Магнит

<час />

Фон

Магнит - это материал, который может оказывать заметное усилие на другие материалы, фактически не контактируя с ними. Эта сила известна как магнитная сила и может притягивать или отталкивать. Хотя все известные материалы обладают той или иной магнитной силой, в большинстве материалов она настолько мала, что незаметна. У других материалов магнитная сила намного больше, и они называются магнитами. Сама Земля - ​​огромный магнит.

Некоторые магниты, известные как постоянные магниты, воздействуют на объекты без какого-либо внешнего воздействия. утюг руда магнетит, также известный как магнитный камень, является естественным постоянным магнитом. Другие постоянные магниты могут быть изготовлены путем воздействия на определенные материалы магнитной силы. Когда сила снимается, эти материалы сохраняют свои магнитные свойства. Хотя магнитные свойства могут изменяться со временем или при повышенных температурах, эти материалы обычно считаются постоянно намагниченными, отсюда и название.

Другие магниты известны как электромагниты. Они сделаны путем окружения определенных материалов катушкой с проволокой. Когда через катушку проходит электрический ток, эти материалы создают магнитную силу. Когда ток отключается, магнитная сила этих материалов падает почти до нуля. Электромагнитные материалы практически не сохраняют магнитные свойства без протекания электрического тока в катушке.

У всех магнитов есть две точки, где магнитная сила наибольшая. Эти две точки известны как полюса. У прямоугольного или цилиндрического стержневого магнита эти полюса должны быть на противоположных концах. Один полюс называется полюсом поиска севера или северным полюсом, а другой полюс - полюсом поиска юга или южным полюсом. Эта терминология отражает одно из первых применений магнитных материалов, таких как магнитный камень. Когда они подвешены на веревке, северный полюс этих первых грубых компасов всегда будет «искать» или указывать на север. Это помогло морякам определить направление движения, чтобы добраться до далеких земель и вернуться домой.

В нашей нынешней технологии магнитные приложения включают компасы, электродвигатели, микроволновые печи, торговые автоматы с оплатой монетами, светомеры для фотографии, автомобильные гудки, телевизоры, громкоговорители и магнитофоны. И в простом держателе для банкнот, и в сложном медицинском магнитно-резонансном томографе используются магниты.

История

Магнитный магнитный камень природного происхождения был изучен и использовался греками еще в 500 до н.э. Другие цивилизации могли знать об этом раньше. Слово «магнит» происходит от греческого названия magnetis lithos, камень Магнезии, относящийся к региону на побережье Эгейского моря на территории современной Турции, где были найдены эти магнитные камни.

Считается, что первое использование магнитного камня в качестве компаса произошло в Европе примерно в AD . С 1100 по н. Э. 1200. Термин магнитный камень происходит от англосаксонского языка, означающего «ведущий камень» или буквально «ведущий камень». Исландское слово - leider-stein, и использовался в трудах того периода в отношении навигации кораблей.

В 1600 году английский ученый Уильям Гилберт подтвердил более ранние наблюдения относительно магнитных полюсов и пришел к выводу, что Земля является магнитом. В 1820 году голландский ученый Ганс Кристиан Эрстед открыл взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, а французский физик Андре Ампер в 1821 году расширил это открытие.

В начале 1900-х годов ученые начали изучать магнитные материалы, отличные от материалов на основе железа и стали. К 1930-м годам исследователи создали первые мощные постоянные магниты из сплава Алнико. Еще более мощные керамические магниты с использованием редкоземельных элементов были успешно разработаны в 1970-х годах с дальнейшими достижениями в этой области в 1980-х годах.

Сегодня магнитные материалы могут быть изготовлены с учетом множества различных требований к характеристикам в зависимости от конечного применения.

Сырье

При изготовлении магнитов сырье зачастую более важно, чем производственный процесс. Материалы, используемые в постоянных магнитах (иногда называемые твердыми материалами, что отражает раннее использование легированных сталей для этих магнитов), отличаются от материалов, используемых в электромагнитах (иногда называемых мягкими материалами, что отражает использование мягкого ковкого чугуна в это приложение).

Материалы с постоянными магнитами

Магниты с постоянными магнитами содержат магнетит, твердый кристаллический феррит железа, магнетизм которого обусловлен воздействием на него магнитного поля Земли. Также можно намагничивать различные стальные сплавы. Первый большой шаг в разработке более эффективных материалов для постоянных магнитов был сделан в 1930-х годах с разработкой магнитов из сплава Alnico. Эти магниты получили свое название от химических символов элементов алюминий-никель-кобальт, используемых для изготовления сплава. После намагничивания магниты Alnico обладают в 5-17 раз большей магнитной силой, чем магнетит.

Керамические постоянные магниты изготавливаются из мелкодисперсного феррита бария или феррита стронция, образующегося под действием тепла и давления. Их магнитная сила увеличивается за счет выравнивания частиц порошка с помощью сильного магнитного поля во время формования. Керамические магниты сравнимы с магнитами Alnico по магнитной силе и имеют то преимущество, что их можно прессовать в различные формы без значительной механической обработки.

Гибкие постоянные магниты изготавливаются из порошкообразного феррита бария или феррита стронция, смешанного в связующем материале, таком как резина, или гибком пластике, таком как поливинилхлорид.

В 1970-х годах исследователи разработали постоянные магниты из порошкообразного самариевого кобальта, сплавленного под действием тепла. В этих магнитах используется то обстоятельство, что группы атомов, называемые магнитными доменами, в гексагональных кристаллах этого материала имеют тенденцию к магнитному выравниванию. Из-за этого естественного выравнивания самариево-кобальтовые магниты могут создавать магнитные силы в 50 раз сильнее, чем магнетит. В наушниках для небольших персональных стереосистем используются постоянные магниты из самария и кобальта. Самарий-кобальтовые магниты также имеют то преимущество, что они могут работать при более высоких температурах, чем другие постоянные магниты, без потери своей магнитной силы.

Подобные постоянные магниты были изготовлены в 1980-х годах с использованием порошкового неодима, железа и бора, который создает магнитные силы почти в 75 раз сильнее, чем магнетит. Это самые мощные постоянные магниты, доступные сегодня на рынке.

Электромагнитные материалы

В электромагнитах чаще всего используются чистое железо и его сплавы. Кремниевое железо и специально обработанные сплавы железо-кобальт используются в низкочастотных силовых трансформаторах.

Особый оксид железа, называемый гамма-оксидом железа, часто используется при производстве магнитных лент для записи звука и данных. Другие материалы для этого приложения включают На приведенных выше иллюстрациях показан типичный процесс порошковой металлургии, используемый для производства мощных постоянных магнитов из неодима, железа и бора. модифицированные кобальтом оксиды железа и диоксид хрома. Материал тонко измельчен и покрыт тонкой полиэфирной пластиковой пленкой.

Другие магнитные материалы

Магнитные жидкости могут быть получены путем инкапсуляции порошкообразных частиц феррита бария в один слой молекул длинноцепочечного полимерного пластика. Затем частицы удерживаются во взвешенном состоянии в жидкости, такой как вода или масло. Благодаря пластиковому корпусу магнитные частицы скользят друг по другу практически без трения. Частицы настолько малы, что нормальное тепловое перемешивание жидкости препятствует осаждению частиц. Магнитные жидкости используются в нескольких приложениях в качестве герметиков, смазок или материалов для гашения вибрации.

Производственный
процесс

Так же, как материалы для разных магнитов различаются, производственные процессы также различаются. Многие электромагниты отливаются с использованием стандартных методов литья металлов. Гибкие постоянные магниты образуются в процессе экструзии пластика, при котором материалы смешиваются, нагреваются и проталкиваются через формованное отверстие под давлением.

Некоторые магниты формируются с использованием модифицированного процесса порошковой металлургии, в котором мелкодисперсный металлический порошок подвергается воздействию давления, тепла и магнитных сил, чтобы сформировать окончательный магнит. Вот типичный процесс порошковой металлургии, используемый для производства мощных постоянных магнитов из неодима, железа и бора с площадью поперечного сечения около 3–10 квадратных дюймов (20–65 см2):

Подготовка металлического порошка

• 1 Соответствующие количества неодима, железа и бора нагревают до плавления в вакууме. Вакуум предотвращает любую химическую реакцию между воздухом и плавящимися материалами, которая может загрязнить готовый металлический сплав.
• 2 После охлаждения и затвердевания металл распадается на мелкие кусочки. Затем мелкие кусочки измельчают в мелкий порошок в шаровой мельнице.

Нажатие

• 3 Металлический порошок помещают в форму, называемую штампом, такой же длины и ширины (или диаметра, для круглых магнитов), что и готовый магнит. К порошкообразному материалу прикладывают магнитную силу, чтобы выровнять частицы порошка. Во время приложения магнитной силы порошок сжимается сверху и снизу с помощью гидравлических или механических плунжеров, чтобы сжать его в пределах примерно 0,125 дюйма (0,32 см) от его конечной заданной толщины. Типичное давление составляет от 10 000 до 15 000 фунтов на квадратный дюйм (от 70 до 100 МПа). Некоторые формы получают путем помещения порошкообразного материала в гибкий, герметичный, откачанный контейнер и прессования его в форму под давлением жидкости или газа. Это известно как изостатическое уплотнение.

Отопление

• 4 Сжатую «порцию» металлического порошка вынимают из фильеры и помещают в печь. Процесс нагрева сжатых металлических порошков для превращения их в сплавленные твердые металлические детали называется спеканием. Процесс обычно состоит из трех этапов. На первом этапе сжатый материал нагревают до низкой температуры, чтобы медленно удалить влагу или другие загрязнения, которые могли быть захвачены во время процесса прессования. На втором этапе температуру повышают примерно до 70-90% от точки плавления металлического сплава и поддерживают ее в течение нескольких часов или нескольких дней, чтобы позволить мелким частицам сплавиться вместе. Наконец, материал медленно охлаждается с контролируемыми пошаговыми приращениями температуры.

Отжиг

• 5 Затем спеченный материал подвергается второму контролируемому процессу нагрева и охлаждения, известному как отжиг. Этот процесс устраняет любые остаточные напряжения в материале и укрепляет его.

Завершение

• 6 Отожженный материал очень близок к готовой форме и желаемым размерам. Это состояние известно как форма "ближней сети". В процессе окончательной обработки излишки материала удаляются и при необходимости получается гладкая поверхность. Затем на материал наносится защитное покрытие для герметизации поверхностей.

Намагничивание

• 7 До этого момента материал представлял собой просто кусок сжатого и расплавленного металла. Несмотря на то, что во время прессования на него воздействовала магнитная сила, эта сила не намагничивала материал, а просто выстраивала рыхлые частицы порошка. Чтобы превратить его в магнит, деталь помещают между полюсами очень мощного электромагнита и ориентируют в желаемом направлении намагничивания. Затем на электромагнит подается питание на некоторое время. Магнитная сила выравнивает группы атомов или магнитные домены внутри материала, превращая деталь в сильный постоянный магнит.

Контроль качества

Каждый этап производственного процесса отслеживается и контролируется. Процессы спекания и отжига особенно важны для окончательных механических и магнитных свойств магнита, и переменные времени и температуры должны тщательно контролироваться.

Опасные материалы,
побочные продукты и
переработка

Барий и соединения бария, используемые для изготовления постоянных магнитов из феррита бария, ядовиты и считаются токсичными материалами. Компании, производящие магниты из феррита бария, должны принимать особые меры предосторожности при хранении, обращении и утилизации бариевых продуктов.

Электромагниты обычно можно утилизировать, утилизируя железные сердечники компонентов и медную проводку в катушке. Частичная переработка постоянных магнитов может быть достигнута путем удаления их из устаревшего оборудования и повторного использования в аналогичном новом оборудовании. Однако это не всегда возможно, и необходимо разработать более комплексный подход к переработке постоянных магнитов.

Будущее

Исследователи продолжают поиски еще более мощных магнитов, чем те, которые доступны сегодня. Одним из применений более мощных постоянных магнитов будет разработка небольших электродвигателей с высоким крутящим моментом для промышленных роботов с питанием от аккумуляторов . и дисководы портативных компьютеров. Более мощные электромагниты могут использоваться для левитации и движения высокоскоростных поездов с использованием импульсных магнитных полей. Такие поезда, иногда называемые поездами на магнитной подвеске, будут поддерживаться и управляться центральным магнитным «рельсом». Они будут двигаться, не касаясь рельса, что устраняет механическое трение и шум. Импульсные магнитные поля можно также использовать для запуска спутников в космос, не полагаясь на дорогие и тяжелые ракеты-носители.

Более мощные магниты также можно использовать в качестве инструментов исследования для разработки других новых материалов и процессов. Интенсивные импульсные магнитные поля в настоящее время используются в исследованиях ядерного синтеза для сдерживания горячей реагирующей ядерной плазмы, которая в противном случае расплавила бы любой сосуд из твердого материала. Магнитные поля также могут использоваться в исследованиях материалов для изучения поведения полупроводников, используемых в электронике, для определения эффектов создания микросхем микроразмеров.