Aujourd'hui, il est presque impossible de trouver une industrie technique qui n'utilise pas de matériaux magnétiques durs et d'aimants permanents. Il s'agit de l'acoustique, de la radioélectronique, de l'informatique, des équipements de mesure, de l'automatisation, de la chaleur et de l'électricité, de l'électricité, de la construction, de la métallurgie et de tout type de transport, de l'agriculture, de la médecine et du traitement des minerais, et même dans la cuisine de tout le monde il y a un four à micro-ondes, ça réchauffe la pizza. Il est impossible de tout énumérer, les matériaux magnétiques nous accompagnent à chaque étape de notre vie. Et tous les produits avec leur aide fonctionnent selon des principes complètement différents: les moteurs et les générateurs ont leurs propres fonctions, et les dispositifs de freinage ont les leurs, le séparateur fait une chose et le détecteur de défauts en fait une autre. Il n'y a probablement pas de liste complète d'appareils techniques utilisant des matériaux magnétiques durs, il y en a tellement.
Que sont les systèmes magnétiques
Notre planète elle-même est un système magnétique exceptionnellement bien huilé. Tout le reste est construit sur le même principe. Les matériaux magnétiques durs ont des propriétés fonctionnelles très diverses. Dans les catalogues des fournisseurs, ce n'est pas en vain que non seulement leurs paramètres sont donnés, mais aussi des propriétés physiques. De plus, il peut s'agir de matériaux magnétiquement durs et magnétiquement doux. Par exemple, prenez des tomographes résonnants, où des systèmes avec un champ magnétique très uniforme sont utilisés, et comparez avec des séparateurs, où le champ est fortement inhomogène. Un tout autre principe ! Les systèmes magnétiques ont été maîtrisés, où le champ peut être allumé et éteint. C'est ainsi que les poignées sont conçues. Et certains systèmes modifient même le champ magnétique dans l'espace. Ce sont des klystrons et des lampes à ondes progressives bien connus. Les propriétés des matériaux magnétiques doux et durs sont vraiment magiques. Ils sont comme des catalyseurs, ils agissent presque toujours comme intermédiaires, mais sans la moindre perte de leur propre énergie, ils sont capables de transformer celle de quelqu'un d'autre, transformant une espèce en une autre.
Par exemple, une impulsion magnétique est convertie en énergie mécanique lors du fonctionnement d'accouplements, de séparateurs, etc. L'énergie mécanique est convertie à l'aide d'aimants en énergie électrique, s'il s'agit de microphones et de générateurs. Et vice versa arrive! Dans les haut-parleurs et les moteurs, les aimants convertissent l'électricité en énergie mécanique, par exemple. Et ce n'est pas tout. L'énergie mécanique peut même être convertie en énergie thermique, comme le fait le système magnétique dans le fonctionnement d'un four à micro-ondes ou dans un dispositif de freinage. Sont capablesmatériaux magnétiquement durs et magnétiquement doux et sur les effets spéciaux - dans les capteurs Hall, dans les tomographes à résonance magnétique, dans la communication par micro-ondes. Vous pouvez écrire un article séparé sur l'effet catalytique sur les processus chimiques, comment les champs magnétiques de gradient dans l'eau affectent les structures des ions, des molécules de protéines et des gaz dissous.
Magie de l'antiquité
Le matériau naturel - la magnétite - était connu de l'humanité il y a plusieurs millénaires. À cette époque, toutes les propriétés des matériaux magnétiques durs n'étaient pas encore connues et n'étaient donc pas utilisées dans les appareils techniques. Et il n'y avait pas encore de dispositifs techniques. Personne ne savait comment faire des calculs pour le fonctionnement des systèmes magnétiques. Mais l'influence sur les objets biologiques a déjà été remarquée. L'utilisation de matériaux magnétiques durs a d'abord été purement médicale, jusqu'à ce que les Chinois inventent la boussole au IIIe siècle av. Cependant, le traitement par aimant n'a pas cessé jusqu'à aujourd'hui, même s'il y a des discussions constantes sur la nocivité de telles méthodes. L'utilisation de matériaux magnétiques durs en médecine aux États-Unis, en Chine et au Japon est particulièrement active. Et en Russie, il y a des adeptes des méthodes alternatives, bien qu'il soit impossible de mesurer l'ampleur de l'impact sur le corps ou la plante avec n'importe quel instrument.
Mais revenons à l'histoire. En Asie Mineure, il y a plusieurs siècles, l'antique cité de Magnésie existait déjà sur les bords du Méandre plein d'eau. Et aujourd'hui, vous pouvez visiter ses ruines pittoresques en Turquie. C'est là qu'a été découvert le premier minerai de fer magnétique, nommé d'aprèsvilles. Assez rapidement, il s'est répandu dans le monde entier et il y a cinq mille ans, les Chinois, avec son aide, ont inventé un appareil de navigation qui ne meurt toujours pas. Aujourd'hui, l'humanité a appris à produire artificiellement des aimants à l'échelle industrielle. La base pour eux est une variété de ferromagnétiques. L'université de Tartu possède le plus gros aimant naturel, capable de soulever une quarantaine de kilogrammes, alors qu'elle-même n'en pèse que treize. Les poudres d'aujourd'hui sont faites de cob alt, de fer et de divers autres additifs, elles supportent des charges cinq mille fois plus qu'elles ne pèsent.
Boucle d'hystérésis
Il existe deux types d'aimants artificiels. Le premier type est constitué de constantes, qui sont constituées de matériaux magnétiques durs, leurs propriétés ne sont en aucun cas associées à des sources ou des courants externes. Le deuxième type est celui des électroaimants. Ils ont un noyau en fer - un matériau magnétiquement doux, et un courant traverse l'enroulement de ce noyau, ce qui crée un champ magnétique. Maintenant, nous devons considérer les principes de son travail. Caractérise les propriétés magnétiques de la boucle d'hystérésis pour les matériaux magnétiques durs. Il existe des technologies assez complexes pour la fabrication de systèmes magnétiques et, par conséquent, des informations sont nécessaires sur l'aimantation, la perméabilité magnétique et les pertes d'énergie lorsque l'inversion de l'aimantation se produit. Si le changement d'intensité est cyclique, la courbe de réaimantation (changements d'induction) ressemblera toujours à une courbe fermée. C'est la boucle d'hystérésis. Si le champ est faible, la boucle ressemble plus à une ellipse.
Lorsque la tensionle champ magnétique augmente, on obtient toute une série de telles boucles, enfermées les unes dans les autres. Dans le processus d'aimantation, tous les vecteurs sont orientés le long, et à la fin, un état de saturation technique viendra, le matériau sera complètement magnétisé. La boucle obtenue lors de la saturation est appelée boucle limite, elle indique la valeur maximale atteinte de l'induction Bs (induction de saturation). Lorsque la tension diminue, l'induction résiduelle demeure. La zone des boucles d'hystérésis dans les états limites et intermédiaires montre la dissipation d'énergie, c'est-à-dire la perte d'hystérésis. Cela dépend surtout de la fréquence d'inversion de l'aimantation, des propriétés du matériau et des dimensions géométriques. La boucle d'hystérésis limite peut déterminer les caractéristiques suivantes des matériaux magnétiques durs: induction de saturation Bs, induction résiduelle Bc et force coercitive Hc.
Courbe de magnétisation
Cette courbe est la caractéristique la plus importante, car elle montre la dépendance de l'aimantation et de la force du champ extérieur. L'induction magnétique est mesurée en Tesla et est liée à l'aimantation. La courbe de commutation est la principale, c'est la localisation des pics sur les boucles d'hystérésis, qui sont obtenus lors de la réaimantation cyclique. Cela reflète le changement d'induction magnétique, qui dépend de l'intensité du champ. Lorsque le circuit magnétique est fermé, l'intensité du champ réfléchi sous la forme d'un tore est égale à l'intensité du champ extérieur. Si le circuit magnétique est ouvert, des pôles apparaissent aux extrémités de l'aimant, ce qui crée une démagnétisation. Différence entreces tensions déterminent la tension interne du matériau.
Il y a des sections caractéristiques sur la courbe principale qui ressortent lorsqu'un monocristal d'un ferromagnétique est magnétisé. La première section montre le processus de déplacement des frontières des domaines défavorablement accordés, et dans la seconde, les vecteurs d'aimantation se tournent vers le champ magnétique externe. La troisième section est le paraprocessus, l'étape finale de l'aimantation, ici le champ magnétique est fort et dirigé. L'application de matériaux magnétiques doux et durs dépend dans une large mesure des caractéristiques obtenues à partir de la courbe d'aimantation.
Perméabilité et perte d'énergie
Pour caractériser le comportement d'un matériau dans un champ de tension, il est nécessaire d'utiliser un concept tel que la perméabilité magnétique absolue. Il existe des définitions de la perméabilité magnétique impulsionnelle, différentielle, maximale, initiale, normale. Le relatif est tracé le long de la courbe principale, donc cette définition n'est pas utilisée - pour plus de simplicité. La perméabilité magnétique dans des conditions où H=0 est dite initiale, et elle ne peut être déterminée que dans des champs faibles, jusqu'à environ 0,1 unité. Le maximum, au contraire, caractérise la perméabilité magnétique la plus élevée. Les valeurs normales et maximales permettent d'observer le déroulement normal du processus dans chaque cas particulier. Dans la région de saturation en champs forts, la perméabilité magnétique tend toujours vers l'unité. Toutes ces valeurs sont nécessaires à l'utilisation du magnétique durmatériaux, utilisez-les toujours.
La perte d'énergie lors de l'inversion de l'aimantation est irréversible. L'électricité est libérée dans le matériau sous forme de chaleur et ses pertes sont constituées de pertes dynamiques et de pertes par hystérésis. Ces derniers sont obtenus en déplaçant les parois des domaines alors que le processus d'aimantation ne fait que commencer. Le matériau magnétique ayant une structure inhomogène, de l'énergie est nécessairement dépensée pour l'alignement des parois du domaine. Et les pertes dynamiques sont obtenues en relation avec les courants de Foucault qui se produisent au moment de changer la force et la direction du champ magnétique. L'énergie est dissipée de la même manière. Et les pertes dues aux courants de Foucault dépassent même les pertes par hystérésis aux hautes fréquences. De plus, des pertes dynamiques sont obtenues en raison de changements résiduels dans l'état du champ magnétique après que l'intensité a changé. L'importance des pertes par effet secondaire dépend de la composition, du traitement thermique du matériau, elles apparaissent surtout aux hautes fréquences. La conséquence est la viscosité magnétique, et ces pertes sont toujours prises en compte si les ferromagnétiques sont utilisés en mode pulsé.
Classification des matériaux magnétiques durs
Les termes qui parlent de douceur et de dureté ne s'appliquent pas du tout aux propriétés mécaniques. De nombreux matériaux durs sont en fait magnétiquement doux et, d'un point de vue mécanique, les matériaux souples sont également magnétiques assez durs. Le processus de magnétisation dans les deux groupes de matériaux se déroule de la même manière. Tout d'abord, les frontières du domaine sont déplacées, puis la rotation commence dansdans la direction d'un champ de plus en plus magnétisant, et enfin, le paraprocessus commence. Et c'est là qu'intervient la différence. La courbe d'aimantation montre qu'il est plus facile de déplacer les frontières, moins d'énergie est dépensée, mais le processus de rotation et le paraprocessus sont plus gourmands en énergie. Les matériaux magnétiques doux sont magnétisés par le déplacement des frontières. Magnétique dur - dû à la rotation et au paraprocessus.
La forme de la boucle d'hystérésis est approximativement la même pour les deux groupes de matériaux, la saturation et l'induction résiduelle sont également proches de l'égalité, mais la différence existe dans la force coercitive, et elle est très grande. Les matériaux magnétiques durs ont Hc=800 kA-m, tandis que les matériaux magnétiques doux n'ont que 0,4 A-m. Au total, la différence est énorme: 2106 fois. C'est pourquoi, sur la base de ces caractéristiques, une telle division a été adoptée. Quoique, il faut avouer que c'est plutôt conditionnel. Les matériaux magnétiques doux peuvent saturer même dans un champ magnétique faible. Ils sont utilisés dans les champs basse fréquence. Par exemple, dans les dispositifs à mémoire magnétique. Les matériaux magnétiques durs sont difficiles à magnétiser, mais ils conservent leur magnétisation très longtemps. C'est à partir d'eux que l'on obtient de bons aimants permanents. Les domaines d'application des matériaux magnétiques durs sont nombreux et étendus, certains d'entre eux sont listés en début d'article. Il existe un autre groupe - les matériaux magnétiques à des fins spéciales, leur portée est très étroite.
Détails de la dureté
Comme déjà mentionné, les matériaux magnétiques durs ont une large boucle d'hystérésis et une grande force coercitive, une faible perméabilité magnétique. Ils sont caractérisés par l'énergie magnétique spécifique maximale dégagée dansespace. Et plus le matériau magnétique est "dur", plus sa résistance est élevée, plus la perméabilité est faible. L'énergie magnétique spécifique joue le rôle le plus important dans l'évaluation de la qualité du matériau. Un aimant permanent ne dégage pratiquement pas d'énergie dans l'espace extra-atmosphérique avec un circuit magnétique fermé, car toutes les lignes de force sont à l'intérieur du noyau et il n'y a pas de champ magnétique à l'extérieur. Afin de tirer le meilleur parti de l'énergie des aimants permanents, un entrefer d'une taille et d'une configuration strictement définies est créé à l'intérieur d'un circuit magnétique fermé.
Avec le temps, l'aimant "vieillit", son flux magnétique diminue. Cependant, un tel vieillissement peut être à la fois irréversible et réversible. Dans ce dernier cas, les causes de son vieillissement sont les chocs, les chocs, les fluctuations de température, les champs extérieurs constants. L'induction magnétique est réduite. Mais il peut être magnétisé à nouveau, lui redonnant ainsi ses excellentes propriétés. Mais si l'aimant permanent a subi des modifications structurelles, la ré-aimantation n'aidera pas, le vieillissement ne sera pas éliminé. Mais ils servent longtemps et le but des matériaux magnétiques durs est grand. Les exemples sont littéralement partout. Ce ne sont pas que des aimants permanents. Il s'agit d'un matériau pour stocker des informations, pour les enregistrer - à la fois sonore, numérique et vidéo. Mais ce qui précède n'est qu'une petite partie de l'application des matériaux magnétiques durs.
Mouler des matériaux magnétiques durs
Selon la méthode de production et de composition, les matériaux magnétiques durs peuvent être coulés, en poudre et autres. Ils sont basés sur des alliages.fer, nickel, aluminium et fer, nickel, cob alt. Ces compositions sont les plus basiques pour obtenir un aimant permanent. Ils appartiennent à la précision, puisque leur nombre est déterminé par les facteurs technologiques les plus stricts. Les matériaux magnétiques durs coulés sont obtenus lors du durcissement par précipitation de l'alliage, où le refroidissement se produit à une vitesse calculée depuis la fusion jusqu'au début de la décomposition, qui se produit en deux phases.
Le premier - lorsque la composition est proche du fer pur avec des propriétés magnétiques prononcées. Comme si des plaques d'épaisseur monodomaine apparaissaient. Et la deuxième phase est plus proche du composé intermétallique dans sa composition, où le nickel et l'aluminium ont de faibles propriétés magnétiques. Il s'avère un système où la phase non magnétique est combinée avec des inclusions fortement magnétiques avec une grande force coercitive. Mais cet alliage n'est pas assez bon dans les propriétés magnétiques. La plus courante est une autre composition, alliée: fer, nickel, aluminium et cuivre avec du cob alt pour l'alliage. Les alliages sans cob alt ont des propriétés magnétiques inférieures, mais ils sont beaucoup moins chers.
Matériaux magnétiques durs en poudre
Les matériaux en poudre sont utilisés pour les aimants permanents miniatures mais complexes. Ils sont métal-céramique, métal-plastique, oxyde et micropoudre. Le cermet est particulièrement bon. En termes de propriétés magnétiques, il est un peu inférieur à ceux en fonte, mais un peu plus cher qu'eux. Les aimants céramique-métal sont fabriqués en pressant des poudres métalliques sans aucun liant et en les frittant à très haute température. Les poudres sont utiliséesavec les alliages décrits ci-dessus, ainsi que ceux à base de platine et de terres rares.
En termes de résistance mécanique, la métallurgie des poudres est supérieure à la coulée, mais les propriétés magnétiques des aimants métal-céramique sont encore légèrement inférieures à celles des aimants coulés. Les aimants à base de platine ont des valeurs de force coercitive très élevées et les paramètres sont très stables. Les alliages avec de l'uranium et des terres rares ont des valeurs record d'énergie magnétique maximale: la valeur limite est de 112 kJ par mètre carré. De tels alliages sont obtenus par pressage à froid de la poudre au plus haut degré de densité, puis les briquettes sont frittées avec présence d'une phase liquide et coulée d'une composition multicomposant. Il est impossible de mélanger les composants à ce point par simple moulage.
Autres matériaux magnétiques durs
Les matériaux magnétiques durs incluent également ceux ayant un objectif hautement spécialisé. Il s'agit d'aimants élastiques, d'alliages plastiquement déformables, de matériaux pour supports d'informations et d'aimants liquides. Les aimants déformables ont d'excellentes propriétés plastiques, ils se prêtent parfaitement à tout type de traitement mécanique - emboutissage, découpage, usinage. Mais ces aimants sont chers. Les aimants Kunife en cuivre, nickel et fer sont anisotropes, c'est-à-dire qu'ils sont magnétisés dans le sens du laminage, ils sont utilisés sous forme d'emboutissage et de fil. Les aimants Vikalloy en cob alt et vanadium sont fabriqués sous la forme d'une bande magnétique à haute résistance, ainsi que d'un fil. Cette composition convient aux très petits aimants avec la configuration la plus complexe.
Aimants élastiques - sur une base en caoutchouc, dans lesquelsLa charge est une poudre fine d'un matériau magnétique dur. Il s'agit le plus souvent de ferrite de baryum. Cette méthode vous permet d'obtenir des produits de n'importe quelle forme avec une fabricabilité élevée. Ils sont également parfaitement coupés aux ciseaux, pliés, estampés, tordus. Ils sont beaucoup moins chers. Le caoutchouc magnétique est utilisé comme feuilles de mémoire magnétique pour les ordinateurs, à la télévision, pour les systèmes de correction. En tant que supports d'informations, les matériaux magnétiques répondent à de nombreuses exigences. Il s'agit d'une induction résiduelle de haut niveau, d'un petit effet d'auto-démagnétisation (sinon l'information sera perdue), d'une valeur élevée du champ coercitif. Et pour faciliter le processus d'effacement des enregistrements, une petite quantité de cette force est nécessaire, mais cette contradiction est supprimée à l'aide de la technologie.
