Магнитные материалы

     жидкости  вблизи источника переменного

     магнитного  поля 

     3.5 Магнитотвёрдые материалы

     Магнитотвёрдые  материалы - магнитные материалы, характеризующиеся высокими значениями коэрцитивной силы . Качество магнитотвердых материалов характеризуют также значения остаточной магнитной индукции, максимальной магнитной энергии, отдаваемой материалом в пространство и коэффициента выпуклости. Материалы также должны иметь высокую временную и температурную стабильность перечисленных параметров и удовлетворительные прочность и пластичность.

     Для получения высокой коэрцитивной силы в магнитных материалах кроме  выбора химического состава используют технологии, оптимизирующие кристаллическую  структуру и затрудняющие процесс  перемагничивания. Это закалка сталей на мартенсит, дисперсионное твердение  сплавов, создание высоких внутренних механических напряжений и др. В  результате затрудняются процессы смещения доменных границ. У высококоэрцитивных сплавов магнитная текстура создается  путем их охлаждения в сильном  магнитном поле.

       Магнитотвердые материалы намагничиваются  до насыщения и перемагничиваются  в сравнительно сильных магнитных  полях. 

     Применяют магнитотвердые материалы для производства постоянных магнитов. Они являются источниками постоянных магнитных  полей, используемых в различной  аппаратуре в электро- и радиотехнике, автоматике, приборостроении, электронике, в устройствах электромагнитной записи, фокусирующих устройствах для  телевизоров, микрофонах, электроизмерительных приборах, микроэлектронике, СВЧ-приборах и т.д. Их используют в электрических  машинах малой мощности, для записи и хранения цифровой, звуковой и  видеоинформации и др. Преимущества постоянных магнитов по сравнению с  электромагнитами постоянного тока - повышенная работоспособность; экономия материалов и потребления энергии; экономическая и техническая  выгода применения.

     Важнейшее требование к постоянному магниту  — получение максимальной магнитной  энергии в рабочем зазоре, поэтому  удельная магнитная энергия  (энергия, отнесенная к единице объема магнита) — одна из важнейших характеристик магнитотвердых материалов. Она пропорциональна произведению:

      = /2  

     Где B и H — максимальные значения остаточной индукции внутри магнита и размагничивающей напряженности, соответственно.

     Иногда  магнитотвердые вещества характеризую произведением , которое называется энергетическим произведением.

     С усилением прямоугольности петли  гистерезиса коэффициент выпуклости приближается к единице.

     Чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости, тем  больше максимальная энергия магнита. Магнитотвердые материалы намагничиваются  с трудом, но зато длительное время  сохраняют сообщенную энергию. Намагничивание происходит в основном за счет вращения вектора намагниченности.

     По  составу и способу получения  магнитотвердые материалы подразделяются на легированные стали, закаленные на мартенсит, литые высококоэрцитивные сплавы, порошковые магнитотвердые материалы, магнитотвердые ферриты, пластически  деформируемые сплавы, сплавы для  магнитных носителей информации. 

     3.5.1 Литые высококоэрцитивные сплавы 

     К этой группе относятся сплавы систем Fe-Ni-Al (ални) и Fe-Ni-Co-Al, модифицированные различными добавками. Литые высококоэрцитивные сплавы являются основными промышленными материалами для изготовления постоянных магнитов. Они являются активными элементами многих приборов и характеризуются благоприятным соотношением между магнитными свойствами и стоимостью производства. Их магнитные характеристики: =30-110 кА/м, =3-30 кДж/м3.

     Магнитная текстура высококоэрцитивных сплавов  создается путем их охлаждения в  сильном магнитном поле. Кристаллическую  текстуру создают методом направленной кристаллизации сплава, залитого в  форму, используя особые условия  теплоотвода. Сплавы, полученные направленной кристаллизацией, имеют специфическую  столбчатую структуру. Сочетание кристаллической  и магнитной текстур позволяет  улучшать все параметры магнитотвердого  материала.

     Бескобальтовые  сплавы наиболее дешевые. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в тех случаях, когда требуются повышенные магнитные  свойства и нужен изотропный магнитный  материал. Сплавы с 24% кобальта (магнико), обладающие высокими магнитными свойствами в направлении магнитной текстуры, используют при направленном магнитном потоке. Сплавы с направленной кристаллизацией обладают наибольшим запасом магнитной энергии. 

     3.5.2 Магнитотвердые ферриты

     Магнитотвердые  ферриты (оксидные магниты) — это  ферримагнетики с большой кристаллографической анизотропией. Применяются главным образом феррит бария BaO*6, феррит кобальта CoO.6Fe2O3 и феррит стронция SrO.6Fe2O3. Ферриты бария и стронция имеют гексагональную кристаллическую решетку с одноосной анизотропией. Высокая коэрцитивная сила у этих материалов обусловлена малым размером кристаллических зерен и сильной магнитной кристаллографической анизотропией. Технология их получения аналогична технологии приготовления керамики. Для получения мелкокристаллической структуры осуществляют тонкий помол, а спекание проводят при относительно невысоких температурах, чтобы исключить процесс рекристаллизации. Для придания анизотропии магнитных свойств материал текстурируют. Текстура создается путем формования массы в сильном магнитном поле.

     В зависимости от технологии изготовления магниты на основе феррита бария  могут быть изотропными и анизотропными. Ферриты кобальта имеют кубическую структуру и получают их по той  же технологии, что и ферриты бария. Основное отличие заключается в  термомагнитной обработке спеченных  магнитов.

     Магнитные свойства магнитотвердых ферритов: =120-240 кА/м, = 3-18 кДж/м3. Магниты из ферритов можно использовать при высоких частотах, что связано с высоким удельным сопротивлением. Недостатки магнитотвердых ферритов - низкая механическая прочность большая хрупкость и твердость, сильная зависимость магнитных свойств от температуры.  

     3.5.3 Сплавы для магнитных носителей информации

     Материалы этой группы должны иметь высокие  значения остаточной магнитной индукции и коэффициента выпуклости в, а также высокую остаточную индукцию для повышения уровня считываемого сигнала.

     Для записи и воспроизведения информации используют тонкие металлические ленты  и проволоку из специальной нержавеющей  стали и викаллоя. В качестве магнитного носителя информации используют магнитотвердые порошковые покрытия, нанесенные на различные  основания. Намагниченность магнетика  после «отключения» поля будет зависеть от величины этого поля. Именно этот эффект используется для магнитной  записи информации. Для этого различные  участки ферромагнетика в виде тонкого  магнитного слоя, нанесенного на диамагнитный диск или ленту, намагничивают полем, создаваемым миниатюрным источником магнитного поля — записывающей головкой. В результате такой записи различные  участки ферромагнетика будут иметь  различную остаточную намагниченность, несущую в себе информацию о поле, создаваемом записывающей головкой. Записанная информация может долго  храниться. С помощью различных  устройств, называемых считывающими головками, записанная информация может быть считана  и превращена в записанный ранее  электрический сигнал. В настоящее  время достигнута очень высокая  плотность записи — свыше 100 мегабит  на .

     В качестве магнитного порошка используют оксиды железа, магнитотвердые ферриты, сплавы типа ални. Магнитные свойства лент, дисков и других устройств  существенно зависят от размера  частиц порошка, их ориентации и объемной плотности в рабочем слое. Качество поверхности влияет на ее частотные  показатели.[6] 
 
 

    4  Применение

    Компас  – первый прибор для определения  направления, с применением магнитных  деталей . Компасы подразделяются на два основных класса: магнитные компасы типа стрелочных, которыми пользуются топографы и туристы, и немагнитные, такие, как гирокомпас и радиокомпас. Если длинная игла из природного магнита уравновешена на оси, позволяющей ей свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то она всегда обращена одним концом к северу, а другим – к югу. Пометив указывающий на север конец, можно пользоваться таким компасом для определения направлений.  

    Основное  применение магнит находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов, реле и т.д.

    Область применения магнитного материала зависит, прежде всего, от его характеристик.

    4.1 Магнитные дисковые накопители

    Принцип работы магнитных запоминающих устройств  основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств  материалов. Как правило, магнитные  запоминающие устройства состоят из собственно устройств  чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1. Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием

    носитель  вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу  носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом  без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления  тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности  сердечников магнитных головок  и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических  дорожек с течением времени и  продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или  обратно, важен только сам факт перемены полярности. Для записи информации, как правило, используют различные  методы кодирования информации, но все они предполагают использование  в качестве информационного источника  не само направление линий магнитной  индукции элементарной намагниченной  точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным.

    Несомненный интерес представляют ультрадисперсные частицы для магнитной записи. Однако минус этих дисков в том, что  нанометровые зёрна на их поверхности, на которые и производится запись, не упорядочены, поэтому информация записывается на большом количестве таких зёрен, а не на одном. Если же эти наночастицы сделать близкими по размеру, то возникает эффект их самоорганизации, а на упорядоченных  структурах (например, двумерных с  гексагональной упаковкой частиц) относительно легко производить запись на каждой частице. То есть на каждой частице  можно записать бит информации, а  при размере частицы 10—20 нанометров плотность записи возрастает на порядок  по сравнению с той, что достигнута сегодня. Ещё один плюс — в силу относительно недорогих исходных материалов ультрадисперсные частицы оказываются  довольно дешёвыми. Кроме этого, они  химически инертны, а значит, могут  быть с успехом использованы там, где нужна устойчивая запись информации: ультрадисперсные частицы легко  противостоят любым агрессивным  условиям и без размагничивания  выдерживают температуру 250—300 градусов. [7]