Hoje, é quase impossível encontrar uma indústria técnica que não use materiais magnéticos duros e ímãs permanentes. Estes são acústica, eletrônica de rádio, computador, equipamentos de medição, automação, calor e energia, energia elétrica, construção, metalurgia e qualquer tipo de transporte, agricultura, medicina e processamento de minério, e até na cozinha de todo mundo tem micro-ondas, ele aquece a pizza. É impossível enumerar tudo, os materiais magnéticos nos acompanham em todas as etapas de nossa vida. E todos os produtos com sua ajuda funcionam de acordo com princípios completamente diferentes: motores e geradores têm suas próprias funções e os dispositivos de frenagem têm suas próprias, o separador faz uma coisa e o detector de falhas faz outra. Provavelmente, não existe uma lista completa de dispositivos técnicos onde são usados materiais magnéticos rígidos, existem muitos deles.
O que são sistemas magnéticos
Nosso próprio planeta é um sistema magnético excepcionalmente bem lubrificado. Todo o resto é construído sobre o mesmo princípio. Os materiais magnéticos duros têm propriedades funcionais muito diversas. Nos catálogos de fornecedores, não é em vão que são fornecidos não apenas seus parâmetros, mas também propriedades físicas. Além disso, pode ser materiais magneticamente duros e magneticamente macios. Por exemplo, tome tomógrafos ressonantes, onde são usados sistemas com um campo magnético altamente uniforme, e compare com separadores, onde o campo é nitidamente não homogêneo. Um princípio bem diferente! Sistemas magnéticos foram dominados, onde o campo pode ser ligado e desligado. É assim que as garras são projetadas. E alguns sistemas até alteram o campo magnético no espaço. Estes são conhecidos klystrons e lâmpadas de ondas viajantes. As propriedades dos materiais magnéticos macios e duros são verdadeiramente mágicas. São como catalisadores, quase sempre agem como intermediários, mas sem a menor perda de sua própria energia, são capazes de transformar a de outra pessoa, transformando uma espécie em outra.
Por exemplo, um impulso magnético é convertido em energia mecânica na operação de acoplamentos, separadores e similares. A energia mecânica é convertida com a ajuda de ímãs em energia elétrica, se estivermos lidando com microfones e geradores. E vice-versa acontece! Em alto-falantes e motores, os ímãs convertem eletricidade em energia mecânica, por exemplo. E isso não é tudo. A energia mecânica pode até ser convertida em energia térmica, assim como o sistema magnético no funcionamento de um forno de micro-ondas ou em um dispositivo de frenagem. São capazesmateriais magneticamente duros e magneticamente macios e em efeitos especiais - em sensores Hall, em tomógrafos de ressonância magnética, em comunicação por micro-ondas. Você pode escrever um artigo separado sobre o efeito catalítico em processos químicos, como campos magnéticos gradientes na água afetam as estruturas de íons, moléculas de proteínas e gases dissolvidos.
Magia da antiguidade
Material natural - magnetita - era conhecido pela humanidade há vários milênios. Naquela época, todas as propriedades dos materiais magnéticos duros ainda não eram conhecidas e, portanto, não eram usadas em dispositivos técnicos. E ainda não havia dispositivos técnicos. Ninguém sabia fazer cálculos para o funcionamento de sistemas magnéticos. Mas a influência em objetos biológicos já foi notada. O uso de materiais magnéticos duros no início foi puramente para fins médicos, até que os chineses inventaram a bússola no século III aC. No entanto, o tratamento com ímã não parou até hoje, embora haja discussões constantes sobre a nocividade de tais métodos. O uso de materiais magnéticos duros na medicina nos EUA, China e Japão é especialmente ativo. E na Rússia existem adeptos de métodos alternativos, embora seja impossível medir a magnitude do impacto no corpo ou na planta com qualquer instrumento.
Mas voltando à história. Na Ásia Menor, muitos séculos atrás, a antiga cidade de Magnésia já existia às margens do meandro de grande fluxo. E hoje você pode visitar suas ruínas pitorescas na Turquia. Foi lá que foi descoberto o primeiro minério de ferro magnético, que recebeu o nome decidades. Muito rapidamente, espalhou-se por todo o mundo, e os chineses há cinco mil anos, com sua ajuda, inventaram um dispositivo de navegação que ainda não morre. Agora a humanidade aprendeu a produzir ímãs artificialmente em escala industrial. A base para eles são uma variedade de ferroímãs. A Universidade de Tartu tem o maior ímã natural, capaz de levantar cerca de quarenta quilos, enquanto pesa apenas treze. Os pós de hoje são feitos de cob alto, ferro e vários outros aditivos, suportam cargas cinco mil vezes mais do que pesam.
Loop de histerese
Existem dois tipos de ímãs artificiais. O primeiro tipo são constantes, que são feitas de materiais magnéticos duros, suas propriedades não estão associadas de forma alguma a fontes ou correntes externas. O segundo tipo são os eletroímãs. Eles têm um núcleo feito de ferro - um material magneticamente macio, e uma corrente passa pelo enrolamento desse núcleo, o que cria um campo magnético. Agora precisamos considerar os princípios de seu trabalho. Caracteriza as propriedades magnéticas do laço de histerese para materiais magnéticos duros. Existem tecnologias bastante complexas para a fabricação de sistemas magnéticos e, portanto, são necessárias informações sobre magnetização, permeabilidade magnética e perdas de energia quando ocorre a reversão da magnetização. Se a mudança de intensidade for cíclica, a curva de remagnetização (mudanças na indução) sempre parecerá uma curva fechada. Este é o loop de histerese. Se o campo for fraco, o loop será mais parecido com uma elipse.
Quando a tensãoo campo magnético aumenta, toda uma série de tais loops é obtida, encerradas umas nas outras. No processo de magnetização, todos os vetores são orientados ao longo e, ao final, chegará um estado de saturação técnica, o material será completamente magnetizado. O loop obtido durante a saturação é chamado de loop limite, ele mostra o valor máximo alcançado da indução Bs (indução de saturação). Quando a tensão diminui, a indução residual permanece. A área dos laços de histerese nos estados limite e intermediário mostra a dissipação de energia, ou seja, a perda de histerese. Depende principalmente da frequência de reversão da magnetização, propriedades do material e dimensões geométricas. O loop de histerese limitante pode determinar as seguintes características de materiais magnéticos duros: indução de saturação Bs, indução residual Bc e força coercitiva Hc.
Curva de magnetização
Esta curva é a característica mais importante, pois mostra a dependência da magnetização e a força do campo externo. A indução magnética é medida em Tesla e está relacionada à magnetização. A curva de chaveamento é a principal, é a localização dos picos nos laços de histerese, que são obtidos durante a remagnetização cíclica. Isso reflete a mudança na indução magnética, que depende da intensidade do campo. Quando o circuito magnético está fechado, a intensidade do campo refletida na forma de um toróide é igual à intensidade do campo externo. Se o circuito magnético estiver aberto, os pólos aparecem nas extremidades do ímã, o que cria a desmagnetização. Diferença entreessas tensões determinam a tensão interna do material.
Existem seções características na curva principal que se destacam quando um único cristal de um ferroímã é magnetizado. A primeira seção mostra o processo de deslocamento dos limites de domínios desfavoravelmente sintonizados e, na segunda, os vetores de magnetização se voltam para o campo magnético externo. A terceira seção é o paraprocesso, o estágio final da magnetização, aqui o campo magnético é forte e direcionado. A aplicação de materiais magnéticos macios e duros depende em grande parte das características obtidas a partir da curva de magnetização.
Permeabilidade e perda de energia
Para caracterizar o comportamento de um material em um campo de tensão, é necessário utilizar o conceito de permeabilidade magnética absoluta. Existem definições de permeabilidade magnética de impulso, diferencial, máxima, inicial, normal. O relativo é traçado ao longo da curva principal, portanto, essa definição não é usada - por simplicidade. A permeabilidade magnética sob condições em que H=0 é chamada de inicial, e pode ser determinada apenas em campos fracos, até aproximadamente 0,1 unidades. O máximo, pelo contrário, caracteriza a mais alta permeabilidade magnética. Os valores normais e máximos proporcionam uma oportunidade de observar o curso normal do processo em cada caso particular. Na região de saturação em campos fortes, a permeabilidade magnética sempre tende à unidade. Todos esses valores são necessários para o uso de ímãs rígidosmateriais, use-os sempre.
A perda de energia durante a reversão da magnetização é irreversível. A eletricidade é liberada no material como calor, e suas perdas são compostas por perdas dinâmicas e perdas por histerese. Estes últimos são obtidos deslocando as paredes do domínio quando o processo de magnetização está apenas começando. Uma vez que o material magnético tem uma estrutura não homogênea, a energia é necessariamente gasta no alinhamento das paredes do domínio. E as perdas dinâmicas são obtidas em conexão com as correntes parasitas que ocorrem no momento de mudar a força e a direção do campo magnético. A energia é dissipada da mesma maneira. E as perdas devido a correntes parasitas excedem até mesmo as perdas por histerese em altas frequências. Além disso, as perdas dinâmicas são obtidas devido a mudanças residuais no estado do campo magnético após a mudança de intensidade. A quantidade de perdas de efeitos posteriores depende da composição, do tratamento térmico do material, elas aparecem especialmente em altas frequências. O efeito colateral é a viscosidade magnética, e essas perdas são sempre levadas em consideração se ferromagnetos forem usados no modo pulsado.
Classificação de materiais magnéticos duros
Os termos que falam de suavidade e dureza não se aplicam a propriedades mecânicas. Muitos materiais duros são, na verdade, magneticamente macios e, do ponto de vista mecânico, materiais macios também são magnéticos bastante duros. O processo de magnetização em ambos os grupos de materiais ocorre da mesma forma. Primeiro, os limites do domínio são deslocados, então a rotação começa emna direção de um campo cada vez mais magnetizante e, finalmente, inicia-se o paraprocesso. E é aí que entra a diferença. A curva de magnetização mostra que é mais fácil mover as fronteiras, gasta-se menos energia, mas o processo de rotação e o paraprocesso são mais intensivos em energia. Materiais magnéticos macios são magnetizados por deslocamento de limites. Magnético rígido - devido à rotação e paraprocesso.
A forma do laço de histerese é aproximadamente a mesma para ambos os grupos de materiais, saturação e indução residual também são quase iguais, mas a diferença existe na força coercitiva, e é muito grande. Os materiais magnéticos duros têm Hc=800 kA-m, enquanto os materiais magnéticos moles têm apenas 0,4 A-m. No total, a diferença é enorme: 2106 vezes. Por isso, com base nessas características, tal divisão foi adotada. Embora, deve-se admitir que é bastante condicional. Materiais magnéticos macios podem saturar mesmo em um campo magnético fraco. Eles são usados em campos de baixa frequência. Por exemplo, em dispositivos de memória magnética. Materiais magnéticos duros são difíceis de magnetizar, mas retêm a magnetização por muito tempo. É deles que se obtêm bons ímãs permanentes. As áreas de aplicação dos materiais magnéticos duros são numerosas e extensas, algumas delas listadas no início do artigo. Há outro grupo - materiais magnéticos para fins especiais, seu escopo é muito estreito.
Detalhes de dureza
Como já mencionado, os materiais magnéticos duros possuem um amplo loop de histerese e uma grande força coercitiva, baixa permeabilidade magnética. Eles são caracterizados pela energia magnética específica máxima emitida emespaço. E quanto mais "duro" o material magnético, maior sua força, menor a permeabilidade. A energia magnética específica tem o papel mais importante na avaliação da qualidade do material. Um ímã permanente praticamente não emite energia para o espaço sideral com um circuito magnético fechado, porque todas as linhas de força estão dentro do núcleo e não há campo magnético fora dele. Para aproveitar ao máximo a energia dos ímãs permanentes, um entreferro de tamanho e configuração estritamente definidos é criado dentro de um circuito magnético fechado.
Com o tempo, o ímã "envelhece", seu fluxo magnético diminui. No entanto, esse envelhecimento pode ser irreversível e reversível. Neste último caso, as causas de seu envelhecimento são choques, choques, flutuações de temperatura, campos externos constantes. A indução magnética é reduzida. Mas pode ser magnetizado novamente, restaurando assim suas excelentes propriedades. Mas se o ímã permanente sofreu alguma mudança estrutural, a re-magnetização não ajudará, o envelhecimento não será eliminado. Mas eles servem por um longo tempo, e o propósito dos materiais magnéticos duros é ótimo. Os exemplos estão literalmente em toda parte. Não são apenas ímãs permanentes. Este é um material para armazenar informações, para gravá-las - som, digital e vídeo. Mas o acima é apenas uma pequena parte da aplicação de materiais magnéticos duros.
Materiais magnéticos duros fundidos
De acordo com o método de produção e composição, materiais magnéticos duros podem ser fundidos, pó e outros. Eles são baseados em ligas.ferro, níquel, alumínio e ferro, níquel, cob alto. Essas composições são as mais básicas para obter um ímã permanente. Pertencem à precisão, pois seu número é determinado pelos mais rigorosos fatores tecnológicos. Materiais magnéticos duros fundidos são obtidos durante o endurecimento por precipitação da liga, onde o resfriamento ocorre a uma taxa calculada desde a fusão até o início da decomposição, que ocorre em duas fases.
O primeiro - quando a composição é próxima ao ferro puro com propriedades magnéticas pronunciadas. Como se placas de espessura de domínio único aparecessem. E a segunda fase está mais próxima do composto intermetálico na composição, onde o níquel e o alumínio possuem baixas propriedades magnéticas. Acontece um sistema onde a fase não magnética é combinada com inclusões fortemente magnéticas com uma grande força coercitiva. Mas esta liga não é boa o suficiente em propriedades magnéticas. O mais comum é outra composição, liga: ferro, níquel, alumínio e cobre com cob alto para liga. As ligas sem cob alto têm propriedades magnéticas mais baixas, mas são muito mais baratas.
Materiais magnéticos duros em pó
Materiais em pó são usados para ímãs permanentes em miniatura, mas complexos. São metal-cerâmica, metal-plástico, óxido e micropó. O cermet é especialmente bom. Em termos de propriedades magnéticas, é um pouco inferior aos fundidos, mas um pouco mais caro que eles. Os ímãs de metal-cerâmica são feitos pressionando pós metálicos sem qualquer material de ligação e sinterizando-os a temperaturas muito altas. Os pós são usadoscom as ligas descritas acima, bem como aquelas à base de platina e metais de terras raras.
Em termos de resistência mecânica, a metalurgia do pó é superior à fundição, mas as propriedades magnéticas dos ímãs metalocerâmicos ainda são um pouco inferiores às dos fundidos. Os ímãs à base de platina têm valores de força coercitiva muito altos e os parâmetros são altamente estáveis. Ligas com urânio e metais de terras raras têm valores recordes de energia magnética máxima: o valor limite é de 112 kJ por metro quadrado. Tais ligas são obtidas por prensagem a frio do pó ao mais alto grau de densidade, em seguida, os briquetes são sinterizados com a presença de uma fase líquida e fundição de uma composição multicomponente. É impossível misturar os componentes a tal ponto por simples fundição.
Outros materiais magnéticos duros
Materiais magnéticos rígidos também incluem aqueles com finalidade altamente especializada. São ímãs elásticos, ligas plasticamente deformáveis, materiais para portadores de informações e ímãs líquidos. Os ímãs deformáveis têm excelentes propriedades plásticas, se prestam perfeitamente a qualquer tipo de processamento mecânico - estampagem, corte, usinagem. Mas esses ímãs são caros. Os ímãs Kunife feitos de cobre, níquel e ferro são anisotrópicos, ou seja, são magnetizados na direção de laminação, são usados na forma de estampagem e fio. Os ímãs Vikalloy feitos de cob alto e vanádio são feitos na forma de uma fita magnética de alta resistência, além de fio. Esta composição é boa para ímãs muito pequenos com a configuração mais complexa.
Ímãs elásticos - sobre base de borracha, na qualO enchimento é um pó fino de um material magnético duro. Na maioria das vezes é ferrite de bário. Este método permite obter produtos de absolutamente qualquer forma com alta capacidade de fabricação. Eles também são perfeitamente cortados com tesoura, dobrados, estampados, torcidos. Eles são muito mais baratos. A borracha magnética é usada como folhas de memória magnética para computadores, na televisão, para sistemas corretivos. Como portadores de informações, os materiais magnéticos atendem a muitos requisitos. Esta é uma indução residual de alto nível, um pequeno efeito de autodesmagnetização (caso contrário, a informação será perdida), um alto valor da força coercitiva. E para facilitar o processo de apagamento de registros, basta uma pequena quantidade dessa força, mas essa contradição é eliminada com a ajuda da tecnologia.
