Hoy en día, es casi imposible encontrar una industria técnica que no utilice materiales magnéticos duros e imanes permanentes. Estos son la acústica, la radioelectrónica, la informática, los equipos de medición, la automatización, el calor, la energía, la energía eléctrica, la construcción, la metalurgia, cualquier tipo de transporte, la agricultura, la medicina, el procesamiento de minerales y incluso en la cocina de todos hay un horno de microondas, calienta la pizza. Es imposible enumerarlo todo, los materiales magnéticos nos acompañan en cada paso de nuestra vida. Y todos los productos con su ayuda funcionan de acuerdo con principios completamente diferentes: los motores y generadores tienen sus propias funciones, y los dispositivos de frenado tienen las suyas, el separador hace una cosa y el detector de fallas hace otra. Probablemente, no existe una lista completa de dispositivos técnicos en los que se utilizan materiales magnéticos duros, hay muchos de ellos.
¿Qué son los sistemas magnéticos?
Nuestro planeta en sí es un sistema magnético excepcionalmente bien aceitado. Todos los demás se basan en el mismo principio. Los materiales magnéticos duros tienen propiedades funcionales muy diversas. En los catálogos de proveedores, no en vano se dan no solo sus parámetros, sino también propiedades físicas. Además, pueden ser materiales magnéticamente duros y magnéticamente blandos. Por ejemplo, tome tomógrafos resonantes, donde se utilizan sistemas con un campo magnético muy uniforme, y compárelos con separadores, donde el campo es claramente heterogéneo. ¡Un principio completamente diferente! Se han dominado los sistemas magnéticos, donde el campo se puede encender y apagar. Así es como se diseñan las empuñaduras. Y algunos sistemas incluso cambian el campo magnético en el espacio. Estos son conocidos klystrons y lámparas de ondas viajeras. Las propiedades de los materiales magnéticos blandos y duros son realmente mágicas. Son como catalizadores, casi siempre actúan como intermediarios, pero sin la menor pérdida de su propia energía, son capaces de transformar la de otra persona, convirtiendo una especie en otra.
Por ejemplo, un impulso magnético se convierte en energía mecánica en el funcionamiento de acoplamientos, separadores y similares. La energía mecánica se convierte con la ayuda de imanes en energía eléctrica, si se trata de micrófonos y generadores. ¡Y viceversa sucede! En altavoces y motores, los imanes convierten la electricidad en energía mecánica, por ejemplo. Y eso no es todo. La energía mecánica puede incluso convertirse en energía térmica, como lo hace el sistema magnético en el funcionamiento de un horno de microondas o en un dispositivo de frenado. Son capacesmateriales magnéticamente duros y magnéticamente blandos y en efectos especiales - en sensores Hall, en tomógrafos de resonancia magnética, en comunicación por microondas. Puede escribir un artículo separado sobre el efecto catalítico en los procesos químicos, cómo los campos magnéticos de gradiente en el agua afectan las estructuras de los iones, las moléculas de proteínas y los gases disueltos.
Magia de la antigüedad
El material natural, la magnetita, era conocido por la humanidad hace varios milenios. En ese momento, aún no se conocían todas las propiedades de los materiales magnéticos duros y, por lo tanto, no se usaban en dispositivos técnicos. Y todavía no había dispositivos técnicos. Nadie sabía hacer cálculos para el funcionamiento de los sistemas magnéticos. Pero ya se ha notado la influencia sobre los objetos biológicos. El uso de materiales magnéticos duros en un principio fue puramente con fines médicos, hasta que los chinos inventaron la brújula en el siglo III a. Sin embargo, el tratamiento con un imán no se ha detenido hasta el día de hoy, a pesar de que hay discusiones constantes sobre la nocividad de tales métodos. El uso de materiales magnéticos duros en medicina en los EE. UU., China y Japón es especialmente activo. Y en Rusia hay partidarios de métodos alternativos, aunque es imposible medir la magnitud del impacto en el cuerpo o la planta con ningún instrumento.
Pero volvamos a la historia. En Asia Menor, hace muchos siglos, la antigua ciudad de Magnesia ya existía a orillas del Meandro caudaloso. Y hoy puedes visitar sus pintorescas ruinas en Turquía. Fue allí donde se descubrió el primer mineral de hierro magnético, que lleva el nombre deciudades Muy rápidamente, se extendió por todo el mundo, y los chinos, hace cinco mil años, con su ayuda, inventaron un dispositivo de navegación que aún no muere. Ahora la humanidad ha aprendido a producir imanes artificialmente a escala industrial. La base para ellos es una variedad de ferromagnetos. La Universidad de Tartu tiene el imán natural más grande, capaz de levantar unos cuarenta kilogramos, mientras que ella misma pesa solo trece. Los polvos de hoy están hechos de cob alto, hierro y varios otros aditivos, soportan cargas cinco mil veces más de lo que pesan.
Circuito de histéresis
Hay dos tipos de imanes artificiales. El primer tipo son las constantes, que están hechas de materiales magnéticos duros, sus propiedades no están asociadas de ninguna manera con fuentes o corrientes externas. El segundo tipo son los electroimanes. Tienen un núcleo hecho de hierro, un material magnéticamente suave, y una corriente pasa a través del devanado de este núcleo, lo que crea un campo magnético. Ahora tenemos que considerar los principios de su trabajo. Caracteriza las propiedades magnéticas del ciclo de histéresis para materiales magnéticos duros. Existen tecnologías bastante complejas para la fabricación de sistemas magnéticos, por lo que se necesita información sobre la magnetización, la permeabilidad magnética y las pérdidas de energía cuando se produce la inversión de la magnetización. Si el cambio de intensidad es cíclico, la curva de remagnetización (cambios de inducción) siempre parecerá una curva cerrada. Este es el bucle de histéresis. Si el campo es débil, entonces el bucle se parece más a una elipse.
Cuando la tensiónel campo magnético aumenta, se obtiene una serie completa de tales bucles, encerrados entre sí. En el proceso de magnetización, todos los vectores se orientan y, al final, llegará un estado de saturación técnica, el material se magnetizará por completo. El lazo obtenido durante la saturación se denomina lazo límite, muestra el valor máximo alcanzado de la inducción Bs (inducción de saturación). Cuando la tensión disminuye, la inducción residual permanece. El área de los bucles de histéresis en los estados límite e intermedio muestra la disipación de energía, es decir, la pérdida por histéresis. Depende sobre todo de la frecuencia de inversión de la magnetización, las propiedades del material y las dimensiones geométricas. El ciclo de histéresis limitante puede determinar las siguientes características de los materiales magnéticos duros: inducción de saturación Bs, inducción residual Bc y fuerza coercitiva Hc.
Curva de magnetización
Esta curva es la característica más importante, porque muestra la dependencia de la magnetización y la fuerza del campo externo. La inducción magnética se mide en Tesla y está relacionada con la magnetización. La curva de conmutación es la principal, es la ubicación de los picos en los bucles de histéresis, que se obtienen durante la remagnetización cíclica. Esto refleja el cambio en la inducción magnética, que depende de la intensidad del campo. Cuando el circuito magnético está cerrado, la intensidad del campo reflejado en forma de toroide es igual a la intensidad del campo externo. Si el circuito magnético está abierto, aparecen polos en los extremos del imán, que crean desmagnetización. Diferencia entreestas tensiones determina la tensión interna del material.
Hay secciones características en la curva principal que se destacan cuando se magnetiza un solo cristal de un ferroimán. La primera sección muestra el proceso de desplazamiento de los límites de los dominios sintonizados desfavorablemente y, en la segunda, los vectores de magnetización se vuelven hacia el campo magnético externo. La tercera sección es el paraproceso, la etapa final de magnetización, aquí el campo magnético es fuerte y dirigido. La aplicación de materiales magnéticos blandos y duros depende en gran medida de las características obtenidas de la curva de magnetización.
Permeabilidad y pérdida de energía
Para caracterizar el comportamiento de un material en un campo de tensión, es necesario utilizar el concepto de permeabilidad magnética absoluta. Hay definiciones de permeabilidad magnética de impulso, diferencial, máxima, inicial y normal. El relativo se traza a lo largo de la curva principal, por lo que no se utiliza esta definición, por simplicidad. La permeabilidad magnética en condiciones en las que H=0 se denomina inicial y solo se puede determinar en campos débiles, hasta aproximadamente 0,1 unidades. El máximo, por el contrario, caracteriza la mayor permeabilidad magnética. Los valores normal y máximo brindan la oportunidad de observar el curso normal del proceso en cada caso particular. En la región de saturación en campos fuertes, la permeabilidad magnética siempre tiende a la unidad. Todos estos valores son necesarios para el uso de magnéticos duros.materiales, úsalos siempre.
La pérdida de energía durante la inversión de la magnetización es irreversible. La electricidad se libera en el material en forma de calor, y sus pérdidas se componen de pérdidas dinámicas y pérdidas por histéresis. Estos últimos se obtienen desplazando las paredes del dominio cuando recién comienza el proceso de magnetización. Dado que el material magnético tiene una estructura no homogénea, la energía se gasta necesariamente en la alineación de las paredes del dominio. Y las pérdidas dinámicas se obtienen en relación con las corrientes de Foucault que ocurren en el momento de cambiar la fuerza y la dirección del campo magnético. La energía se disipa de la misma manera. Y las pérdidas debidas a las corrientes de Foucault superan incluso las pérdidas por histéresis a altas frecuencias. Además, se obtienen pérdidas dinámicas debido a cambios residuales en el estado del campo magnético después de que la intensidad ha cambiado. La cantidad de pérdidas por efecto secundario depende de la composición, del tratamiento térmico del material, aparecen especialmente a altas frecuencias. El efecto posterior es la viscosidad magnética, y estas pérdidas siempre se tienen en cuenta si se utilizan ferroimanes en modo pulsado.
Clasificación de materiales magnéticos duros
Los términos que hablan de suavidad y dureza no se aplican en absoluto a las propiedades mecánicas. Muchos materiales duros son en realidad magnéticamente blandos y, desde un punto de vista mecánico, los materiales blandos también son magnéticos bastante duros. El proceso de magnetización en ambos grupos de materiales ocurre de la misma manera. Primero, los límites del dominio se desplazan, luego la rotación comienza enen la dirección de un campo cada vez más magnetizador, y finalmente, comienza el paraproceso. Y aquí es donde entra la diferencia. La curva de magnetización muestra que es más fácil mover los límites, se gasta menos energía, pero el proceso de rotación y el paraproceso consumen más energía. Los materiales magnéticos blandos se magnetizan por el desplazamiento de los límites. Magnético duro: debido a la rotación y al paraproceso.
La forma del ciclo de histéresis es aproximadamente la misma para ambos grupos de materiales, la saturación y la inducción residual también son casi iguales, pero la diferencia existe en la fuerza coercitiva y es muy grande. Los materiales magnéticos duros tienen Hc=800 kA-m, mientras que los materiales magnéticos blandos tienen solo 0,4 A-m. En total, la diferencia es enorme: 2106 veces. Es por ello que, en base a estas características, se adoptó dicha división. Aunque, hay que admitir que es más bien condicional. Los materiales magnéticos blandos pueden saturarse incluso en un campo magnético débil. Se utilizan en campos de baja frecuencia. Por ejemplo, en dispositivos de memoria magnética. Los materiales magnéticos duros son difíciles de magnetizar, pero retienen la magnetización durante mucho tiempo. De ellos se obtienen buenos imanes permanentes. Las áreas de aplicación de los materiales magnéticos duros son numerosas y extensas, algunas de ellas se enumeran al principio del artículo. Hay otro grupo: materiales magnéticos para fines especiales, su alcance es muy limitado.
Detalles de dureza
Como ya se mencionó, los materiales magnéticos duros tienen un amplio ciclo de histéresis y una gran fuerza coercitiva, baja permeabilidad magnética. Se caracterizan por la máxima energía magnética específica desprendida enespacio. Y cuanto más "duro" es el material magnético, mayor es su fuerza, menor es la permeabilidad. La energía magnética específica tiene el papel más importante en la evaluación de la calidad del material. Un imán permanente prácticamente no emite energía al espacio exterior con un circuito magnético cerrado, porque todas las líneas de fuerza están dentro del núcleo y no hay campo magnético fuera de él. Para aprovechar al máximo la energía de los imanes permanentes, se crea un entrehierro de tamaño y configuración estrictamente definidos dentro de un circuito magnético cerrado.
Con el tiempo, el imán "envejece", su flujo magnético disminuye. Sin embargo, dicho envejecimiento puede ser tanto irreversible como reversible. En este último caso, las causas de su envejecimiento son golpes, golpes, fluctuaciones de temperatura, campos externos constantes. La inducción magnética se reduce. Pero puede magnetizarse de nuevo, restaurando así sus excelentes propiedades. Pero si el imán permanente ha sufrido cambios estructurales, la remagnetización no ayudará, el envejecimiento no se eliminará. Pero sirven durante mucho tiempo, y el propósito de los materiales magnéticos duros es excelente. Los ejemplos están literalmente en todas partes. No son solo imanes permanentes. Este es un material para almacenar información, para grabarla, tanto en sonido como digital y video. Pero lo anterior es solo una pequeña parte de la aplicación de materiales magnéticos duros.
Materiales magnéticos duros fundidos
De acuerdo con el método de producción y composición, los materiales magnéticos duros pueden ser fundidos, en polvo y otros. Se basan en aleaciones.hierro, níquel, aluminio y hierro, níquel, cob alto. Estas composiciones son las más básicas para conseguir un imán permanente. Pertenecen a la precisión, ya que su número está determinado por los más estrictos factores tecnológicos. Los materiales magnéticos duros fundidos se obtienen durante el endurecimiento por precipitación de la aleación, donde se produce el enfriamiento a una velocidad calculada desde la fusión hasta el inicio de la descomposición, que se produce en dos fases.
El primero: cuando la composición es cercana al hierro puro con propiedades magnéticas pronunciadas. Como si aparecieran placas de espesor de un solo dominio. Y la segunda fase está más cerca del compuesto intermetálico en composición, donde el níquel y el aluminio tienen propiedades magnéticas bajas. Resulta un sistema donde la fase no magnética se combina con inclusiones fuertemente magnéticas con una gran fuerza coercitiva. Pero esta aleación no es lo suficientemente buena en propiedades magnéticas. La más común es otra composición, aleado: hierro, níquel, aluminio y cobre con cob alto para alear. Las aleaciones sin cob alto tienen propiedades magnéticas más bajas, pero son mucho más baratas.
Materiales magnéticos duros en polvo
Los materiales en polvo se utilizan para imanes permanentes en miniatura pero complejos. Los hay metal-cerámica, metal-plástico, óxido y micropolvo. El cermet es especialmente bueno. En términos de propiedades magnéticas, es bastante inferior a las fundidas, pero algo más caras que ellas. Los imanes de metal cerámico se fabrican prensando polvos metálicos sin ningún material aglutinante y sinterizándolos a temperaturas muy altas. Se utilizan polvoscon las aleaciones descritas anteriormente, así como las basadas en platino y metales de tierras raras.
En términos de resistencia mecánica, la pulvimetalurgia es superior a la fundición, pero las propiedades magnéticas de los imanes de metal-cerámica siguen siendo algo inferiores a las de los fundidos. Los imanes a base de platino tienen valores de fuerza coercitiva muy altos y los parámetros son muy estables. Las aleaciones con uranio y metales de tierras raras tienen valores récord de energía magnética máxima: el valor límite es de 112 kJ por metro cuadrado. Dichas aleaciones se obtienen prensando en frío el polvo al más alto grado de densidad, luego las briquetas se sinterizan con la presencia de una fase líquida y se moldean en una composición de múltiples componentes. Es imposible mezclar los componentes hasta tal punto mediante una simple colada.
Otros materiales magnéticos duros
Los materiales magnéticos duros también incluyen aquellos con un propósito altamente especializado. Estos son imanes elásticos, aleaciones plásticamente deformables, materiales para portadores de información e imanes líquidos. Los imanes deformables tienen excelentes propiedades plásticas, se prestan perfectamente a cualquier tipo de procesamiento mecánico: estampado, corte, mecanizado. Pero estos imanes son caros. Los imanes Kunife fabricados en cobre, níquel y hierro son anisotrópicos, es decir, se magnetizan en el sentido de laminación, se utilizan en forma de estampación y alambre. Los imanes Vikalloy hechos de cob alto y vanadio están hechos en forma de cinta magnética de alta resistencia, así como de alambre. Esta composición es buena para imanes muy pequeños con la configuración más compleja.
Imanes elásticos - sobre una base de goma, en la queEl relleno es un polvo fino de un material magnético duro. La mayoría de las veces es ferrita de bario. Este método le permite obtener productos de absolutamente cualquier forma con alta capacidad de fabricación. También están perfectamente cortados con tijeras, doblados, estampados, retorcidos. Son mucho más baratos. El caucho magnético se utiliza como láminas de memoria magnética para computadoras, en televisión, para sistemas correctivos. Como portadores de información, los materiales magnéticos cumplen muchos requisitos. Esta es una inducción residual de alto nivel, un pequeño efecto de autodesmagnetización (de lo contrario, se perderá la información), un alto valor de la fuerza coercitiva. Y para facilitar el proceso de borrado de registros, solo se necesita una pequeña cantidad de esta fuerza, pero esta contradicción se elimina con la ayuda de la tecnología.
