Ngày nay, hầu như không thể tìm thấy một ngành kỹ thuật nào không sử dụng vật liệu từ cứng và nam châm vĩnh cửu. Đó là âm thanh và điện tử vô tuyến, máy tính và thiết bị đo lường, và tự động hóa, nhiệt và điện, năng lượng điện và xây dựng, luyện kim và bất kỳ loại phương tiện giao thông nào, nông nghiệp và y học, và chế biến quặng, và thậm chí trong nhà bếp của mọi người có lò vi sóng, nó hâm nóng bánh pizza. Không thể thống kê hết tất cả mọi thứ, vật liệu từ trường đồng hành cùng chúng ta trên mỗi bước đường đời. Và tất cả các sản phẩm có sự trợ giúp của chúng đều hoạt động theo các nguyên tắc hoàn toàn khác nhau: động cơ và máy phát điện có chức năng riêng, thiết bị phanh có chức năng riêng, bộ phân tách làm một việc và máy dò khuyết tật làm một việc khác. Có lẽ, không có danh sách đầy đủ các thiết bị kỹ thuật sử dụng vật liệu từ tính cứng, có rất nhiều thiết bị trong số đó.
Hệ thống từ tính là gì
Bản thân hành tinh của chúng ta là một hệ thống từ tính đặc biệt được bôi dầu tốt. Tất cả những thứ còn lại đều được xây dựng trên cùng một nguyên tắc. Vật liệu từ cứng có tính chất chức năng rất đa dạng. Trong danh mục của các nhà cung cấp, không chỉ là vô ích khi không chỉ đưa ra các thông số của họ mà còn đưa ra các đặc tính vật lý. Ngoài ra, nó có thể là vật liệu cứng có từ tính và vật liệu mềm có từ tính. Ví dụ, lấy máy chụp cắt lớp cộng hưởng, trong đó các hệ thống có từ trường đồng nhất cao được sử dụng và so sánh với các dải phân cách, trong đó trường không đồng nhất rõ rệt. Một nguyên tắc khá khác biệt! Hệ thống từ tính đã được làm chủ, nơi trường có thể được bật và tắt. Đó là cách tay cầm được thiết kế. Và một số hệ thống thậm chí còn thay đổi từ trường trong không gian. Đây là klystron nổi tiếng và đèn sóng du lịch. Tính chất của vật liệu từ mềm và cứng thực sự kỳ diệu. Chúng giống như chất xúc tác, chúng hầu như luôn đóng vai trò trung gian, nhưng không để mất một chút năng lượng nào, chúng có thể biến đổi loài người khác, biến loài này thành loài khác.
Ví dụ, một xung từ trường được chuyển đổi thành năng lượng cơ học trong hoạt động của các khớp nối, bộ tách, và những thứ tương tự. Năng lượng cơ học được chuyển đổi với sự trợ giúp của nam châm thành năng lượng điện, nếu chúng ta đang xử lý micrô và máy phát điện. Và ngược lại xảy ra! Ví dụ, trong loa và động cơ, nam châm biến đổi điện năng thành cơ năng. Và điều đó không phải tất cả. Năng lượng cơ học thậm chí có thể được chuyển đổi thành nhiệt năng, cũng như hệ thống từ trường trong hoạt động của lò vi sóng hoặc trong thiết bị hãm. Có thểvật liệu từ tính cứng và từ tính mềm và trên các hiệu ứng đặc biệt - trong cảm biến Hall, trong máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ, trong liên lạc vi sóng. Bạn có thể viết một bài riêng về hiệu ứng xúc tác đối với các quá trình hóa học, cách từ trường gradient trong nước ảnh hưởng đến cấu trúc của các ion, phân tử protein và khí hòa tan.
Phép thuật từ thời cổ đại
Vật liệu tự nhiên - magnetite - đã được nhân loại biết đến cách đây vài thiên niên kỷ. Vào thời điểm đó, tất cả các tính chất của vật liệu từ cứng vẫn chưa được biết đến, và do đó chúng không được sử dụng trong các thiết bị kỹ thuật. Và chưa có thiết bị kỹ thuật nào. Không ai biết cách tính toán cho hoạt động của hệ thống từ trường. Nhưng ảnh hưởng đến các đối tượng sinh học đã được chú ý. Việc sử dụng các vật liệu từ tính cứng lúc đầu hoàn toàn cho mục đích y tế, cho đến khi người Trung Quốc phát minh ra la bàn vào thế kỷ thứ ba trước Công nguyên. Tuy nhiên, việc điều trị bằng nam châm vẫn chưa dừng lại cho đến ngày nay, cho dù có những cuộc thảo luận không ngừng về tác hại của những phương pháp đó. Việc sử dụng các vật liệu từ cứng trong y học ở Hoa Kỳ, Trung Quốc và Nhật Bản đặc biệt tích cực. Và ở Nga có những người theo đuổi các phương pháp thay thế, mặc dù không thể đo mức độ tác động lên cơ thể hoặc cây trồng bằng bất kỳ dụng cụ nào.
Nhưng ngược dòng lịch sử. Ở Tiểu Á, nhiều thế kỷ trước, thành phố cổ đại Magnesia đã tồn tại bên bờ sông Meander đầy ắp nước. Và hôm nay bạn có thể đến thăm những tàn tích đẹp như tranh vẽ của nó ở Thổ Nhĩ Kỳ. Tại đó, quặng sắt từ tính đầu tiên được phát hiện, được đặt theo tên củacác thành phố. Rất nhanh chóng, nó đã lan rộng khắp thế giới, và người Trung Quốc cách đây 5 nghìn năm, với sự giúp đỡ của nó, đã phát minh ra một thiết bị định vị vẫn không chết. Hiện nay nhân loại đã học cách sản xuất nam châm nhân tạo ở quy mô công nghiệp. Cơ sở cho chúng là nhiều loại sắt từ. Đại học Tartu có nam châm tự nhiên lớn nhất, có khả năng nâng khoảng 40 kg, trong khi bản thân nó chỉ nặng 13 kg. Các loại bột ngày nay được làm từ coban, sắt và nhiều chất phụ gia khác, chúng có khối lượng gấp năm nghìn lần so với trọng lượng của chúng.
Vòng lặp trễ
Có hai loại nam châm nhân tạo. Loại đầu tiên là các hằng số, được làm bằng vật liệu từ cứng, đặc tính của chúng không liên quan đến nguồn hoặc dòng điện bên ngoài. Loại thứ hai là nam châm điện. Chúng có lõi làm bằng sắt - một vật liệu có tính từ tính mềm, dòng điện chạy qua cuộn dây của lõi này sẽ tạo ra từ trường. Bây giờ chúng ta cần xem xét các nguyên tắc hoạt động của nó. Đặc trưng cho các tính chất từ của vòng từ trễ đối với các vật liệu từ cứng. Có những công nghệ khá phức tạp để sản xuất các hệ thống từ tính, và do đó cần có thông tin về từ hóa, độ từ thẩm và tổn thất năng lượng khi xảy ra đảo ngược từ hóa. Nếu sự thay đổi cường độ có tính chu kỳ, thì đường cong phản từ (thay đổi cảm ứng) sẽ luôn giống như một đường cong khép kín. Đây là vòng lặp trễ. Nếu trường yếu, thì vòng lặp giống hình elip hơn.
Khi căng thẳngtừ trường tăng lên, người ta thu được toàn bộ một loạt các vòng như vậy, bao quanh nhau. Trong quá trình từ hóa, tất cả các vectơ đều hướng theo, và khi kết thúc, trạng thái bão hòa kỹ thuật sẽ đến, vật liệu sẽ bị từ hóa hoàn toàn. Vòng lặp thu được trong quá trình bão hòa được gọi là vòng giới hạn, nó cho thấy giá trị đạt được lớn nhất của cảm ứng B (cảm ứng bão hòa). Khi lực căng giảm, cảm ứng dư vẫn còn. Khu vực của các vòng lặp từ trễ trong các trạng thái giới hạn và trung gian cho thấy sự tiêu tán năng lượng, tức là mất mát từ trễ. Nó phụ thuộc hầu hết vào tần số đảo chiều từ hóa, tính chất vật liệu và kích thước hình học. Vòng từ trễ giới hạn có thể xác định các đặc tính sau của vật liệu từ cứng: cảm ứng bão hòa Bs, cảm ứng dư Bc và lực cưỡng bức Hc.
Đường cong từ hóa
Đường cong này là đặc điểm quan trọng nhất, vì nó cho thấy sự phụ thuộc của độ từ hóa và cường độ của trường bên ngoài. Cảm ứng từ được đo bằng Tesla và có liên quan đến độ từ hóa. Đường cong chuyển mạch là đường cong chính, nó là vị trí của các đỉnh trên các vòng từ trễ, thu được trong quá trình tái từ tính theo chu kỳ. Điều này phản ánh sự thay đổi của cảm ứng từ, phụ thuộc vào cường độ trường. Khi đóng mạch từ, cường độ trường phản xạ dưới dạng hình xuyến bằng cường độ trường ngoài. Nếu mạch từ hở, ở hai đầu nam châm xuất hiện các cực, tạo ra hiện tượng khử từ. Sự khác biệt giữanhững lực căng này quyết định sức căng bên trong của vật liệu.
Có các phần đặc trưng trên đường cong chính nổi bật khi một tinh thể sắt từ bị nhiễm từ. Phần đầu tiên cho thấy quá trình dịch chuyển ranh giới của các miền được điều chỉnh không thuận lợi, và trong phần thứ hai, các vectơ từ hóa quay về phía từ trường bên ngoài. Phần thứ ba là quá trình, giai đoạn cuối cùng của từ hóa, ở đây từ trường mạnh và có hướng. Việc ứng dụng các vật liệu từ mềm và cứng phụ thuộc rất nhiều vào các đặc tính thu được từ đường cong từ hóa.
Thấm và mất năng lượng
Để mô tả đặc tính của vật liệu trong trường căng, cần phải sử dụng khái niệm như độ từ thẩm tuyệt đối. Có các định nghĩa về độ từ thẩm xung, vi sai, cực đại, ban đầu, bình thường. Tương đối được truy tìm dọc theo đường cong chính, vì vậy định nghĩa này không được sử dụng - vì đơn giản. Độ từ thẩm trong các điều kiện khi H=0 được gọi là ban đầu, và nó chỉ có thể được xác định trong trường yếu, đến xấp xỉ 0,1 đơn vị. Ngược lại, cực đại đặc trưng cho độ từ thẩm cao nhất. Giá trị bình thường và giá trị lớn nhất tạo cơ hội để quan sát diễn biến bình thường của quá trình trong từng trường hợp cụ thể. Trong vùng bão hòa trong trường mạnh, độ từ thẩm luôn có xu hướng thống nhất. Tất cả những giá trị này là cần thiết cho việc sử dụng từ tính cứnghãy luôn sử dụng chúng.
Sự mất mát năng lượng trong quá trình đảo ngược từ hóa là không thể phục hồi. Điện được giải phóng trong vật liệu dưới dạng nhiệt, và tổn thất của nó được tạo thành từ tổn hao động lực và tổn hao do trễ. Loại thứ hai thu được bằng cách dịch chuyển các bức tường miền khi quá trình từ hóa mới bắt đầu. Vì vật liệu từ tính có cấu trúc không đồng nhất, năng lượng nhất thiết phải tiêu tốn vào sự liên kết của các bức tường miền. Và tổn thất động lực thu được liên quan đến dòng điện xoáy xảy ra tại thời điểm thay đổi cường độ và hướng của từ trường. Năng lượng bị tiêu tán theo cùng một cách. Và tổn thất do dòng điện xoáy thậm chí còn vượt quá tổn thất do trễ ở tần số cao. Ngoài ra, tổn thất động lực thu được do sự thay đổi còn lại trong trạng thái của từ trường sau khi cường độ đã thay đổi. Lượng tổn thất hậu quả phụ thuộc vào thành phần, vào quá trình xử lý nhiệt của vật liệu, chúng đặc biệt xuất hiện ở tần số cao. Hậu quả là độ nhớt từ tính và những tổn thất này luôn được tính đến nếu sử dụng sắt từ ở chế độ xung.
Phân loại vật liệu từ cứng
Các thuật ngữ nói về độ mềm và độ cứng hoàn toàn không áp dụng cho các đặc tính cơ học. Nhiều vật liệu cứng thực sự có tính từ tính mềm, và theo quan điểm cơ học, vật liệu mềm cũng có tính từ tính khá cứng. Quá trình từ hóa trong cả hai nhóm vật liệu đều xảy ra theo cùng một cách. Đầu tiên, các ranh giới miền bị dịch chuyển, sau đó việc xoay vòng bắt đầu trongtheo hướng của trường từ hóa ngày càng tăng, và cuối cùng, quy trình bắt đầu. Và đây là nơi tạo ra sự khác biệt. Đường cong từ hóa cho thấy rằng dễ dàng di chuyển các ranh giới hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn, nhưng quá trình quay và quá trình mô phỏng lại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Vật liệu từ mềm bị từ hóa bởi sự dịch chuyển của các ranh giới. Từ cứng - do quay và quá trình xử lý.
Hình dạng của vòng từ trễ gần giống nhau đối với cả hai nhóm vật liệu, độ bão hòa và cảm ứng dư cũng gần bằng nhau, nhưng sự khác biệt tồn tại trong lực cưỡng chế, và nó rất lớn. Vật liệu từ cứng có Hc=800 kA-m, còn vật liệu từ mềm chỉ có 0,4 A-m. Tổng cộng, sự khác biệt là rất lớn: 2106 lần. Đó là lý do tại sao, dựa trên những đặc điểm này, sự phân chia như vậy đã được thông qua. Mặc dù, phải thừa nhận rằng nó khá có điều kiện. Vật liệu từ mềm có thể bão hòa ngay cả trong từ trường yếu. Chúng được sử dụng trong các trường tần số thấp. Ví dụ, trong các thiết bị bộ nhớ từ tính. Các vật liệu từ cứng rất khó từ hóa, nhưng chúng giữ được từ tính trong một thời gian rất dài. Đó là từ chúng mà nam châm vĩnh cửu tốt được thu được. Các lĩnh vực ứng dụng của vật liệu từ cứng rất nhiều và rộng rãi, một số trong số chúng được liệt kê ở đầu bài báo. Có một nhóm khác - vật liệu từ tính cho các mục đích đặc biệt, phạm vi của chúng rất hẹp.
Chi tiết về độ cứng
Như đã đề cập, vật liệu từ cứng có vòng từ trễ rộng và lực cưỡng bức lớn, độ từ thẩm thấp. Chúng được đặc trưng bởi năng lượng từ trường riêng tối đa được tạo ra trongkhoảng trống. Và vật liệu từ tính càng "cứng", độ bền của nó càng cao thì độ từ thẩm càng thấp. Năng lượng từ trường riêng được cho là đóng vai trò quan trọng nhất trong việc đánh giá chất lượng của vật liệu. Trên thực tế, nam châm vĩnh cửu không tỏa năng lượng ra không gian bên ngoài với một mạch từ kín, bởi vì tất cả các đường sức nằm bên trong lõi, và không có từ trường bên ngoài nó. Để tận dụng tối đa năng lượng của nam châm vĩnh cửu, một khe hở không khí có kích thước và cấu hình xác định nghiêm ngặt được tạo ra bên trong một mạch từ kín.
Theo thời gian, nam châm "già đi", từ thông của nó giảm dần. Tuy nhiên, sự lão hóa như vậy có thể vừa là không thể đảo ngược vừa có thể đảo ngược được. Trong trường hợp thứ hai, nguyên nhân của sự già đi của nó là các cú sốc, chấn động, dao động nhiệt độ, trường bên ngoài không đổi. Cảm ứng từ bị giảm. Nhưng nó có thể được từ hóa trở lại, do đó khôi phục lại các đặc tính tuyệt vời của nó. Nhưng nếu nam châm vĩnh cửu đã trải qua bất kỳ thay đổi cấu trúc nào, thì quá trình tái từ hóa sẽ không giúp ích được gì, quá trình lão hóa sẽ không bị loại bỏ. Nhưng chúng phục vụ trong một thời gian dài, và mục đích của vật liệu từ cứng là rất lớn. Ví dụ theo nghĩa đen ở khắp mọi nơi. Nó không chỉ là nam châm vĩnh cửu. Đây là tài liệu để lưu trữ thông tin, để ghi lại thông tin - cả âm thanh, kỹ thuật số và video. Nhưng trên đây chỉ là một phần nhỏ ứng dụng của vật liệu từ cứng.
Đúc vật liệu từ cứng
Theo phương pháp sản xuất và thành phần, vật liệu từ cứng có thể được đúc, bột và các loại khác. Chúng dựa trên các hợp kim.sắt, niken, nhôm và sắt, niken, coban. Những thành phần này là cơ bản nhất để có được một nam châm vĩnh cửu. Chúng thuộc về độ chính xác, vì số lượng của chúng được xác định bởi các yếu tố công nghệ nghiêm ngặt nhất. Vật liệu từ cứng đúc thu được trong quá trình đông cứng kết tủa của hợp kim, nơi quá trình làm nguội xảy ra với tốc độ tính toán từ khi nóng chảy đến khi bắt đầu phân hủy, xảy ra theo hai giai đoạn.
Đầu tiên - khi thành phần gần với sắt nguyên chất với các đặc tính từ tính rõ rệt. Như thể các tấm có độ dày một miền xuất hiện. Và giai đoạn thứ hai gần với hợp chất liên kim loại hơn trong thành phần, nơi niken và nhôm có đặc tính từ tính thấp. Nó chỉ ra một hệ thống mà pha không từ tính được kết hợp với các tạp từ mạnh với một lực cưỡng chế lớn. Nhưng hợp kim này không đủ tốt về tính chất từ tính. Phổ biến nhất là một thành phần khác, được hợp kim hóa: sắt, niken, nhôm và đồng với coban để tạo hợp kim. Các hợp kim không chứa coban có đặc tính từ tính thấp hơn, nhưng chúng rẻ hơn nhiều.
Vật liệu từ cứng dạng bột
Chất liệu bột được sử dụng cho nam châm vĩnh cửu thu nhỏ nhưng phức tạp. Chúng là kim loại-gốm, kim loại-nhựa, oxit và vi hạt. Giấy chứng nhận là đặc biệt tốt. Về tính chất từ tính, nó hơi kém hơn so với loại đúc, nhưng có phần đắt hơn chúng. Nam châm gốm-kim loại được tạo ra bằng cách ép bột kim loại mà không cần bất kỳ vật liệu kết dính nào và thiêu kết chúng ở nhiệt độ rất cao. Bột được sử dụngvới các hợp kim được mô tả ở trên, cũng như những hợp kim dựa trên bạch kim và kim loại đất hiếm.
Về độ bền cơ học, luyện kim bột vượt trội hơn so với đúc, nhưng tính chất từ tính của nam châm kim loại-gốm vẫn thấp hơn một chút so với nam châm đúc. Nam châm làm từ bạch kim có giá trị lực cưỡng chế rất cao, và các thông số có độ ổn định cao. Hợp kim với uranium và kim loại đất hiếm có giá trị kỷ lục về năng lượng từ trường cực đại: giá trị giới hạn là 112 kJ trên mét vuông. Các hợp kim như vậy thu được bằng cách ép lạnh bột đến mức độ mật độ cao nhất, sau đó viên bánh được thiêu kết với sự có mặt của pha lỏng và đúc thành phần đa thành phần. Không thể trộn các thành phần đến mức như vậy bằng cách đúc đơn giản.
Vật liệu từ cứng khác
Vật liệu từ cứng cũng bao gồm những vật liệu có mục đích chuyên dụng cao. Đây là nam châm đàn hồi, hợp kim có thể biến dạng dẻo, vật liệu cho vật mang thông tin và nam châm lỏng. Nam châm biến dạng có đặc tính dẻo tuyệt vời, chúng phù hợp hoàn hảo với bất kỳ loại gia công cơ khí nào - dập, cắt, gia công. Nhưng những nam châm này rất đắt. Nam châm Kunife làm bằng đồng, niken và sắt có tính dị hướng, tức là chúng bị nhiễm từ theo hướng lăn, chúng được sử dụng ở dạng dập và dạng dây. Nam châm Vikalloy làm bằng coban và vanadi được làm ở dạng băng từ có độ bền cao, cũng như dây. Thành phần này phù hợp với các nam châm rất nhỏ có cấu hình phức tạp nhất.
Nam châm đàn hồi - trên đế cao su, trong đóChất độn là một dạng bột mịn của vật liệu từ tính cứng. Thông thường nó là ferit bari. Phương pháp này cho phép bạn có được các sản phẩm hoàn toàn có hình dạng bất kỳ với khả năng sản xuất cao. Chúng cũng được cắt hoàn hảo bằng kéo, uốn cong, dập, xoắn. Chúng rẻ hơn nhiều. Cao su từ tính được sử dụng như các tấm bộ nhớ từ tính cho máy tính, trong tivi, cho các hệ thống hiệu chỉnh. Là vật mang thông tin, vật liệu từ tính đáp ứng nhiều yêu cầu. Đây là cảm ứng dư mức cao, tác dụng tự khử từ nhỏ (nếu không sẽ mất thông tin), giá trị lực cưỡng chế cao. Và để quá trình tẩy xóa hồ sơ diễn ra thuận lợi, chỉ cần một lực nhỏ thôi, nhưng mâu thuẫn này đã được xóa bỏ nhờ sự hỗ trợ của công nghệ.
