Medizin in den USA, China und Japan. Und in Russland gibt es Anhänger alternativer Methoden, obwohl es unmöglich ist, das Ausmaß der Auswirkungen auf den Körper oder die Pflanze mit irgendeinem Instrument zu messen.
Aber zurück zur Geschichte. In Kleinasien existierte bereits vor vielen Jahrhunderten die antike Stadt Magnesia an den Ufern des vollfließenden Mäanders. Und heute können Sie seine malerischen Ruinen in der Türkei besuchen. Dort wurde das erste magnetische Eisenerz entdeckt, das nach ihm benannt wurdeStädte. Ziemlich schnell verbreitete es sich auf der ganzen Welt, und die Chinesen erfanden vor fünftausend Jahren mit seiner Hilfe ein Navigationsgerät, das bis heute nicht stirbt. Nun hat die Menschheit gelernt, Magnete im industriellen Maßstab künstlich herzustellen. Die Basis dafür sind eine Vielzahl von Ferromagneten. Die Universität Tartu hat den größten natürlichen Magneten, der etwa vierzig Kilogramm heben kann, während er selbst nur dreizehn wiegt. Die heutigen Pulver bestehen aus Kob alt, Eisen und verschiedenen anderen Zusätzen, sie h alten fünftausendmal mehr Lasten aus, als sie wiegen.
Hystereseschleife
Es gibt zwei Arten von künstlichen Magneten. Der erste Typ sind Konstanten, die aus hartmagnetischen Materialien bestehen, deren Eigenschaften in keiner Weise mit externen Quellen oder Strömen verbunden sind. Der zweite Typ sind Elektromagnete. Sie haben einen Kern aus Eisen - einem weichmagnetischen Material, und durch die Wicklung dieses Kerns fließt ein Strom, der ein Magnetfeld erzeugt. Jetzt müssen wir die Prinzipien seiner Arbeit betrachten. Charakterisiert die magnetischen Eigenschaften der Hystereseschleife für hartmagnetische Materialien. Es gibt ziemlich komplexe Technologien zur Herstellung von Magnetsystemen, und daher werden Informationen über Magnetisierung, magnetische Permeabilität und Energieverluste benötigt, wenn eine Magnetisierungsumkehr auftritt. Wenn die Intensitätsänderung zyklisch ist, sieht die Ummagnetisierungskurve (Induktionsänderung) immer wie eine geschlossene Kurve aus. Dies ist die Hystereseschleife. Wenn das Feld schwach ist, ähnelt die Schleife eher einer Ellipse.
Wenn die SpannungWenn das Magnetfeld zunimmt, entsteht eine ganze Reihe solcher Schleifen, die ineinander eingeschlossen sind. Bei der Magnetisierung sind alle Vektoren entlang ausgerichtet, und am Ende kommt ein Zustand der technischen Sättigung, das Material wird vollständig magnetisiert. Die während der Sättigung erh altene Schleife wird Grenzschleife genannt, sie zeigt den maximal erreichten Wert der Induktion Bs (Sättigungsinduktion). Wenn die Spannung abnimmt, bleibt eine Restinduktion bestehen. Der Bereich der Hystereseschleifen im Grenz- und Zwischenzustand zeigt die Energiedissipation, also den Hystereseverlust. Sie hängt vor allem von der Ummagnetisierungsfrequenz, Materialeigenschaften und geometrischen Abmessungen ab. Die begrenzende Hystereseschleife kann folgende Eigenschaften hartmagnetischer Materialien bestimmen: Sättigungsinduktion Bs, Restinduktion Bc und Koerzitivfeldstärke Hc.
Magnetisierungskurve
Diese Kurve ist das wichtigste Merkmal, denn sie zeigt die Abhängigkeit der Magnetisierung und der Stärke des äußeren Feldes. Die magnetische Induktion wird in Tesla gemessen und steht in Beziehung zur Magnetisierung. Die Sch altkurve ist die Hauptkurve, sie ist die Lage der Spitzen auf den Hystereseschleifen, die während der zyklischen Ummagnetisierung erh alten werden. Diese spiegelt die Änderung der magnetischen Induktion wider, die von der Feldstärke abhängt. Bei geschlossenem Magnetkreis ist die in Form eines Toroids reflektierte Feldstärke gleich der äußeren Feldstärke. Wenn der Magnetkreis geöffnet ist, erscheinen Pole an den Enden des Magneten, die eine Entmagnetisierung bewirken. Unterschied zwischendiese Spannungen bestimmen die Eigenspannung des Materials.
Es gibt charakteristische Abschnitte auf der Hauptkurve, die auffallen, wenn ein Einkristall eines Ferromagneten magnetisiert wird. Der erste Abschnitt zeigt den Prozess der Verschiebung der Grenzen ungünstig abgestimmter Domänen, und im zweiten drehen sich die Magnetisierungsvektoren zum äußeren Magnetfeld. Der dritte Abschnitt ist der Paraprozess, das Endstadium der Magnetisierung, hier ist das Magnetfeld stark und gerichtet. Die Anwendung weich- und hartmagnetischer Werkstoffe hängt stark von den aus der Magnetisierungskurve gewonnenen Kennwerten ab.
Durchlässigkeit und Energieverlust
Um das Verh alten eines Materials in einem Spannungsfeld zu charakterisieren, ist es notwendig, ein solches Konzept wie die absolute magnetische Permeabilität zu verwenden. Es gibt Definitionen für Impuls-, Differential-, Maximal-, Anfangs- und normale magnetische Permeabilität. Der Relative wird entlang der Hauptkurve verfolgt, daher wird diese Definition der Einfachheit halber nicht verwendet. Die magnetische Permeabilität unter Bedingungen, bei denen H=0 ist, wird als anfänglich bezeichnet und kann nur in schwachen Feldern bis zu ungefähr 0,1 Einheiten bestimmt werden. Das Maximum hingegen kennzeichnet die höchste magnetische Permeabilität. Die Normal- und Maximalwerte geben Gelegenheit, den normalen Ablauf des Prozesses im Einzelfall zu beobachten. Im Sättigungsbereich bei starken Feldern geht die magnetische Permeabilität immer gegen Eins. All diese Werte sind für den Einsatz von Hartmagneten notwendigMaterialien, immer verwenden.
Der Energieverlust während der Magnetisierungsumkehr ist irreversibel. Strom wird im Material als Wärme freigesetzt und seine Verluste setzen sich aus dynamischen Verlusten und Hystereseverlusten zusammen. Letztere werden durch Verschieben der Domänenwände erreicht, wenn der Magnetisierungsprozess gerade beginnt. Da das magnetische Material eine inhomogene Struktur aufweist, wird zwangsläufig Energie für die Ausrichtung der Domänenwände aufgewendet. Und dynamische Verluste werden in Verbindung mit Wirbelströmen erh alten, die im Moment der Änderung der Stärke und Richtung des Magnetfelds auftreten. Energie wird auf die gleiche Weise dissipiert. Und die Verluste durch Wirbelströme übersteigen sogar die Hystereseverluste bei hohen Frequenzen. Außerdem werden dynamische Verluste aufgrund von Reständerungen im Zustand des Magnetfelds erh alten, nachdem sich die Intensität geändert hat. Die Höhe der Nachwirkungsverluste hängt von der Zusammensetzung ab, von der Wärmebehandlung des Materials, sie treten besonders bei hohen Frequenzen auf. Der Nacheffekt ist die magnetische Viskosität, und diese Verluste werden immer berücksichtigt, wenn Ferromagnete im Pulsbetrieb verwendet werden.
Klassifizierung hartmagnetischer Werkstoffe
Die Begriffe, die von Weichheit und Härte sprechen, gelten überhaupt nicht für mechanische Eigenschaften. Viele harte Materialien sind eigentlich magnetisch weich, und aus mechanischer Sicht sind weiche Materialien auch ziemlich hartmagnetisch. Der Vorgang der Magnetisierung erfolgt in beiden Materialgruppen auf die gleiche Weise. Zuerst werden die Domänengrenzen verschoben, dann beginnt die Rotationin Richtung eines zunehmend magnetisierenden Feldes und schließlich beginnt der Paraprozess. Und hier kommt der Unterschied ins Spiel. Die Magnetisierungskurve zeigt, dass es einfacher ist, die Grenzen zu verschieben, weniger Energie verbraucht wird, aber der Rotationsprozess und der Paraprozess energieintensiver sind. Weichmagnetische Materialien werden durch Verschiebung von Grenzflächen magnetisiert. Hartmagnetisch - aufgrund von Rotation und Paraprozess.
Die Form der Hystereseschleife ist für beide Materialgruppen ungefähr gleich, Sättigung und Restinduktion sind ebenfalls nahezu gleich, aber der Unterschied besteht in der Koerzitivkraft und ist sehr groß. Hartmagnetische Materialien haben Hc=800 kA-m, während weichmagnetische Materialien nur 0,4 A-m haben. Insgesamt ist der Unterschied riesig: 2106 mal. Aus diesem Grund wurde auf der Grundlage dieser Merkmale eine solche Aufteilung vorgenommen. Es muss jedoch zugegeben werden, dass es eher bedingt ist. Weichmagnetische Materialien können sogar in einem schwachen Magnetfeld gesättigt werden. Sie werden in niederfrequenten Feldern eingesetzt. Beispielsweise in Magnetspeichergeräten. Hartmagnetische Materialien sind schwer zu magnetisieren, beh alten aber ihre Magnetisierung sehr lange bei. Aus ihnen werden gute Permanentmagnete erh alten. Die Anwendungsgebiete von hartmagnetischen Werkstoffen sind zahlreich und umfangreich, einige davon sind am Anfang des Artikels aufgeführt. Es gibt eine andere Gruppe - magnetische Materialien für spezielle Zwecke, deren Anwendungsbereich sehr eng ist.
Härteangaben
Wie bereits erwähnt, haben hartmagnetische Materialien eine breite Hystereseschleife und eine große Koerzitivkraft, eine geringe magnetische Permeabilität. Sie sind durch die maximal abgegebene spezifische magnetische Energie gekennzeichnetPlatz. Und je „härter“das magnetische Material, desto höher seine Festigkeit, desto geringer die Permeabilität. Die wichtigste Rolle bei der Beurteilung der Materialqualität kommt der spezifischen magnetischen Energie zu. Ein Permanentmagnet gibt bei geschlossenem Magnetkreis praktisch keine Energie an den Weltraum ab, da sich alle Kraftlinien innerhalb des Kerns befinden und außerhalb davon kein Magnetfeld vorhanden ist. Um die Energie von Permanentmagneten optimal zu nutzen, wird innerhalb eines geschlossenen Magnetkreises ein Luftsp alt von genau definierter Größe und Konfiguration erzeugt.
Mit der Zeit „ altert“der Magnet, sein magnetischer Fluss lässt nach. Eine solche Alterung kann jedoch sowohl irreversibel als auch reversibel sein. Im letzteren Fall sind die Ursachen für die Alterung Stöße, Erschütterungen, Temperaturschwankungen, ständige äußere Felder. Die magnetische Induktion wird reduziert. Es kann aber wieder magnetisiert werden und stellt so seine hervorragenden Eigenschaften wieder her. Hat der Dauermagnet aber bauliche Veränderungen erfahren, hilft eine Ummagnetisierung nicht, die Alterung wird nicht beseitigt. Aber sie dienen lange, und der Zweck hartmagnetischer Materialien ist groß. Beispiele sind buchstäblich überall. Es sind nicht nur Permanentmagnete. Dies ist ein Material zum Speichern von Informationen, um sie aufzuzeichnen - sowohl Ton als auch digital und Video. Aber das Obige ist nur ein kleiner Teil der Anwendung hartmagnetischer Materialien.
Hartmagnetische Gusswerkstoffe
Je nach Herstellungsverfahren und Zusammensetzung können hartmagnetische Materialien gegossen, pulverisiert und andere werden. Sie basieren auf Legierungen. Eisen, Nickel, Aluminium und Eisen, Nickel, Kob alt. Diese Zusammensetzungen sind die grundlegendsten, um einen Permanentmagneten zu erh alten. Sie gehören zur Präzision, da ihre Anzahl von strengsten technologischen Faktoren bestimmt wird. Gegossene hartmagnetische Werkstoffe werden beim Ausscheidungshärten der Legierung erh alten, wobei die Abkühlung mit einer berechneten Geschwindigkeit vom Schmelzen bis zum Beginn der Zersetzung erfolgt, die in zwei Phasen auftritt.
Die erste - wenn die Zusammensetzung reinem Eisen mit ausgeprägten magnetischen Eigenschaften nahe kommt. Als ob Platten mit Einzeldomänendicke erscheinen. Und die zweite Phase ist in der Zusammensetzung näher an der intermetallischen Verbindung, wo Nickel und Aluminium geringe magnetische Eigenschaften haben. Es stellt sich ein System heraus, bei dem die nichtmagnetische Phase mit stark magnetischen Einschlüssen mit großer Koerzitivkraft kombiniert ist. Aber diese Legierung ist hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften nicht gut genug. Am gebräuchlichsten ist eine andere Zusammensetzung, legiert: Eisen, Nickel, Aluminium und Kupfer mit Kob alt zum Legieren. Kob altfreie Legierungen haben geringere magnetische Eigenschaften, sind aber viel billiger.
Hartmagnetische Pulvermaterialien
Pulvermaterialien werden für winzige, aber komplexe Permanentmagnete verwendet. Sie sind Metall-Keramik, Metall-Kunststoff, Oxid und Mikropulver. Das Cermet ist besonders gut. In Bezug auf die magnetischen Eigenschaften ist es den gegossenen um einiges unterlegen, aber etwas teurer als diese. Keramik-Metall-Magnete werden hergestellt, indem Metallpulver ohne Bindemittel gepresst und bei sehr hohen Temperaturen gesintert werden. Es werden Pulver verwendetmit den oben beschriebenen Legierungen sowie solchen auf Basis von Platin und Seltenerdmetallen.
Pulvermetallurgie ist dem Guss hinsichtlich der mechanischen Festigkeit überlegen, aber die magnetischen Eigenschaften von metallkeramischen Magneten sind immer noch etwas geringer als die von gegossenen. Magnete auf Platinbasis haben sehr hohe Koerzitivkraftwerte und die Parameter sind sehr stabil. Legierungen mit Uran und Seltenerdmetallen haben Rekordwerte der maximalen magnetischen Energie: Der Grenzwert liegt bei 112 kJ pro Quadratmeter. Solche Legierungen werden durch K altpressen des Pulvers auf den höchsten Dichtegrad erh alten, dann werden die Briketts in Gegenwart einer flüssigen Phase gesintert und eine Mehrkomponentenzusammensetzung gegossen. Es ist unmöglich, die Komponenten durch einfaches Gießen derart zu vermischen.
Andere hartmagnetische Materialien
Zu den hartmagnetischen Werkstoffen gehören auch solche mit einem hochspezialisierten Zweck. Dies sind elastische Magnete, plastisch verformbare Legierungen, Materialien für Informationsträger und Flüssigmagnete. Verformbare Magnete haben hervorragende plastische Eigenschaften, sie eignen sich perfekt für jede Art von mechanischer Bearbeitung - Stanzen, Schneiden, Bearbeiten. Aber diese Magnete sind teuer. Kunife-Magnete aus Kupfer, Nickel und Eisen sind anisotrop, dh sie werden in Walzrichtung magnetisiert, sie werden in Form von Stanz- und Draht verwendet. Vikalloy-Magnete aus Kob alt und Vanadium werden in Form eines hochfesten Magnetbandes sowie als Draht hergestellt. Diese Zusammensetzung ist gut für sehr kleine Magnete mit der komplexesten Konfiguration.
Elastische Magnete - auf Gummibasis, in denenDer Füllstoff ist ein feines Pulver aus einem hartmagnetischen Material. Meistens ist es Bariumferrit. Mit dieser Methode können Sie Produkte in absolut jeder Form mit hoher Herstellbarkeit erh alten. Sie werden auch perfekt mit der Schere geschnitten, gebogen, gestanzt, gedreht. Sie sind viel billiger. Magnetkautschuk wird als magnetischer Speicher für Computer, im Fernsehen und für Korrektursysteme verwendet. Als Informationsträger erfüllen magnetische Materialien viele Anforderungen. Dies ist eine hohe Restinduktion, ein kleiner Effekt der Selbstentmagnetisierung (andernfalls geht die Information verloren), ein hoher Wert der Koerzitivkraft. Und um den Prozess des Löschens von Aufzeichnungen zu erleichtern, wird nur ein kleiner Teil dieser Kraft benötigt, aber dieser Widerspruch wird mit Hilfe der Technologie beseitigt.
