Каждый держал в руках магнит и забавлялся им в детстве. Магниты могут быть самыми разными по форме, размерам, но все магниты имеют общее свойство - они притягивают железо. Похоже, что они и сами сделаны из железа, во всяком случае, из какого-то металла точно. Есть, однако, и «черные магниты» или «камни», они тоже сильно притягивают железки, и особенно друг друга.
Но на металл они не похожи, легко бьются, как стеклянные. В хозяйстве магнитам находится множество полезных дел, например, удобно с их помощью «пришпиливать» бумажные листы к железным поверхностям. Магнитом удобно собирать потерянные иголки, так что, как мы видим, это совсем небесполезная вещь.
Наука 2.0 - Большой скачок - Магниты
Магнит в прошлом
Ещё древние китайцы более 2000 лет назад знали о магнитах, по крайней мере то, что это явление можно использовать для выбора направления при путешествиях. То есть придумали компас. Философы в древней Греции, люди любопытные, собирая различные удивительные факты, столкнулись с магнитами в окрестностях города Магнесса в Малой Азии. Там и обнаружили странные камни, которые могли притягивать железо. По тем временам, это было не менее удивительным, чем могли бы стать в наше время инопланетяне.
Еще более удивительным казалось, что магниты притягивают далеко не все металлы, а только железо, и само железо способно становиться магнитом, хотя и не таким сильным. Можно сказать, что магнит притягивал не только железо, но и любопытство ученых, и сильно двигал вперед такую науку, как физика. Фалес из Милета писал о «душе магнита», а римлянин Тит Лукреций Кар – о «бушующем движении железных опилок и колец», в своем сочинении «О природе вещей». Уже он мог заметить наличие двух полюсов у магнита, которые потом, когда компасом начали пользоваться моряки, получили названия в честь сторон света.
Что такое магнит. Простыми словами. Магнитное поле
За магнит взялись всерьез
Природу магнитов долгое время не могли объяснить. С помощью магнитов открывали новые континенты (моряки до сих пор относятся к компасу с огромным уважением), но о самой природе магнетизма по прежнему никто ничего не знал. Работы велись только по усовершенствованию компаса, чем занимался еще географ и мореплаватель Христофор Колумб.
В 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед сделал важнейшее открытие. Он установил действие провода с электрическим током на магнитную стрелку, и как ученый, выяснил опытами как это происходит в разных условиях. В том же году французский физик Анри Ампер выступил с гипотезой об элементарных круговых токах, протекающих в молекулах магнитного вещества. В 1831-ом году англичанин Майкл Фарадей с помощью катушки из изолированного провода и магнита проводит опыты, показывающие, что механическую работу можно превратить в электрический ток. Он же устанавливает закон электромагнитной индукции и вводит в обращение понятие «магнитное поле».
Закон Фарадея устанавливает правило: для замкнутого контура электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. На этом принципе работают все электрические машины - генераторы, электродвигатели, трансформаторы.
В 1873 году шотландский ученый Джеймс К. Максвелл сводит магнитные и электрические явления в одну теорию, классическую электродинамику.
Вещества, способные намагничиваться, получили название ферромагнетиков. Это название связывает магниты с железом, но кроме него, способность к намагничиванию обнаруживается еще у никеля, кобальта, и некоторых других металлов. Поскольку магнитное поле уже перешло в область практического использования, то и магнитные материалы стали предметом большого внимания.
Начались эксперименты со сплавами из магнитных металлов и различными добавками в них. Стоили получаемые материалы очень дорого, и если бы Вернеру Сименсу не пришла в голову идея заменить магнит сталью, намагничиваемой сравнительно небольшим током, то мир так бы и не увидел электрического трамвая и компании Siemens. Сименс занимался еще телеграфными аппаратами, но тут у него было много конкурентов, а электрический трамвай дал фирме много денег, и в конечном счете, потянул за собой все остальное.
Электромагнитная индукция
Основные величины, связанные с магнитами в технике
Мы будем интересоваться в основном магнитами, то есть ферромагнетиками, и оставим немного в стороне остальную, очень обширную область магнитных (лучше сказать, электромагнитных, в память о Максвелле) явлений. Единицами измерений у нас будут те, которые приняты в СИ (килограмм, метр, секунда, ампер) и их производные:
l Напряженность поля , H, А/м (ампер на метр).
Эта величина характеризует напряженность поля между параллельными проводниками, расстояние между которыми 1 м, и протекающий по ним ток 1 А. Напряженность поля является векторной величиной.
l Магнитная индукция , B, Тесла, плотность магнитного потока (Вебер/м.кв.)
Эта отношение тока через проводник к длине окружности, на том радиусе, на котором нас интересует величина индукции. Окружность лежит в плоскости, которую провод пересекает перпендикулярно. Сюда входит еще множитель, называемый магнитной проницаемостью. Это векторная величина. Если мысленно смотреть в торец провода и считать, что ток течет в направлении от нас, то магнитные силовые окружности «вращаются» по часовой стрелке, а вектор индукции приложен к касательной и совпадает с ними по направлению.
l Магнитная проницаемость , μ (относительная величина)
Если принять магнитную проницаемость вакуума за 1, то для остальных материалов мы получим соответствующие величины. Так, например, для воздуха мы получим величину, практически такую же как и для вакуума. Для железа мы получим существенно большие величины, так что можно образно (и весьма точно) говорить, что железо «втягивает» в себя силовые магнитные линии. Если напряженность поля в катушке без сердечника будет равняться H, то с сердечником мы получаем μH.
l Коэрцитивная сила , А/м.
Коэрцитивная сила показывает, насколько магнитный материал сопротивляется размагничиванию и перемагничиванию. Если ток в катушке совсем убрать, то в сердечнике будет остаточная индукция. Чтобы сделать ее равной нулю, нужно создать поле некоторой напряженности, но обратной, то есть пустить ток в обратном направлении. Эта напряженность и называется коэрцитивной силой.
Поскольку магниты на практике всегда используются в какой-то связи с электричеством, то не стоит удивляться тому, что для описания их свойств используется такая электрическая величина, как ампер.
Из сказанного следует возможность, например, гвоздю, на который подействовали магнитом, самому стать магнитом, хотя и более слабым. На практике выходит, что даже дети, забавляющиеся магнитами, об этом знают.
К магнитам в технике предъявляют разные требования, в зависимости от того, куда идут эти материалы. Ферромагнитные материалы делятся на «мягкие» и «жесткие». Первые идут на изготовление сердечников для приборов, где магнитный поток постоянный или переменный. Хорошего самостоятельного магнита из мягких материалов не сделаешь. Они слишком легко размагничиваются и здесь это как раз их ценное свойство, поскольку реле должно «отпустить» если ток выключен, а электрический мотор не должен греться - на перемагничивание расходуется лишняя энергия, которая выделяется в форме тепла.
КАК ВЫГЛЯДИТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НА САМОМ ДЕЛЕ? Игорь Белецкий
Постоянные магниты, то есть те, которые магнитами и называют, требуют для своего изготовления жестких материалов. Жесткость имеется в виду магнитная, то есть большая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила, поскольку, как мы видели, эти величины тесно связаны между собой. На такие магниты идут углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали. Их коэрцитивная сила достигает значений около 6500 А/м.
Есть особые сплавы, которые называются альни, альниси, альнико и множество других, как можно догадаться в них входят алюминий, никель, кремний, кобальт в разных сочетаниях, которые обладают большей коэрцитивной силой - до 20000…60000 А/м. Такой магнит не так-то просто оторвать от железа.
Есть магниты, специально предназначенные для работы на повышенной частоте. Это многим известный «круглый магнит». Его «добывают» из негодного динамика из колонки музыкального центра, или автомагнитолы или даже телевизора прошлых лет. Этот магнит изготовлен путем спекания окислов железа и специальных добавок. Такой материал называется ферритом, но не каждый феррит специально так намагничивается. А в динамиках его применяют из соображений уменьшения бесполезных потерь.
Магниты. Discovery. Как это работает?
Что происходит внутри магнита?
Благодаря тому, что атомы вещества являются своеобразными «сгустками» электричества, они могут создавать свое магнитное поле, но только у некоторых металлов, имеющих сходное атомное строение, эта способность выражена очень сильно. И железо, и кобальт, и никель стоят в периодической системе Менделеева рядом, и имеют похожие строения электронных оболочек, которое превращает атомы этих элементов в микроскопические магниты.
Поскольку металлы можно назвать застывшей смесью различных кристаллов очень маленького размера, то понятно, что магнитных свойств у таких сплавов может быть очень много. Многие группы атомов могут «разворачивать» свои собственные магниты под влиянием соседей и внешних полей. Такие «сообщества» называются магнитными доменами, и образуют весьма причудливые структуры, которые до сих пор с интересом изучаются физиками. Это имеет большое практическое значение.
Как уже говорилось, магниты могут иметь почти атомные размеры, поэтому наименьший размер магнитного домена ограничивается размером кристалла, в который встроены атомы магнитного металла. Этим объясняется, например, почти фантастическая плотность записи на современные жесткие диски компьютеров, которая, видимо, еще будет расти, пока у дисков не появятся конкуренты посерьезнее.
Гравитация, магнетизм и электричество
Где применяются магниты?
Сердечники которых являются магнитами из магнитов, хотя обычно их называют просто сердечниками, магниты находят еще множество применений. Есть канцелярские магниты, магниты для защелкивания мебельных дверей, магниты в шахматах для путешественников. Это известные всем магниты.
К более редким видам относятся магниты для ускорителей заряженных частиц, это очень внушительные сооружения, которые могут весить десятки тонн и больше. Хотя сейчас экспериментальная физика поросла травой, за исключением той части, которая тут же приносит сверхприбыли на рынке, а сама почти ничего не стоит.
Еще один любопытный магнит установлен в медицинском навороченном приборе, который называется магнитно-резонансным томографом. (Вообще-то метод называется ЯМР, ядерный магнитный резонанс, но чтобы не пугать народ, который в массе не силен в физике, его переименовали.) Для прибора требуется помещение наблюдаемого объекта (пациента) в сильное магнитное поле, и соответствующий магнит имеет устрашающие размеры и форму дьявольского гроба.
Человека кладут на кушетку, и прокатывают через тоннель в этом магните, пока датчики сканируют место, интересующее врачей. В общем, ничего страшного, но у некоторых клаустрофобия доходит до степени паники. Такие охотно дадут себя резать живьем, но не согласятся на обследование МРТ. Впрочем, кто знает, как человек чувствует себя в необычно сильном магнитном поле с индукцией до 3 Тесла, после того, как заплатил за это хорошие деньги.
Чтобы получить такое сильное поле, часто используют сверхпроводимость, охлаждая катушку магнита жидким водородом. Это дает возможность «накачивать» поле без опасений, что нагрев проводов сильным током ограничит возможности магнита. Это совсем недешевая установка. Но магниты из специальных сплавов, которые не требуют подмагничивания током, стоят значительно дороже.
Наша Земля тоже является большим, хотя и не очень сильным магнитом. Он помогает не только владельцам магнитного компаса, но и спасает нас от гибели. Без него мы были бы убиты солнечной радиацией. Картина магнитного поля Земли, смоделированная компьютерами по данным наблюдений из космоса выглядит очень внушительно.
Вот небольшой ответ на вопрос, о том, что такое магнит в физике и технике.
Дома, на работе, в собственном авто или в общественном транспорте нас окружают разнообразные типы магнитов. Они обеспечивают работу моторов, датчиков, микрофонов и многих других привычных вещей. При этом в каждой сфере используются различные по своим характеристикам и особенностям устройства. В целом выделяют такие типы магнитов:
Какие бывают магниты
Электромагниты. Конструкция таких изделий состоит из железного сердечника, на который намотаны витки провода. Подавая электрический ток с различными параметрами величины и направленности, удается получать магнитные поля нужной силы и полярности.
Название этой группы магнитов представляет собой аббревиатуру названий своих составляющих: алюминий, никель и кобальт. Главное преимущество сплава альнико состоит в непревзойденной температурной устойчивости материала. Другие виды магнитов не могут похвастаться наличием возможности применения при температурах до +550 ⁰ С. В то же время этот легкий материал характеризуется слабой коэрцитивной силой. Это означает, что он может полностью размагничиваться при воздействии сильного внешнего магнитного поля. В то же время благодаря своей доступной цене альнико является незаменимым решением во многих научных и промышленных отраслях.
Современная магнитная продукция
Итак, со сплавами разобрались. Теперь перейдем к тому, какие бывают магниты и какое применение им найти в быту. На самом деле существует огромное разнообразие вариантов подобной продукции:
3) Офисные магниты. Для презентаций и планерок используются магнитные доски, которые позволяют наглядно и детально представить любую информацию. Также они оказываются крайне полезны в школьных кабинетах и аудиториях университетов.
Где в древности были открыты залежи магнетита .
Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон . Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них . С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).
Вебер - магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре сопротивлением 1 ом проходит количество электричества 1 кулон .
Генри - международная единица индуктивности и взаимной индукции. Если проводник обладает индуктивностью в 1 Гн и ток в нём равномерно изменяется на 1 А в секунду, то на его концах индуктируется ЭДС в 1 вольт. 1 генри = 1,00052 · 10 9 абсолютных электромагнитных единиц индуктивности.
Тесла - единица измерения индукции магнитного поля в СИ, численно равная индукции такого однородного магнитного поля, в котором на 1 метр длины прямого проводника, перпендикулярного вектору магнитной индукции, с током силой 1 ампер действует сила 1 ньютон.
Использование магнитов
- Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты . Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жёстких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.
- Кредитные , дебетовые , и ATM карты - все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.
- Обычные телевизоры и компьютерные мониторы : телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК-дисплеи используют другие технологии.
- Громкоговорители и микрофоны : большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку , прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.
- Другой пример использования магнитов в звукотехнике - в головке звукоснимателя электрофона и в кассетных диктофонах в качестве экономичной стирающей головки.
Магнитный сепаратор тяжёлых минералов
- Электродвигатели и генераторы : некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.
- Трансформаторы : устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.
- Магниты используются в поляризованных реле . Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.
- Компасы : компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.
- Искусство : виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.
Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами
Магниты редкоземельных элементов яйцеобразной формы, которые притягиваются друг к другу
- Игрушки : Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.
- Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застёжку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин.
- Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвертки специально намагничиваются для этой цели.
- Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированных с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.
- Маглев : поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является лишь сила аэродинамического сопротивления.
- Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.
- Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.
- Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка». Таким же образом в бытовых счётчиках расхода воды передаётся вращение от лопаток датчика на счётный узел.
- Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.
- Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.
- Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.
- Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)
- Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах .
- Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.
- Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.
- Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.
- До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя» . Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.
- Магниты применяются в конструкциях бесконтактных тормозов состоящих из двух пластин, одна - магнит, а другая из алюминия. Одна из них жёстко закреплена на раме, другая вращается с валом. Торможение регулируется зазором между ними.
Игрушки из магнитов
- Uberorbs
- Магнитный конструктор
- Магнитная доска для рисования
- Магнитные буквы и цифры
- Магнитные шашки и шахматы
Медицина и вопросы безопасности
Из-за того, что человеческие ткани имеют очень низкий уровень восприимчивости к статическому магнитному полю , не существует научных доказательств его эффективности для использования в лечении любых заболеваний . По той же причине отсутствуют научные свидетельства опасности для здоровья человека, связанной с воздействием этого поля. Однако если ферромагнитное инородное тело находится в человеческих тканях, магнитное поле будет взаимодействовать с ним, что может представлять собой серьёзную опасность .
Намагничивание
Размагничивание
Иногда намагниченность материалов становится нежелательной и возникает необходимость в их размагничивании. Размагничивание материалов достигается различными способами:
- нагревание магнита выше температуры Кюри всегда ведёт к размагничиванию;
- поместить магнит в переменное магнитное поле, превышающее коэрцитивную силу материала, а затем постепенно уменьшать воздействие магнитного поля или вывести магнит из него.
Последний способ применяется в промышленности для размагничивания инструментов , жёстких дисков , стирания информации на магнитных карточках и так далее.
Частичное размагничивание материалов происходит в результате ударов, так как резкое механическое воздействие ведёт к разупорядочению доменов.
Примечания
Литература
- Савельев И. В. Курс общей физики. - М .: Наука , 1998. - Т. 3. - 336 с. - ISBN 9785020150003
См. также
| Портал |
Для создания элементов и устройств систем управления и автоматики используются магнитные материал ы, в которых, главным образом, выставляют такие требования:
1.Материал должен легко намагничиваться под действием постоянного поля или однополярного импульса поля и легко перемагничиваются в переменном поле, есть петля гистерезиса должна быть достаточно узкой с малым значением Н С и большим значением m. Такие требования позволяют повысить чувствительность электромагнитных элементов.
2.Материалы должен иметь большое значение индукции насыщения В S, т.е. обеспечивать проникновение большого магнитного потока в сердечник с соответствующим поперечным сечением. Выполнение такого требования позволяет получить наименьшие габариты и массу устройства, а если заданы габариты — то наибольшую мощность или напряжение на выходе устройства.
3.Пид работе в переменном магнитном поле в материале должны быть наименьшие затраты, которые образуют вихревые токи, магнитная вязкость и гистерезис, потому что они определяют рабочую температуру сердечника и устройства. Их снижение не только повышает КПД устройства, а также позволяет создать элементы, которые работают на повышенных частотах (400, 500, 1000 Гц и более) и имеют значительно большее быстродействие и меньшие габариты и массу, чем элементы, которые питаются напряжением промышленной частоты 50 Гц.
Кроме перечисленных основных требований к магнитных материалов, используемых в тех или других электромагнитных устройствах, выставляют специфические требования.
Так, для улучшения температурной стабильности (неизменности магнитных свойств при изменении температуры окружающей среды) важно, чтобы точка Кюри материала была как можно выше.
Чем ближе к единице коэффициент прямоугольности материала, тем линейная зависимость выходного сигнала от входного, тем легче распознаются сигналы в цифровых устройствах.
Ярко обнаружена магнитная анизотропия повышает качество устройств на тонких магнитных пленках, а высокая чистота кристаллической структуры материала является необходимым условием создания устройств на цилиндрических магнитных доменах.
Магнитные материалы можно разделить на магнитно-твердые , для которых напряженность Н с составляет десятки и сотни ампер на сантиметр и магнитно-мягкие с напряженностью Н с в десятые и сотые доли ампера на сантиметр. Магнитно-твердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, магнитно-мягкие — для изготовления элементов, в которых поле создается токами, проходящими по обмотках.
Для создания элементов и устройств СУА применяют, главным образом, магнитно-мягкие материалы . Магнитно-твердые порошковые материалы входят в феролакы, которыми покрывают магнитные ленты и диски.
Магнитно-мягкие материалы, можно разделить на три группы: электротехнические стали, сплавы на основе железа с другими металлами (никель, кобальт, алюминий) и ферриты (неметаллические ферромагнетики).
Электротехнические стали наиболее дешевые материалы, имеющие большие индукции насыщения (порядка 1,8 … 2,3 Тл), и это позволяет создавать из них компактные и дешевые электромагнитные элементы. Но из-за относительно большой (по сравнению с железоникелевых сплавами) коэрцитивная силу электротехнической стали (порядка 0,1 ¸ 0,5 А / см) чувствительность стальных элементов к изменениям внешнего поля, которое образуется обмотками, невелика.
Зализоникелевые сплавы (пермаллоя) дороже стальных в 15-20 раз, имеют меньшую индукцию насыщения, но позволяют получать высокочувствительные магнитные элементы за счет малой коэрцитивной силы и высокой начальной магнитной проницаемости. Зализоникелеви сплавы изготовляют в виде листов или лент. Толщина ленты иногда достигает нескольких микрометров.
Зализоалюминиевые сплавы 16ЮХ и 16ЮМ, которые содержат в своем составе 16% алюминия, по магнитным свойствам не уступают пермаллой, но имеют повышенную (10 … 20 раз больше, чем в пермаллой) износостойкость. Их широко применяют для изготовления магнитных головок в устройствах магнитной записи, где в процессе работы головка непрерывно трется о поверхность ленты.
Ферриты — это неметаллические магнитные материалы (твердые растворы), изготовленные из смеси оксидов железа с оксидами магния, меди, марганца, никеля и других металлов. Общая формула ферритов имеет вид МеO × Fе2 Оз, где Me — любой металл.
Оксиды измельчают на маленькие куски и смешивают в определенной пропорции. Магнитопроводы необходимых размеров и конфигураций прессуют из полученной смеси при давлении 10-30 кН / см 2 (1-3 т / см 2) и выжигают при температуре 1200-1400 ° С. Готовые магнитопроводы серо-черного цвета имеют высокую твердость, но довольно хрупкие. Обмотки обычно наматывают без непосредственно на ферритовые магнитопроводы без дополнительной изоляции последних. Удельный
электрическое сопротивление ферритов в миллионы раз больше чем у металлических ферромагнетиков, что практически устраняет вихревые токи. Это позволяет перемагничиные ферриты с частотой в сотни килогерц и обеспечивать высокую скорость выполнения операций современных управляющих и вычислительных машин. Наиболее распространенные магниево-марганцевые ферриты марок ВТ (1.3ВТ, 0,16 ВТ и др.).. Они имеют относительно низкую точку Кюри (140 — 300 ° С), что обусловливает значительную изменение их магнитных параметров при нагревании. Ферриты на базе лития, с точкой Кюри 630 ° С, имеют значительно лучшие температурные характеристики. Для магнитопроводов цифровых устройств широко применяют бифериты, есть ферриты с двумя металлами, например магниево-марганцевые или литий-натриевые ферриты, а также полифериты, которые являются твердыми растворами трех и более ферритов.
Магнитно-твердые материалы. Магнитно-твердые материалы, как уже отмечалось, применяют:
— Для изготовления постоянных магнитов;
— Для записи информации (например, для звукозаписи).
При оценке свойств магнитно-твердых материалов могут оказаться существенными механические свойства (прочность), обрабатываемость материала в процессе производства, а также плотность, удельное электрическое сопротивление, и др.. Особенно важно в некоторых случаях стабильности магнитных свойств.
Важнейшими материалами для постоянных магнитов являются сплавы Fe-Ni-Al. Большую роль в образовании высококоэрцитивной состояния этих сплавов играет механизм дисперсионного твердения.
Такие материалы имеют большое значение коэрцитивной силы, потому что их намагничивания происходит в основном за счет процессов вращения.
Сплавы Fe-Ni-Al без легирующих элементов не применяют из-за их сравнительно низкие магнитные свойства. Наиболее распространенными являются сплавы, легированные медью и кобальтом. Висококобальтови сплавы, содержащие более 15% Co, как правило, используют с магнитной или с магнитной и кристаллической текстурой.
Магнитная текстура является результатом термомагнитного обработки, которая заключается в охлаждении в магнитном поле напряженностью 160-280 кА / м сплава от высоких температур (1250-1300 0 С) до примерно 500 0 С. При этом рост магнитных характеристик происходит только в направлении действия поля, т.е. материал становится магнитно-анизотропными.
Дальнейшее существенное повышение магнитных свойств сплавов Fe-Ni-Al-(Co) возможно созданием магнитов из макроструктурой в виде столбчатых кристаллов. Кристаллическую структуру получают в процессе особых условий охлаждения сплава.
Приведем краткие рекомендации по выбору марок сплавов. Безкобальтови сплавы (ЮНД и др.). Есть дешевые, их свойства относительно низкие. Сплавы ЮНДК15 и ЮНДК18 применяют, когда требуются относительно высокие магнитные свойства и материал не должен иметь магнитную анизотропию. Сплавы, содержащие 24% Со (ЮН13ДК24 и др.)., Имеют высокие магнитные свойства в направлении магнитной текстуры, хорошо технологически освоены и имеют широкое применение.
Сплавы с направленной кристаллизацией, например ЮН13ДК25БА, и др.., Имеющих наибольшую W max и, следовательно, могут обеспечить наименьшие массу и габариты магнитных систем.
В тех случаях, когда система разомкнутая, применяют сплавы с наиболее высокой Н с, например титанистий сплав ЮНДК35Т5.
Сплавы с монокристалевой структурой (ЮНДК35Т5АА и ЮНДК40Т8АА) по сравнению со сплавами с направленной кристаллизацией имеют следующие преимущества: более высокие магнитные свойства за счет дальнейшего совершенствования структуры, наличие трех взаимно перпендикулярных направлений, в которых свойства оптимальны; лучшие механические свойства.
Основные недостатки сплавов Fe-Ni-Al-(Co) — плохие механические свойства (высокие твердость и хрупкость), что значительно усложняет их механическую обработку.
Магниты из порошков. Магниты, которые получают методами порошковой металлургии, можно разделить на металлокерамические, металопластични и оксидные.
Для первых двух групп физические процессы образования высококоэрцитивной состояния зависят от тех же причин, что и для монолитных магнитов, для двух других групп необходимым условием получения высококоэрцитивной свойств является измельченный до определенной степени дисперсии состояние, которому соответствует однодоменна структура.
Металлокерамические магниты получают из металлических порошков прессованием их без материала, что их связывает, и спеканием при высокой температуре. По магнитным свойствам они лишь немного уступают литым магнитам, но дороже остальных.
Металопластичные магниты производят, как металлокерамические, из металлических порошков, но прессуют их вместе с изолирующей связкой и подвергают нагреву до невысокой температуры, необходимой для полимеризации вещества, что их связывает. По сравнению с отлитыми магнитами они снижены магнитные свойства, но имеют большой электрическое сопротивление, малый плотностью и относительно дешевы.
Среди окислительных магнитов практическое значение имеют магниты на основе ферритов бария и кобальта.
Бариевые магниты. Промышленность выпускает две группы бариевых магнитов: изотропные (БИ) и анизотропные (БА).
Бариевые магниты по сравнению с отлитыми имеют очень большую коэрцитивная силу и малый остаточную индукцию. Удельное электрическое сопротивление r бариевых магнитов в миллионы раз выше, чем r металлических материалов, что позволяет использовать бариевые магниты в магнитных цепях, которые подвергаются воздействию полей высокой частоты. Бариевые магниты не содержат дефицитных и дорогих материалов, они примерно в 10 раз дешевле чем магниты с ЮНДК24.
К недостаткам бариевых магнитов следует отнести плохие механические свойства (высокие хрупкость и твердость) и, самое главное, большую зависимость магнитных свойств от температуры. Температурный коэффициент остаточной магнитной индукции ТК В r бариевых магнитов примерно в 10 раз больше, чем ТК B r литых магнитов. Кроме того, бариевые магниты имеют необратимость свойств при охлаждении, т.е. имеют более высокую температурную стабильность, чем бариевые. Однако и они имеют температурный гистерезис, но он появляется не в области отрицательных температур, как в бариевых магнитов, а при положительных температурах (при нагревании свыше 80 ° С).
Другие материалы для постоянных магнитов.
Мартенситные стали. Мартенсит называют вид микроструктуры стали, получаемой при ее закалке. Образование мартенсита сопровождается значительными объемными изменениями, созданием большого внутреннего напряжения решетки и возникновением больших значений коэрцитивной силы.
Мартенситные стали начали применять для изготовления постоянных магнитов раньше других материалов. В данное их используют сравнительно мало из-за низких магнитные свойства. Однако полностью от них еще не отказались, потому что они недороги и допускают механическую обработку на металлорежущих станках.
Сплавы, пластически деформируются. Эти сплавы обладают высокими в отношении механической обработки свойства. Они хорошо штампуются, режутся ножницами, обрабатываются на металлорежущих станках. Из сплавов, пластически деформируются, можно изготовить ленты, пластины, листы, проволока. В отдельных случаях (при изготовлении мелких магнитов сложной конфигурации) целесообразно применение металлокерамической технологии. Марок сплавов, пластически деформируются много, и физические процессы, благодаря которым они имеют высокие магнитные свойства, разнообразны. Наиболее распространенные сплавы кунифе (Cu-Ni-Fe) и викалой (Co-V). Сплавы кунифе анизотропные, намагничиваются в направлении прокатки, часто применяются в виде проволоки малых толщин, а также штамповки. Викалой применяют для изготовления мельчайших магнитов сложной или ажурной конфигурации и как высокопрочные магнитные ленты или проволока.
Сплавы на основе благородных металлов. К ним относятся сплавы серебра с марганцем и алюминием (сильманал) и сплавы платины с железом (77,8% Pt; 22,2% Fe) или платины с кобальтом (76,7% Pt; 23,3 % Со). Материалы этой группы, особенно те, которые содержат платину, очень дорогие, поэтому их применяют только для сверхминиатюрных магнитов массой в несколько миллиграммов. При изготовлении магнитов из всех сплавов этой группы широко используют металлокерамическую технологию.
Эластичные магниты. Как отмечалось, важнейшим недостатком основных групп материалов для постоянных магнитов — литых сплавов и магнитотвердых ферритов — является их плохие механические свойства (высокие твердость и хрупкость). Применение же сплавов, пластически деформируются ограничено их высокой стоимостью. В последнее время появились магниты на резиновой основе. Они могут быть любой формы, что позволяет технология резины — в виде шнуров, длинных полос, листов и т.п. Такой материал легко режется ножницами, штампуется, сгибается, скручивается. Известно применение «магнитной резины» как писем магнитной памяти для вычислительных машин, магнитов для систем отклонения в телевидении, магнитов, корректируют, и др..
Эластичные магниты изготавливаются из резины и мелкого порошка магнитотвердых материалов (наполнитель). В качестве наполнителя чаще всего используют феррит бария.
Материалы для магнитных лент. Под магнитными лентами понимают носители магнитной записи информации. Наибольшее распространение имеют сплошные металлические ленты из нержавеющей стали, биметаллические ленты и ленты на пластмассовой основе с порошковым рабочим слоем. Сплошные металлические ленты используют, главным образом, в специальных целях и при работе в широком температурном диапазоне; ленты на пластмассовой основе имеют более широкое применение. Основное назначение носителя магнитной записи состоит в создании на поверхности воспроизведенной головки магнитного поля, напряженность которого меняется (при протяжке ленты) во времени так же, как и сигнал, что записывается. Свойства лент с покрытием магнитными порошками существенно зависят не только от свойств исходных материалов, но и от степени измельчения частиц, объемной плотности магнитного материала в рабочем слое, ориентации частиц при наличии у них анизотропии формы и т.п.
Рабочий слой (или толщина металлической ленты) должен быть как можно тоньше, а сама лента — гладкой и гибкой для обеспечения максимального взаимодействия (магнитного контакта) между магнитными материалами ленты и головки. Остаточная намагниченность материала должна быть возможно более высокой.
К коэрцитивной силы предъявляют противоречивые требования: для уменьшения саморозмагничування необходимо по возможности более высокое значение Н с (не менее 24 кА / м), а для облегчения процесса стирания записи желательна малая Н с. Требования высокой остаточной намагниченности и минимальной чувствительности к саморозмагничування наилучшим образом удовлетворяются при прямоугольной форме участка розмагничувальнои петли гистерезиса, т.е. желательно иметь максимальное значение коэффициента выпуклости. Температурные и другие изменения магнитных свойств материала ленты должны быть наименьшими.
Промышленность выпускает магнитофонные ленты из сплава, не ржавеет, ЭП-31А и биметалла ЕП-352/353. Ленты имеют толщину 0,005-0,01 мм, Н с = 24 — 40 кА / м; В r = 0,08 Тл.
Отечественные ленты на пластмассовой основе изготавливают преимущественно типов А2601-6 (тип 6 — для студийных магнитофонов) и А4402 — 6 (тип 10 — для бытовых и репортажных). В соответствии ГОСТу в обозначениях лент используют следующее: первый элемент — буквенный индекс означает назначение ленты: А — звукозапись, Т — видеозапись, В — вычислительная техника, И — точный запись: второй элемент — цифровой индекс (от 0 до 9), обозначает материал основы: 2 — диацетилцелюлоза, 3 — триацетилцелюлоза, 4 — полиетилентерефталаг (лавсан), третий элемент — цифровой индекс (от 0 до 9), означает толщину ленты:
2 — 18 мкм, 3 — 27 мкм, 4 — 36 мкм, 6 — 55 мкм, 9 — более 100 мкм, четвертый элемент — цифровой индекс (от 01 до 99), означает номер технологической разработки; пятый элемент — числовое значение номинальной ширины ленты в миллиметрах. После пятого элемента должен быть дополнительный буквенный индекс: П — для перфорированных лент; Р — для лент, используемых в радиовещании Б — для лент с бытовых магнитофонов.
В качестве материалов для магнитных порошков находят применение: феррит железа (магнетит), феррит кобальта, двуокись хрома и др.. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Наибольшее применение получил гамма-окись железа (g-Fe 2 O 3) игольчатой формы с длиной частиц около 0,4 мкм и отношением длины к диаметру, приблизительно равным трем. Получается порошок (g-Fe 2 O 3) за счет окисления магнетита (феррита железа) FeО × Fe 2 O 3 нагреванием его на воздухе при температуре около 150 о С.
Изготовление магнитных лент может быть разнообразным. Чаще рабочий слой (магнитный лак) наносят на готовую основу, например, поливом лака из фильеры. Магнитный лак готовится заранее и состоит из магнитного порошка, связующего, растворителя, пластификатора и различных добавок, способствующих смачиванию и разделения частиц порошка и уменьшению абразивности рабочего слоя.
При использовании порошков с анизотропией формы частиц (например, игольчатых g-Fe) в процессе производства ленты доли ориентируются определенным образом в результате воздействия на них магнитного поля. Окончательное обработки ленты состоит в каландрирования и полировке для улучшения качества ее поверхности.
Лента типа 6 обеспечивает высокое качество записи и воспроизведения звука при использовании в профессиональной аппаратуре на скорости 19,05 см / с и в бытовых магнитофонах на скорости 9,53 и 4,75 см / с.
Ленты необходимо хранить при температуре 10-25 ° С и относительной влажности воздуха 50-60%; недопустима температура выше 30 ° С, температура ниже 10 ° С не рекомендуется.
Помимо типов 6 и 10 отечественная промышленность производит и другие типы лент, например ленту Т4402-50 шириной 50,8 мм для поперечно-строчной записи черно-белого изображения.
Сплавы на основе редкоземельных металлов (РЗМ). Ряд соединений и сплавов с РЗМ имеет очень высокие значения коэрцитивной силы и максимальной удельной энергии. Из этой группы материалов наиболее интересные интерметаллических соединения типа RСо 5, где R — редкоземельный металл.
Кроме рассмотренных основных групп магнитных материалов в технике используют и некоторые другие, которые имеют ограниченную область применения.
Термомагнитные материалы. Термомагнитными называют материалы с существенной зависимостью магнитной индукции (точнее, намагниченности насыщения, потому что обычно термомагнитный материал работает в режиме насыщения) от температуры в определенном интервале (в большинстве случаев +60 ¸ -60 0 С). Термомагнитные материалы используют, главным образом, как магнитные шунты или дополнительные опоры. Включение таких элементов в магнитные цепи позволяет осуществить компенсацию температурной погрешности или обеспечить изменение магнитной индукции в воздушном зазоре по заданному закону (терморегулирования).
Магнитострикционные материалы. Магнитострикции имеет непосредственное техническое применение в магнитострикционных вибраторах (генераторах) звуковых и ультразвуковых колебаний, а также в некоторых радиотехнических схемах и устройствах (вместо кварца для стабилизации частоты, в электромеханических фильтрах и т.д.).
В качестве магнитострикционных материалов применяют никель, пермендюр (сплавы Fe-Co, отличающиеся высокой намагниченностью насыщения), Альфер (сплавы Fe-Al), никелевый и никелькобальтовий ферриты и др..
Никель имеет большое абсолютное значение коэффициента магнитострикции насыщения l S = D l / l = -35 × 10 -6 (l — длина пластины к воздействию поля, D l — изменение длины в результате воздействия поля; знак минус означает уменьшение длины). Обычно применяют никель марки Н толщиной 0,1 мм в виде жесткой необожженной ленты. После вырубки пластины оксидируют нагреванием на воздухе до 800 о С в течении 15-25 мин. Образованная таким образом оксидная пленка служит для электрической изоляции пластин при составлении пакета. Никель имеет высокие антикоррозийные свойства и малый температурный коэффициент модуля упругости.
В последнее время более широко применяют магнитострикционные ферриты, особенно в прецизионных фильтрах.
Сплавы с высокой индукцией насыщения. Из обычных материалов наивысшую индукцию имеет железо (»2,1 Тл).
В тех случаях, когда выдвигаются наиболее высокие требования к габаритам устройства, его массы и размера потока, применяют зализокобальтови сплавы, в которых индукция насыщения достигает 2,43 Тл, что позволяет получить экономию в массе и объеме по сравнению с железом на 15 — 20%. На практике используют сплавы, содержащие 30-51% Со и 1,5-2,0% V, улучшает технологические свойства сплавов, возможность обработки их в холодном состоянии. Эти сплавы называют пермендюр.
Индукция насыщения сплавов с большим и малым содержанием кобальта примерно одинакова. Висококобальтови сплавы в слабых и средних полях имеют большие значения магнитной проницаемости, чем низькокобальтови, однако последние дешевле.
Кроме большого значения индукции насыщения пермендюр имеет значительную обратимую проницаемость, что делает его особенно ценным как материал для телефонных мембран. Недостатки пермендюр: малый удельное электрическое сопротивление r, высокая стоимость и дефицитность кобальта и ванадия. Пермендюр применяют в постоянных магнитных полях или в слабых переменных полях с сильным подмагничиванием постоянным полем. Из материалов этой группы нормированный сплав 50 КФ (49,0-51% Со; 1,5-2,0% V). Сплав имеет индукцию насыщения не менее 2,35 Тл и q = 980 ° С.
Преимущество зализокобальтових сплавов перед технически чистым железом ощущается при магнитной индукции выше 1,0 Тл. Различие в значениях магнитной проницаемости достигает максимума при значении магнитной индукции около 1,8 Тл, при этом проницаемость кобальтовых сплавов больше проницаемости мягких сортов железа в десятки раз.
Васюра А.С. — Книга «Элементы и устройства систем управления автоматики»
Еще в древние времена люди обнаружили уникальные свойства определенных камней - притягивание металла. В наше время мы часто сталкиваемся с предметами, которые обладают этими качествами. Что такое магнит? В чем его сила? Об этом мы расскажем в этой статье.
Примером временного магнита являются скрепки, кнопки, гвозди, нож и другие предметы обихода, изготовленные из железа. Их сила в том, что они притягиваются к постоянному магниту, а при исчезновении магнитного поля, теряют свое свойство.
Полем электромагнита можно управлять с помощью электрического тока. Как это происходит ? Провод, витками намотанный на железный сердечник, при подаче и изменении величины тока меняет силу магнитного поля и его полярность.
Типы постоянных магнитов
Ферритовые магниты являются самыми известными и активно используемыми в быту. Этот материал черного цвета может использоваться в качестве крепежей различных предметов, например, для плакатов, для настенных досок, используемых в офисе или школе. Они не теряют своих свойств притяжения при температуре не ниже 250 о С.
Альнико - магнит, состоящий из сплава алюминия, никеля и кобальта. Это дало ему такое название. Очень устойчив к высоким температурам и может применяться при 550 о С. Материал отличается легкостью, но полностью теряет свои свойства, попадая под действие более сильного магнитного поля. Используется в основном в научной отрасли.
Самариевые магнитные сплавы - это материал с высокими показателями. Надежность его свойств позволяет использовать материал в военных разработках. Он устойчив к агрессивной среде, высокой температуре, окислению и коррозии.
Что такое неодимовый магнит? Это самый популярный сплав железа, бора и неодима. Его еще называют супермагнитом, так как он имеет мощнейшее магнитное поле с высокой коэрцитивной силой. Соблюдая определенные условия во время эксплуатации, неодимовый магнит способен сохранить свои свойства на протяжении 100 лет.
Использование неодимовых магнитов
Стоит подробно рассмотреть, что такое неодимовый магнит? Это материал, который способен фиксировать потребление воды, электричества и газа в счетчиках, да и не только. Этот вид магнита относится к постоянным и редкоземельным материалам. Он устойчив перед полей других сплавов и не подвержен размагничиванию.
Изделия из неодима используют в медицинских и промышленных отраслях. Также в бытовых условиях их применяют для крепления портьер, элементов декора, сувениров. Они применяются в поисковых приборах и в электронике.
Для продления срока службы магниты такого типа покрывают цинком или никелем. В первом случае напыление более надежное, так как устойчиво к агрессивным средствам и выдерживает температуру выше 100 о С. Сила магнита зависит от его формы, размера и количества неодима, входящего в состав сплава.
Применение ферритовых магнитов
Ферриты считаются самыми популярными магнитами среди постоянных видов. Благодаря стронцию, входящему в состав, материал не поддается коррозии. Так что это такое - ферритовый магнит? Где он применяется? Этот сплав довольно хрупок. Поэтому его еще называют керамическим. Применяется ферритовый магнит в автомобилестроении и промышленности. Используется в различной технике и электроприборах, а также бытовых установках, генераторах, системах акустики. При производстве автомобилей магниты используют в системах охлаждения, стеклоподъемниках и вентиляторах.
Назначение феррита - защитить технику от внешних помех и не допустить порчи сигнала, получаемого по кабелю. Благодаря этому используют при производстве навигаторов, мониторов, принтеров и другого оборудования, где важно получить чистый сигнал или изображение.
Магнитотерапия
Нередко применяется процедура называется магнитотерапия и проводится в лечебных целях. Действие этого метода заключается в том, чтобы повлиять на организм пациента с помощью магнитных полей, находящихся под низкочастотным переменным или постоянным током. Этот метод лечения помогает избавиться от многих заболеваний, снять боли, укрепить иммунную систему, улучшить кровоток.
Считается, что болезни порождаются нарушением магнитного поля человека. Благодаря физиотерапии организм приходит в норму и общее состояние улучшается.
Из данной статьи вы узнали, что такое магнит, а также изучили его свойства и сферы применения.