Пастаянны магніт

Ферытавыя магніты

Сямейства завес магнітнага гістарэзісу электратэхнічнай сталі. B_r — рэшткавы індукцыя, H_c — каэрцытыўная сіла, знешняя пятля адпавядае стану насычэння.

Пастаянны магніт — выраб з магнітацвёрдага матэрыялу з высокай рэшткавай магнітнай індукцыяй, якое захоўвае стан намагнічанасці на працягу доўгага часу. Пастаянныя магніты вырабляюцца рознай формы і ўжываюцца ў якасці аўтаномных (не спажываючых энергіі) крыніц магнітнага поля.

Гісторыя развіцця магнітных матэрыялаў

прыродны мінерал магнетыт

Пастаянныя магніты, вырабленыя з магнетыту, ўжываліся ў медыцыне з старажытных часоў. Царыца Егіпта Клеапатра насіла магнітны кудмень. У старажытным Кітаі ў «Імператарскай кнізе па ўнутранай медыцыне» закраналася пытанне прымянення магнітных камянёў для карэкцыі ў целе энергіі Цы — «жывой сілы». У больш познія часы аб жыватворным уплыве магнітаў выказваліся вялікія лекары і філосафы: Арыстоцель, Авіцэна, Гіпакрат. У сярэднія стагоддзя прыдворны лекар Гілберт, які апублікаваў твор «Аб магніце», лячыў ад артрыту каралеву Лізавету I пры дапамозе пастаяннага магніта. Рускі лекар Боткін звяртаўся да метадаў магнітатэрапіі.

Першым штучным магнітным матэрыялам стала вугляродзістая сталь, загартаваная на структуру мартэнсіта і якая змяшчае каля 1,2—1,5 % вугляроду. Магнітныя ўласцівасці такой сталі адчувальныя да механічных і тэмпературных уздзеянняў. У ходзе эксплуатацыі пастаянных магнітаў на яе аснове назіралася з'ява «старэння» магнітных уласцівасцяў сталі.

Легаванне такі сталі вальфрамам і хромам да 3 %, а пазней кобальтам да 6 % сумесна з хромам да 6 % дазволіла доктару Хонда з Тохокского універсітэта стварыць новы тып сталі — КЅ — з высокай намагнічанасць і значнай коэрцитивной сілай. Для атрымання высокіх магнітных уласцівасцяў сталь падвяргалася пэўнай тэрмічнай апрацоўцы. Высокая рэшткавая індукцыя ў магнітаў з сталей KS дасягалася памяншэннем размагнічваючага фактару. Для гэтага часта магніты выпускаліся падоўжанай, падковападобнай формы.

Даследаванні магнітных уласцівасцяў сплаваў паказалі, што яны ў першую чаргу залежаць ад мікраструктуры матэрыялу. У 1930 годзе быў дасягнуты якасны скачок у атрыманні новай мікраструктуру цвярдзеючых сплаваў, і ў 1932 годзе за кошт легіравання сталі KS нікелем, алюмініем і меддзю доктар Г Міскіма атрымаў сталь МК.

Гэта значны крок у распрацоўцы шэрагу сплаваў, якія атрымалі пазней агульная назва Альніко (па расійскім стандартам ЮНДК).

Істотны прарыў у гэтай галіне зрабілі ў 1930-х гадах японскія навукоўцы, доктар Егоро Като і доктар Такэси Такэи з Такійскага тэхналагічнага інстытута. Замяшчэнне ў складзе магнетыта часткі аксіду двухвалентнага жалеза на аксід кобальту пры сінтэзе ферыту па керамічнай тэхналогіі прывяла да стварэння цвёрдага раствора кобальтого і жалезнага ферытаў. Каэрцытыўная сіла дадзенага тыпу ферыту дасягнула 48-72 кА/м (600-900 Э). У Японіі камерцыйныя ферытавых магніты з'явіліся прыблізна ў 1955 годзе, у Расіі — у сярэдзіне 1960-х. Барыевыя ферыты паступова мадыфікаваліся ў стронцыевыя, так як апошнія апынуліся больш тэхналагічнымі (не патрабавалі вельмі дакладнага рэгулявання тэмпературы спякання і экалагічна былі больш бяспечнымі). У складзе ферытавых магнітаў змяшчаецца 85-90 % аксіду жалеза, які з'яўляецца адыходам металургічнай галіны (з ўстаноўкі рэгенерацыі травільных хларыдных раствораў Рутнера), што значна зрабіць таннейшым вытворчасць.

Наступны значны тэхналагічны прарыў адбыўся ў лабараторыі U. S. Air Force Material Research, дзе было знойдзена інтэрметалічнае злучэнне самарыя з кобальтам (SmCo₅) з вялікай канстантай магнитокристаллической анізатрапіі. Пастаянны магніт, выраблены з такога матэрыялу, дазволіў дасягнуць уласцівасцяў (ВН)_макс = 16-24 МГсЭ, а на злучэнні Sm₂Co₁₇ — 32 МГсЭ, коэрцитивная сіла была падвышаная да 560-1000 кА/м. Магніты з SmCo вырабляюцца прамысловасцю з 1980-х гадоў. У гэта ж час было выяўлена злучэнне Nd₂Fe₁₄B. Магніты з гэтага матэрыялу з'явіліся і ў Японіі, і ў ЗША адначасова ў сярэдзіне 1980-х гадоў, але тэхналогія іх вытворчасці адрознівалася. У Японіі вытворчасць арганізоўвалася па тыпу магнітаў SmCo: вытворчасць парашка з адліванага сплаву, затым прэсаванне ў магнітным полі і спяканне. У ЗША быў прыняты meltspinning process: спачатку вырабляецца аморфны сплаў, затым ён здрабняецца і вырабляецца кампазіцыйны матэрыял. Магнітны парашок звязваецца гумай, вінілам, нейлонам або іншымі пластыкамі у кампазіцыйную масу, якую прэсуюць (інжэктуюць) або каландруют ў вырабы. Магніты з кампазіцыйнага матэрыялу маюць параўнальна са спеченными некалькі больш нізкія ўласцівасці, але не патрабуюць гальванічных пакрыццяў, лёгка апрацоўваюцца механічна, часцяком маюць прыгожы знешні выгляд афарбаваны ў розныя колеры. Магніты з Nd₂Fe₁₄B з'явіліся на рынку пастаянных магнітаў у 1990-х гадах і вельмі хутка дасягнулі на спеченный узорах энергіі ў 50 МгсЭ (400 кДж/м³). Гэты матэрыял хутка выцесніў іншыя, у першую чаргу — у мініяцюрнай электроніцы.

Ўласцівасці магніта

Ўласцівасці магніта вызначаюцца характарыстыкамі размагничивающего ўчастка завесы магнітнага гістарэзісу матэрыялу магніта: чым вышэй рэшткавы індукцыя B_r і кээрцытыўная сіла H_c, тым вышэй намагнічанасць і стабільнасць магніта.

Індукцыя пастаяннага магніта B_d не можа перавышаць B_r: роўнасць B_d = B_r магчыма толькі ў тым выпадку, калі магніт ўяўляе сабой замкнёны магнитопровод, гэта значыць не мае паветранага прамежку, аднак пастаянныя магніты, як правіла, выкарыстоўваюцца для стварэння магнітнага поля ў паветраным (або запоўненым іншы асяроддзем) зазоры, у гэтым выпадку B_d < B_r, велічыня рознасці залежыць ад формы магніта і уласцівасцяў асяроддзя.

Вытворчасць

Для вытворчасці пастаянных магнітаў звычайна выкарыстоўваюцца наступныя матэрыялы:

• Барыевыя і стронцыевыя магнітацвёрдыя ферыты

Маюць склад Ba/SrO·6 Fe₂O₃ і характарызуюцца высокай устойлівасцю да размагнічвання у спалучэнні з добрай каразійнай устойлівасцю. Нягледзячы на нізкія ў параўнанні з іншымі класамі магнітныя параметры і высокую далікатнасць, дзякуючы нізкаму кошту магнмтацвёрдыя ферыты найбольш шырока ўжываюцца ў прамысловасці.

• Магніты NdFeB (неадым-жалеза-бор)

Рэдказямельныя магніты, якія вырабляюцца прэсаваннем або ліццём з інтэрметаліду Nd₂Fe₁₄B. Перавагамі гэтага класа магнітаў з'яўляюцца высокія магнітныя ўласцівасці (B_r, H_c і (BH)_макс), а таксама невысокі кошт. У сувязі са слабой каразійнай устойлівасцю звычайна пакрываюцца меддзю, нікелем або цынкам.

• Рэдказямельныя магніты, SmCo (Самарыі-Кобальт)

Вырабляюцца метадам парашковай металургіі з кампазіцыйнага сплаву SmCo₅/Sm₂Co₁₇ і характарызуюцца высокімі магнітнымі ўласцівасцямі, выдатнай каразійнай устойлівасцю і добрай стабільнасцю параметраў пры тэмпературах да 350 °C, што забяспечвае ім перавагі на высокіх тэмпературах перад магніты NdFeB

• Магніты Альніко (расійская назва ЮНДК)

Вырабляюцца на аснове сплаву Al-Ni-Co-Fe. Да іх пераваг можна аднесці высокую тэмпературную стабільнасць у інтэрвале тэмператур да 550 °C, высокую часовую стабільнасць параметраў у спалучэнні з вялікай велічынёй коэрцитивной сілы, добрую каразійную ўстойлівасць. Важным фактарам у карысць іх выбару можа з'яўляцца значна меншая кошт у параўнанні з магнітамі з Sm-Co.

• Палімерныя пастаянныя магніты (магнітапласты)

Вырабляюцца з сумесі магнітнага парашка і злучнай палімернай кампаненты (напрыклад, гумы). Годнасцю магнитопластов з'яўляецца магчымасць атрымання складаных формаў вырабаў з высокай дакладнасцю памераў, а таксама высокая каразійная ўстойлівасць ў спалучэнні з вялікай велічынёй удзельнага супраціўлення і малай вагай.

Для ужыванняў пры звычайных тэмпературах самыя моцныя пастаянныя магніты робяцца з сплаваў, якія змяшчаюць неадым. Яны выкарыстоўваюцца ў такіх галінах, як магнітна-рэзанансная тамаграфія, серваприводы цвёрдых дыскаў і стварэнне высакаякасных дынамікаў, а таксама вядучай часткі рухавікоў авіямадэляў.

Пастаянныя магніты на ўроках фізікі звычайна дэманструюцца ў выглядзе падковы, палюсы якой афарбаваныя ў сіні і чырвоны колер.

Асобныя шарыкі і цыліндры з моцнымі магнітнымі ўласцівасцямі выкарыстоўваюцца ў якасці хай-тэк упрыгожванняў/цацак — яны без дадатковых мацаванняў збіраюцца ў ланцужкі, якія можна насіць як бранзалет. Таксама ў продажы ёсць канструктары, якія складаюцца з набору цыліндрычных магнітных палачак і сталёвых шарыкаў. З іх можна збіраць мноства канструкцый, у асноўным фермавага тыпу.

Акрамя таго, існуюць плоскія гнуткія магніты на палімернай аснове з магнітнымі дадаткамі, якія выкарыстоўваюцца, напрыклад, для вырабу дэкаратыўных магнітаў на халадзільнікі, афарміцельскіх і іншых работ. Выпускаюцца ў выглядзе стужак і лістоў, звычайна з нанесеным клеевым пластом і плёнкай, якая абараняе яго. Магнітнае поле ў такога плоскага магніта паласатае — з крокам каля двух міліметраў па ўсёй паверхні чаргуюцца паўночныя і паўднёвыя палюсф.

Гл. таксама

• Магніт
• Электрамагніт
• Дынамік

  Зноскі

Літаратура

• Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 7 «Физика сплошных сред». М., Мир, 1966
• «ПОСТОЯННЫЕ МАГНИТЫ СПРАВОЧНИК» под ред. Ю. М. Пятина, М., Энергия, 1980
• Куневич А. В., Подольский А. В. Сидоров И. Н. «Ферриты: Энциклопедический справочник. Магниты и магнитные системы. Том 1» издательство Лик, 2004 г.

Для дадатковага чытання:

• Strnat K. Ferrimagnetism of the Rare-Earth-Cobalt Intermetallic Compounds R₂Co₁₇ // Journal of Applied Physics. — 1966. — Vol. 37. — P. 1252. — ISSN 00218979. — DOI:10.1063/1.1708420.
• Strnat K. A Family of New Cobalt-Base Permanent Magnet Materials // Journal of Applied Physics. — 1967. — Vol. 38. — P. 1001. — ISSN 00218979. — DOI:10.1063/1.1709459.