Saat ini, hampir tidak mungkin menemukan industri teknis yang tidak menggunakan bahan magnet keras dan magnet permanen. Ini adalah akustik, dan elektronik radio, dan komputer, dan peralatan pengukur, dan otomatisasi, dan panas dan listrik, dan tenaga listrik, dan konstruksi, dan metalurgi, dan segala jenis transportasi, dan pertanian, dan obat-obatan, dan pemrosesan bijih, dan bahkan di dapur semua orang ada oven microwave, itu menghangatkan pizza. Mustahil untuk menghitung semuanya, bahan magnetik menemani kita di setiap langkah hidup kita. Dan semua produk dengan bantuannya bekerja sesuai dengan prinsip yang sama sekali berbeda: mesin dan generator memiliki fungsinya sendiri, dan perangkat pengereman memiliki fungsinya sendiri, pemisah melakukan satu hal, dan detektor cacat melakukan hal lain. Mungkin, tidak ada daftar lengkap perangkat teknis yang menggunakan bahan magnet keras, jumlahnya sangat banyak.
Apa itu sistem magnetik
Planet kita sendiri adalah sistem magnetik yang diminyaki dengan sangat baik. Semua sisanya dibangun di atas prinsip yang sama. Bahan magnet keras memiliki sifat fungsional yang sangat beragam. Dalam katalog pemasok, tidak sia-sia bahwa tidak hanya parameternya yang diberikan, tetapi juga sifat fisiknya. Selain itu, dapat berupa bahan yang keras secara magnetis dan bahan yang lunak secara magnetis. Misalnya, ambil tomografi resonansi, di mana sistem dengan medan magnet yang sangat seragam digunakan, dan bandingkan dengan pemisah, di mana medannya sangat tidak homogen. Prinsip yang sangat berbeda! Sistem magnetik telah dikuasai, di mana medan dapat dinyalakan dan dimatikan. Begitulah cara grip dirancang. Dan beberapa sistem bahkan mengubah medan magnet di luar angkasa. Ini adalah klystron dan lampu gelombang berjalan yang terkenal. Sifat bahan magnet lunak dan keras benar-benar ajaib. Mereka seperti katalis, mereka hampir selalu bertindak sebagai perantara, tetapi tanpa kehilangan sedikit pun energi mereka sendiri, mereka mampu mengubah milik orang lain, mengubah satu spesies menjadi spesies lain.
Misalnya, impuls magnetik diubah menjadi energi mekanik dalam pengoperasian kopling, pemisah, dan sejenisnya. Energi mekanik diubah dengan bantuan magnet menjadi energi listrik, jika kita berhadapan dengan mikrofon dan generator. Dan sebaliknya terjadi! Di speaker dan motor, magnet mengubah listrik menjadi energi mekanik, misalnya. Dan itu tidak semua. Energi mekanik bahkan dapat diubah menjadi energi panas, seperti halnya sistem magnetik dalam pengoperasian oven microwave atau dalam perangkat pengereman. Mampubahan magnetis keras dan magnetis lembut dan efek khusus - di sensor Hall, dalam tomografi resonansi magnetik, dalam komunikasi gelombang mikro. Anda dapat menulis artikel terpisah tentang efek katalitik pada proses kimia, bagaimana medan magnet gradien dalam air mempengaruhi struktur ion, molekul protein, dan gas terlarut.
Sihir dari zaman kuno
Bahan alami - magnetit - dikenal manusia beberapa milenium yang lalu. Pada saat itu, semua sifat bahan magnetik keras belum diketahui, dan karenanya tidak digunakan dalam perangkat teknis. Dan belum ada perangkat teknis. Tidak ada yang tahu bagaimana melakukan perhitungan untuk pengoperasian sistem magnetik. Tetapi pengaruhnya terhadap objek biologis telah diperhatikan. Penggunaan bahan magnet keras pada awalnya murni untuk tujuan medis, sampai orang Cina menemukan kompas pada abad ketiga SM. Namun, pengobatan dengan magnet belum berhenti sampai hari ini, meskipun ada diskusi terus-menerus tentang bahaya metode tersebut. Penggunaan bahan magnet keras dalam pengobatan di Amerika Serikat, Cina, dan Jepang sangat aktif. Dan di Rusia ada penganut metode alternatif, meskipun tidak mungkin untuk mengukur besarnya dampak pada tubuh atau tanaman dengan instrumen apa pun.
Tapi kembali ke sejarah. Di Asia Kecil, berabad-abad yang lalu, kota kuno Magnesia sudah ada di tepi Meander yang mengalir penuh. Dan hari ini Anda dapat mengunjungi reruntuhannya yang indah di Turki. Di sanalah bijih besi magnetik pertama ditemukan, yang dinamaikota. Cukup cepat, itu menyebar ke seluruh dunia, dan orang Cina lima ribu tahun yang lalu, dengan bantuannya, menemukan perangkat navigasi yang masih belum mati. Sekarang umat manusia telah belajar untuk memproduksi magnet secara artifisial dalam skala industri. Dasarnya adalah berbagai feromagnet. Universitas Tartu memiliki magnet alam terbesar, mampu mengangkat sekitar empat puluh kilogram, sementara beratnya sendiri hanya tiga belas. Bubuk hari ini terbuat dari kob alt, besi dan berbagai aditif lainnya, mereka menahan beban lima ribu kali lebih banyak daripada beratnya.
Lingkaran histeresis
Ada dua jenis magnet buatan. Jenis pertama adalah konstanta, yang terbuat dari bahan magnetik keras, sifat-sifatnya sama sekali tidak terkait dengan sumber atau arus eksternal. Jenis kedua adalah elektromagnet. Mereka memiliki inti yang terbuat dari besi - bahan yang lembut secara magnetis, dan arus melewati belitan inti ini, yang menciptakan medan magnet. Sekarang kita perlu mempertimbangkan prinsip-prinsip kerjanya. Mencirikan sifat magnetik dari loop histeresis untuk bahan magnetik keras. Ada teknologi yang cukup kompleks untuk pembuatan sistem magnetik, dan oleh karena itu diperlukan informasi tentang magnetisasi, permeabilitas magnetik, dan kehilangan energi ketika pembalikan magnetisasi terjadi. Jika perubahan intensitas bersifat siklik, kurva remagnetisasi (perubahan induksi) akan selalu terlihat seperti kurva tertutup. Ini adalah lingkaran histeresis. Jika medannya lemah, maka perulangannya lebih mirip elips.
Saat keteganganmedan magnet meningkat, seluruh rangkaian loop seperti itu diperoleh, tertutup satu sama lain. Dalam proses magnetisasi, semua vektor diorientasikan, dan pada akhirnya, keadaan saturasi teknis akan datang, material akan termagnetisasi sepenuhnya. Loop yang diperoleh selama saturasi disebut loop batas, ini menunjukkan nilai maksimum yang dicapai dari induksi Bs (induksi saturasi). Ketika tegangan berkurang, sisa induksi tetap ada. Area loop histeresis di batas dan keadaan antara menunjukkan disipasi energi, yaitu kehilangan histeresis. Itu sebagian besar tergantung pada frekuensi pembalikan magnetisasi, sifat material, dan dimensi geometris. Loop histeresis pembatas dapat menentukan karakteristik berikut dari bahan magnet keras: induksi saturasi Bs, induksi residu Bc dan gaya koersif Hc.
Kurva magnetisasi
Kurva ini adalah karakteristik yang paling penting, karena menunjukkan ketergantungan magnetisasi dan kekuatan medan luar. Induksi magnetik diukur dalam Tesla dan terkait dengan magnetisasi. Kurva switching adalah yang utama, itu adalah lokasi puncak pada loop histeresis, yang diperoleh selama remagnetisasi siklik. Ini mencerminkan perubahan induksi magnet, yang tergantung pada kekuatan medan. Ketika rangkaian magnet ditutup, kuat medan yang dipantulkan dalam bentuk toroida sama dengan kuat medan luar. Jika sirkuit magnetik terbuka, kutub muncul di ujung magnet, yang menciptakan demagnetisasi. Perbedaan antarategangan ini menentukan tegangan internal material.
Ada bagian karakteristik pada kurva utama yang menonjol ketika satu kristal feromagnet dimagnetisasi. Bagian pertama menunjukkan proses pergeseran batas domain yang disetel tidak menguntungkan, dan di bagian kedua, vektor magnetisasi berbelok ke arah medan magnet luar. Bagian ketiga adalah paraprocess, tahap akhir magnetisasi, disini medan magnet kuat dan terarah. Penerapan bahan magnet lunak dan keras sangat bergantung pada karakteristik yang diperoleh dari kurva magnetisasi.
Permeabilitas dan kehilangan energi
Untuk mengkarakterisasi perilaku material dalam medan tegangan, perlu menggunakan konsep seperti permeabilitas magnetik absolut. Ada definisi impuls, diferensial, maksimum, awal, permeabilitas magnetik normal. Relatif dilacak di sepanjang kurva utama, jadi definisi ini tidak digunakan - untuk kesederhanaan. Permeabilitas magnetik dalam kondisi ketika H=0 disebut awal, dan dapat ditentukan hanya di medan lemah, hingga sekitar 0,1 unit. Maksimum, sebaliknya, mencirikan permeabilitas magnetik tertinggi. Nilai normal dan maksimum memberikan kesempatan untuk mengamati jalannya proses yang normal dalam setiap kasus tertentu. Pada daerah jenuh dalam medan kuat, permeabilitas magnet selalu cenderung satu. Semua nilai ini diperlukan untuk penggunaan magnet kerasbahan, selalu gunakan.
Kehilangan energi selama pembalikan magnetisasi tidak dapat diubah. Listrik dilepaskan dalam material sebagai panas, dan rugi-ruginya terdiri dari rugi-rugi dinamis dan rugi-rugi histeresis. Yang terakhir diperoleh dengan menggantikan dinding domain ketika proses magnetisasi baru saja dimulai. Karena bahan magnetik memiliki struktur yang tidak homogen, energi harus dikeluarkan untuk menyelaraskan dinding domain. Dan rugi-rugi dinamis diperoleh sehubungan dengan arus eddy yang terjadi pada saat perubahan kekuatan dan arah medan magnet. Energi dihamburkan dengan cara yang sama. Dan kerugian akibat arus eddy bahkan melebihi kerugian histeresis pada frekuensi tinggi. Juga, kerugian dinamis diperoleh karena perubahan residual dalam keadaan medan magnet setelah intensitas berubah. Jumlah kerugian efek samping tergantung pada komposisi, pada perlakuan panas material, mereka muncul terutama pada frekuensi tinggi. Efek selanjutnya adalah viskositas magnetik, dan kerugian ini selalu diperhitungkan jika feromagnet digunakan dalam mode berdenyut.
Klasifikasi bahan magnet keras
Istilah yang berbicara tentang kelembutan dan kekerasan tidak berlaku untuk sifat mekanik sama sekali. Banyak bahan keras sebenarnya lunak secara magnetis, dan dari sudut pandang mekanis, bahan lunak juga bersifat magnetis yang cukup keras. Proses magnetisasi pada kedua kelompok bahan terjadi dengan cara yang sama. Pertama, batas domain dipindahkan, lalu rotasi dimulai dike arah medan magnet yang semakin meningkat, dan akhirnya, paraproses dimulai. Dan disinilah letak perbedaannya. Kurva magnetisasi menunjukkan bahwa lebih mudah untuk memindahkan batas, lebih sedikit energi yang dikeluarkan, tetapi proses rotasi dan paraproses lebih intensif energi. Bahan magnet lunak dimagnetisasi oleh perpindahan batas. Magnet keras - karena rotasi dan paraproses.
Bentuk loop histeresis kira-kira sama untuk kedua kelompok bahan, saturasi dan induksi residu juga hampir sama, tetapi perbedaannya ada pada gaya koersif, dan sangat besar. Bahan magnet keras memiliki Hc=800 kA-m, sedangkan bahan magnet lunak hanya memiliki 0,4 A-m. Secara total, perbedaannya sangat besar: 2106 kali. Itulah sebabnya, berdasarkan karakteristik ini, pembagian semacam itu diadopsi. Meski, harus diakui agak bersyarat. Bahan magnet lunak dapat jenuh bahkan dalam medan magnet yang lemah. Mereka digunakan di bidang frekuensi rendah. Misalnya, pada perangkat memori magnetik. Bahan magnet keras sulit untuk dimagnetisasi, tetapi mereka mempertahankan magnetisasi untuk waktu yang sangat lama. Dari merekalah magnet permanen yang baik diperoleh. Area penerapan bahan magnet keras sangat banyak dan luas, beberapa di antaranya tercantum di awal artikel. Ada kelompok lain - bahan magnetik untuk keperluan khusus, cakupannya sangat sempit.
Detail kekerasan
Seperti yang telah disebutkan, bahan magnetik keras memiliki loop histeresis yang lebar dan gaya koersif yang besar, permeabilitas magnetik yang rendah. Mereka dicirikan oleh energi magnetik spesifik maksimum yang dilepaskan dalamruang angkasa. Dan semakin "keras" bahan magnetik, semakin tinggi kekuatannya, semakin rendah permeabilitasnya. Energi magnet spesifik diberikan peran paling penting dalam menilai kualitas material. Magnet permanen praktis tidak mengeluarkan energi ke luar angkasa dengan sirkuit magnetik tertutup, karena semua garis gaya ada di dalam inti, dan tidak ada medan magnet di luarnya. Untuk memaksimalkan energi magnet permanen, celah udara dengan ukuran dan konfigurasi yang ditentukan secara ketat dibuat di dalam sirkuit magnetik tertutup.
Seiring waktu, magnet "menjadi tua", fluks magnetnya berkurang. Namun, penuaan seperti itu bisa bersifat ireversibel dan reversibel. Dalam kasus terakhir, penyebab penuaannya adalah guncangan, guncangan, fluktuasi suhu, medan eksternal yang konstan. Induksi magnet berkurang. Tapi itu bisa dimagnetisasi lagi, sehingga memulihkan sifat-sifatnya yang luar biasa. Tetapi jika magnet permanen telah mengalami perubahan struktural, magnetisasi ulang tidak akan membantu, penuaan tidak akan dihilangkan. Tetapi mereka berfungsi untuk waktu yang lama, dan tujuan dari bahan magnetik keras sangat bagus. Contohnya ada di mana-mana. Bukan hanya magnet permanen. Ini adalah bahan untuk menyimpan informasi, untuk merekamnya - baik suara, dan digital, dan video. Namun hal di atas hanyalah sebagian kecil dari aplikasi material hard magnetic.
Cast bahan magnet keras
Menurut metode produksi dan komposisi, bahan magnet keras dapat dicor, bubuk, dan lainnya. Mereka didasarkan pada paduan.besi, nikel, aluminium dan besi, nikel, kob alt. Komposisi ini adalah yang paling dasar untuk mendapatkan magnet permanen. Mereka termasuk presisi, karena jumlahnya ditentukan oleh faktor teknologi paling ketat. Bahan magnetik keras cor diperoleh selama pengerasan presipitasi paduan, di mana pendinginan terjadi pada tingkat yang dihitung dari pencairan hingga permulaan dekomposisi, yang terjadi dalam dua fase.
Yang pertama - ketika komposisinya mendekati besi murni dengan sifat magnetik yang diucapkan. Seolah-olah pelat dengan ketebalan domain tunggal muncul. Dan fase kedua lebih dekat dengan senyawa intermetalik dalam komposisi, di mana nikel dan aluminium memiliki sifat magnetik yang rendah. Ternyata sistem di mana fase non-magnetik digabungkan dengan inklusi magnetik kuat dengan gaya koersif yang besar. Tetapi paduan ini tidak cukup baik dalam sifat magnetik. Yang paling umum adalah komposisi lain, paduan: besi, nikel, aluminium dan tembaga dengan kob alt untuk paduan. Paduan bebas kob alt memiliki sifat magnetik yang lebih rendah, tetapi harganya jauh lebih murah.
Bubuk bahan magnet keras
Bahan bubuk digunakan untuk magnet permanen yang mini tetapi kompleks. Mereka adalah logam-keramik, logam-plastik, oksida dan bubuk mikro. Cermetnya sangat bagus. Dalam hal sifat magnetik, ini sedikit lebih rendah daripada yang dilemparkan, tetapi agak lebih mahal daripada mereka. Magnet keramik-logam dibuat dengan menekan serbuk logam tanpa bahan pengikat dan disinter pada suhu yang sangat tinggi. Bedak digunakandengan paduan yang dijelaskan di atas, serta yang didasarkan pada platinum dan logam tanah jarang.
Dalam hal kekuatan mekanik, metalurgi serbuk lebih unggul daripada pengecoran, tetapi sifat magnet dari magnet logam-keramik masih agak lebih rendah daripada yang dicor. Magnet berbasis platinum memiliki nilai gaya koersif yang sangat tinggi, dan parameternya sangat stabil. Paduan dengan uranium dan logam tanah jarang memiliki nilai rekor energi magnetik maksimum: nilai batasnya adalah 112 kJ per meter persegi. Paduan tersebut diperoleh dengan menekan dingin bubuk ke tingkat kepadatan tertinggi, kemudian briket disinter dengan adanya fase cair dan pengecoran komposisi multikomponen. Tidak mungkin untuk mencampur komponen sedemikian rupa dengan casting sederhana.
Bahan magnet keras lainnya
Bahan magnetis keras juga termasuk bahan dengan tujuan yang sangat khusus. Ini adalah magnet elastis, paduan yang dapat dideformasi secara plastis, bahan untuk pembawa informasi dan magnet cair. Magnet yang dapat dideformasi memiliki sifat plastik yang sangat baik, mereka cocok untuk segala jenis pemrosesan mekanis - stamping, pemotongan, permesinan. Tapi magnet ini mahal. Magnet kunife yang terbuat dari tembaga, nikel, dan besi bersifat anisotropik, yaitu dimagnetisasi ke arah penggulungan, digunakan dalam bentuk stamping dan kawat. Magnet vikalloy yang terbuat dari kob alt dan vanadium dibuat dalam bentuk pita magnet berkekuatan tinggi, serta kawat. Komposisi ini bagus untuk magnet yang sangat kecil dengan konfigurasi paling rumit.
Magnet elastis - pada alas karet, di manaPengisi adalah bubuk halus dari bahan magnet keras. Paling sering itu adalah barium ferit. Metode ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan produk dalam bentuk apa pun dengan kemampuan manufaktur yang tinggi. Mereka juga dipotong sempurna dengan gunting, ditekuk, dicap, dipelintir. Mereka jauh lebih murah. Karet magnetik digunakan sebagai lembaran memori magnetik untuk komputer, di televisi, untuk sistem korektif. Sebagai pembawa informasi, bahan magnetik memenuhi banyak persyaratan. Ini adalah induksi residu tingkat tinggi, efek kecil dari demagnetisasi diri (jika tidak, informasi akan hilang), nilai gaya koersif yang tinggi. Dan untuk memudahkan proses penghapusan arsip, hanya sedikit gaya ini yang dibutuhkan, tetapi kontradiksi ini dihilangkan dengan bantuan teknologi.
