Ievads
No visiem materiālu zinātnieku atklātajiem materiāliem nevienam nav tik nozīmīgas labvēlīgas ietekmes uz mūsu ikdienas dzīvi kāpastāvīgie magnēti. Tās ir neuzkrītošas, taču tik ļoti svarīgas simtiem tehnoloģiju darbībā no pamata plaša patēriņa elektronikas līdz pat rūpnieciskām iekārtām. Bet kas īsti ir šie pastāvīgie magnēti un kā tie veidojas? Lūdzu, apsveicam praktisko un virtuālo ceļvedi par mūsu pastāvīgā magnēta aizraujošo dzīvi no tā radīšanas līdz mūsdienām.
Kas ir pastāvīgie magnēti?
Pastāvīgie magnētiskie ir materiāli, kas pastāvīgi uzrāda magnētisko lauku paši par sevi, neizmantojot nekādu jaudu. Atšķirībā no pagaidu magnētiem, kas tiek demagnetizēti, tiklīdz tiek noņemts magnetizācijas spēks, šajā eksperimentā izmantotā iestatīšana iztur daudzus pastāvīgo magnētu mērījumus, kas saglabā savu pievilcīgo spēku diezgan ilgu laiku. Šī unikālā funkcija padara tos ļoti noderīgus daudzās lietojumprogrammās dažādās darbības jomās.
Īsa magnētisma vēsture
Magnētisms pastāv jau tūkstošiem gadu – pirmie cilvēki novēroja dabisko magnētisko materiālu, lodestone. Daudzas senās Grieķijas, Ķīnas un Tuvo Austrumu kultūras ieinteresēja akmeņi, kas velk dzelzi. Tomēr garais stāsts par magnētu un magnētiskajiem materiāliem aizsākās tikai deviņpadsmitajā gadsimtā, un tad tika mēģināts izprast magnētismu un radīt pirmos mākslīgos pastāvīgos magnētiskos ķermeņus.
Pastāvīgā magnēta dzimšana
Ja vēlamies izprast un pilnībā realizēt pastāvīgā magnēta dzīvesstāstu, tā ir lieliska vieta, kur sākt. Pastāvīgā magnēta dzimšana var būt dabas parādība vai cilvēka radītas pūles rezultāts, taču tā izveidē tiek ievēroti jebkuras fizikālās un ķīmiskās zinātnes pamatprincipi.
Dabisks veidojums
Pastāvīgie magnēti dabiski rodas ģeoloģiskos procesos, un ir vajadzīgi miljoniem gadu, līdz parādība parādās. Vispazīstamākais vispāratzītais ferimagnētiskais minerāls ir magnetīts, kas pieejams daudzās iežu struktūrās. Magnētismu rada Zemes un apkārtējo materiālu vērpšanas kausētais kodols; šis spēks izraisa noteiktu kategoriju dzelzi saturošu akmeņu lādēšanos Zemes garozā. Laikam ejot, minerāli maina formu magnētiskajos domēnos, tādējādi kļūstot par dabiski inducētiem pastāvīgajiem magnētiem.
Ražošanas process
Lai gan pastāvīgie magnēti sastopami dabā, lielākā daļa mūsdienās izmantoto magnētu ir cilvēku radīti, izmantojot rūpīgi izstrādātas metodes. Tagad apspriedīsim galvenās darbības, kas saistītas ar pastāvīgo magnētu atdzīvināšanu.
Izejvielas
Tas sākas ar piemērotu materiālu izvēli transformācijas procesam uzņēmumā. Dažādu veidu pastāvīgie magnēti ir izgatavoti no dažādiem ķīmiskiem elementiem ar vairākiem sastāviem. Piemēram, ferīta magnētus ražo piespiedu un antiferomagnētiski materiāli, dzelzs oksīds ar bārija vai stroncija piedevām un neodīma magnēti, ko rada neodīms, dzelzs un bors. Izmantotā materiāla veids nosaka magnēta īpašības un to, kā tas darbosies paredzētajā iestatījumā.
Magnētisko domēnu izlīdzināšana
Pēc izejmateriālu sagatavošanas būtiski svarīgas kļūst materiāla domēnu izlīdzināšanas metodes. Magnētiskie domēni ir patvaļīgi apgabali materiāla masā, kur daudzām atomu grupām vienā asī ir saskaņoti magnētiskie momenti. Līdz ar to nesaskaņotajā stāvoklī šie domēni nejauši atrodas visos virzienos, un tādējādi kopējais magnētiskais lauks ir nulle.
Lai to panāktu, ražotāji izmanto vairākas metodes, lai saskaņotu šos domēnus tādā veidā, kas veido pastāvīgo magnētu. Viena standarta metode ir novietot materiālu tādā stāvoklī, lai to varētu viegli veidot, piemēram, uzkarsējot to līdz noteiktai temperatūrai un pēc tam pakļaujot spēcīgam ārējam magnētiskajam laukam. Kad materiāls atdziest vai polimerizējas, orientētie domēni tiek pastāvīgi “iesaldēti”, iegūstot vēlamo magnētisko struktūru.
Magnetizācijas paņēmieni
Piektais pastāvīgā magnēta izveides solis tiek saukts par magnetizāciju. Tas ietver izlīdzinātā materiāla izvadīšanu caur vēl spēcīgāku magnētisko lauku, ko parasti nodrošina elektromagnēti. Šis lielais lauka stiprums uzlabo magnētisko domēnu orientāciju savā starpā, lai iegūtu maksimālu magnēta magnetizāciju un virzienu.
Metode magnētisko domēnu novietošanai vēlamajā orientācijā mainīsies atkarībā no īpašībām, kuras vēlaties sasniegt gala magnētam. Piemēram, īpašiem lietojumiem ir nepieciešams, lai spēki, kas iedarbojas uz tilpumu, būtu viendabīgi; citos gadījumos var būt izdevīgi izmantot noteiktas lauka formas.
Pastāvīgo magnētu veidi
Uzlabojoties tehnoloģijām, pasaulē ir daudz dažādu pastāvīgo magnētu veidu, kas tiek izmantoti dažādās jomās. Abiem veidiem ir dažādas īpašības un raksturlielumi, kas tos kvalificē īpašiem lietojumiem. Tātad, aplūkosim tuvāk mūsdienu pasaulē visplašāk izmantotos pastāvīgo magnētu veidus.
Ferīta magnēti
Ferīta magnēti, ko parasti dēvē par keramikas magnētiem, ir vieni no visizplatītākajiem pastāvīgo magnētu veidiem. Tos veido dzelzs oksīds, kas apvienots ar bārija vai stroncija karbonātu. Ferīta magnēti ir lēti, ļoti izturīgi pret koroziju un var viegli izturēt augstu un zemu temperatūru. To magnētiskais spēks nav tik augsts kā dažiem citiem veidiem; tie ir lēti un izturīgi, un tos var izmantot maiņstrāvas motoros, skaļruņos, magnētiskās šķirošanas iekārtās un daudz ko citu.
Alnico magnēti
Alnico magnēti ir nosaukti pēc alumīnija bāzes sastāva, kas ir sajaukts ar niķeli un kobaltu un galvenokārt satur dzelzi. Kā minēts, šie magnēti ir vieni no pirmajiem augstas veiktspējas pastāvīgajiem magnētiem, kas tika izgudroti divdesmitā gadsimta sākumā. Alnico magnētu kvalitāte ir tāda, ka tiem ir lieliskas temperatūras īpašības un tie spēj saglabāt magnētismu līdz pat augstām temperatūrām. To izmanto sensoros, ģitāru mikrofonos, īpašos elektromotoros utt.
Samarija-kobalta magnēti
SmCo magnēti tagad tiek izmantoti retzemju magnēti ar augstām magnētiskajām īpašībām. Šiem materiāliem ir raksturīgas augstas magnētiskās īpašības un laba termiskā un ķīmiskā stabilitāte. SmCo izmantotie pastāvīgie magnēti var darboties augstā temperatūrā līdz 300 ° C, tāpēc tie ir piemēroti kosmosa lietojumiem, militāriem un rūpnieciskiem lietojumiem. Tomēr kobalta augsto izmaksu dēļ baterijas ir dārgas un tāpēc tās netiek plaši izmantotas.
Neodīma magnēti
NdFeB jeb neodīma magnēti ir jaudīgākie pastāvīgie magnēti, kas šobrīd pastāv tirgū. NdFeB magnēti ir izgatavoti no neodīma, dzelzs un bora elementiem un nodrošina visaugstāko lauka stiprumu konkrētajam magnēta izmēram. Tas joprojām nodrošina augstāku stiprības un svara attiecību, kas ir pārveidojis daudzas nozares, tostarp elektronisko elektromotoru miniaturizāciju. Neodīma magnēti tiek izmantoti datoru cieto disku, vēja enerģijas turbīnu, MRI izgudrojumu un daudz ko citu ražošanā.
Īpašības un raksturlielumi
Pirms analizēt dažus pastāvīgo magnētu izmantošanas un reklāmas scenārijus, mums ir jāsaprot magnētu īpašības un īpašības. Tie nosaka magnēta kopējo veiktspēju šajā vai citā pielietojumā un/vai darbības apstākļos.
Magnētiskā lauka stiprums
Magnētiskā lauka stiprums, kas izteikts Teslā (T) vai Gausā (G), norāda, cik spēcīgs ir magnēts. Šis īpašums ir būtisks, lai noteiktu magnēta mijiedarbības raksturu ar citām magnētiskām vielām. Piemēram, neodīma magnēti var radīt lauku līdz 1,4 teslām, savukārt ferīta materiāli var radīt tikai līdz 0,4 teslām.
Piespiešana
Koercivitāte ir pakāpe, kādā magnēta materiāls ir izturīgs pret demagnetizāciju. Tas apzīmē līmeni, kurā magnēta demagnetizēšanai nepieciešams magnētiskā lauka stiprums. Pastāvīgie magnēti ar lielu piespiedu spēku, piemēram, neodīma un samārija kobalta magnēti, var izturēt lielāku demagnetizāciju no ārējiem magnētiskajiem laukiem vai mehāniskām trieciena slodzēm.
Temperatūras jutība
Temperatūra ir viens no vairākiem faktoriem, kas var būtiski ietekmēt pastāvīgo magnētu darbību un īpašības; temperatūras izmaiņas var būtiski ietekmēt pastāvīgo magnētu darbību. Piespiedu spēks mainās arī atkarībā no magnēta veida un vienmēr ir saistīts ar darbības temperatūras diapazonu. Ārpus šī diapazona magnēts var “zaudēt” savu magnētisko pievilkšanas spēku uz laiku vai pat nevar to atgūt. Piemēram, neodīma magnēti maina savas īpašības, pakļaujoties augstām temperatūrām; virs 80 grādiem, magnēti zaudēs savas magnētiskās īpašības, savukārt samārija kobalta magnētiem ir daudz augstāka darba temperatūra un tie nav viegli demagnetizējušies.
Izturība pret koroziju
Spolēm, kuru pamatā ir magnēti, jābūt ar augstu vai zināmu izturību pret koroziju, tas atkal ir nepieciešams magnētiem, kurus izmanto smagos vai āra apstākļos. No ferīta izgatavoti magnēti ir īpaši labi šim darbam, jo tie spēj izturēt koroziju vai oksidāciju. Tomēr neodīma magnēti ir salīdzinoši jutīgāki pret koroziju, un parasti tiem ir nepieciešams aizsargslānis, lai tos aizsargātu smagās darbības vidēs.
Pielietojums dažādās nozarēs
Pastāvīgo magnētu izmantošana daudzu izstrādājumu dizainā ir bijusi iespējama to unikālo īpašību dēļ. Sākot ar būtiskām sadzīves ierīcēm un beidzot ar zinātnisko aprīkojumu, šīs ievērojamās sastāvdaļas mūsdienās ir neaizstājamas. Ir jāaplūko viskritiskākās pastāvīgo magnētu pielietošanas jomas dažādās nozarēs.
Elektronika un tehnoloģijas
Elektronikas jomā ir grūti atrast elektroniskas ierīces, kurās netiek izmantoti pastāvīgie magnēti. Tos izmanto skaļruņu un austiņu konstrukcijā, kas darbojas kopā ar elektromagnētiem skaņas ģenerēšanai. Datoru cietajos diskos vienmēr tiek izmantoti spēcīgi neodīma magnēti, lai nolasītu datus no magnētiskajiem diskiem un ierakstītu datus šajos diskos. Tas svārstās no viedtālruņu un planšetdatoru korpusu turēšanas līdz sīkrīku pārslēgšanai miega režīmā, izmantojot mazus magnētus.
Automobiļu nozare
Automobiļu rūpniecība ir pieņēmusi pastāvīgo magnētu izmantošanu automašīnās, lai uzlabotu veiktspēju un efektivitāti. Elektriskie un hibrīdie transportlīdzekļi izmanto pastāvīgo magnētu kustības jaudas transportlīdzekļu dzinējus, jo tie nodrošina blīvo jaudu. Tos izmanto arī katras modernas automašīnas sensoros, piemēram, pārbaudot riteņu ātrumu vai dzinēja veiktspēju. Arī tradicionālajos iekšdedzes dzinējos ģeneratoros un startera motoros tiek izmantoti magnēti.
Medicīnas joma
Pastāvīgie magnēti ir mainījuši medicīniskās attēlveidošanas un ārstēšanas tehnoloģijas. Magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (MRI) iekārtas izmanto spēcīgus magnētus, lai radītu detalizētus cilvēka ķermeņa attēlus. Mazāki magnēti tiek izmantoti dažādās medicīnas ierīcēs, piemēram, dzirdes aparātos un elektrokardiostimulatoros. Zobārstniecībā magnētus izmanto protezēšanā un ortodontijā, lai nostiprinātu protēzes un palīdzētu zobu kustībā.
Atjaunojamā enerģija
Pateicoties pastāvīgajiem magnētiem, atjaunojamās enerģijas nozare, īpaši vēja enerģija, ir piedzīvojusi ievērojamus panākumus. Vēja turbīnu ģeneratori bieži izmanto neodīma magnētus, lai mehānisko enerģiju pārveidotu elektroenerģijā efektīvāk nekā tradicionālie indukcijas ģeneratori. Tas ir ļāvis izstrādāt milzīgākas, jaudīgākas vēja turbīnas, kas spēj radīt ievērojamu daudzumu tīras enerģijas.
Aviācijas un kosmosa rūpniecība
Aviācijas un kosmosa lietojumos, kur svars un veiktspēja ir kritiski faktori, pastāvīgajiem magnētiem ir būtiska nozīme. Tos izmanto dažādās gaisa kuģu sistēmās, tostarp lidojuma vadības ierīcēs, degvielas sūkņos un salona spiediena regulēšanā. Satelīti un kosmosa kuģi arī paļaujas uz magnētiem attieksmes kontrolei, enerģijas ražošanai un zinātniskiem instrumentiem.
Pastāvīgo magnētu ietekme uz vidi
Lai gan pastāvīgie magnēti ievērojami veicina tehnoloģiju attīstību un energoefektivitāti, to ražošanai un iznīcināšanai var būt ietekme uz vidi. Tā kā mēs turpinām paļauties uz šiem spēcīgajiem komponentiem, ir ļoti svarīgi ņemt vērā to ietekmi uz visu dzīves ciklu un strādāt pie ilgtspējīgākas prakses.
Kalnrūpniecība un ieguve
Pastāvīgo magnētu, īpaši retzemju magnētu, piemēram, neodīma, ražošana sākas ar izejvielu ieguvi un ieguvi. Šim procesam var būt nozīmīgas vides sekas, tostarp biotopu traucējumi, augsnes erozija un potenciāls ūdens piesārņojums. Jo īpaši retzemju elementu ieguve ir saistīta ar vides problēmām, ko izraisa skarbu ķīmisko vielu izmantošana un toksisku atkritumu rašanās.
Ražošanas procesi
Pastāvīgo magnētu ražošana ietver energoietilpīgus procesus, tostarp kausēšanu, liešanu un saķepināšanu augstā temperatūrā. Šie procesi veicina oglekļa emisijas un enerģijas patēriņu. Turklāt dažādu ķīmisko vielu izmantošana ražošanas procesā var izraisīt gaisa un ūdens piesārņojumu, ja netiek pareizi pārvaldīta.
Pārstrādes un ilgtspējības centieni
Pieaugot izpratnei par pastāvīgo magnētu ietekmi uz vidi, arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta otrreizējai pārstrādei un ilgtspējīgām ražošanas metodēm. Pastāvīgo magnētu pārstrāde var palīdzēt samazināt vajadzību pēc jaunu izejvielu ieguves un samazināt atkritumu daudzumu. Tomēr retzemju magnētu pārstrādes process ir sarežģīts un joprojām ir agrīnā attīstības stadijā.
Notiek centieni izstrādāt videi draudzīgākus ražošanas procesus un atrast alternatīvus materiālus, kas var nodrošināt līdzīgas magnētiskās īpašības ar mazāku ietekmi uz vidi. Daži pētnieki pēta veidus, kā izveidot spēcīgus magnētus, izmantojot bagātīgākus elementus, kas, iespējams, samazina atkarību no retzemju minerāliem.
Secinājums
Pastāvīgie magnēti, kas radušies no dabas un pilnveidoti cilvēka atjautības rezultātā, ir kļuvuši par neaizstājamām sastāvdaļām dažādos lietojumos. No izejvielām līdz elektrisko transportlīdzekļu darbināšanai, medicīnas sasniegumiem un atjaunojamās enerģijas risinājumiem, tie demonstrē materiālu zinātnes potenciālu. Tā kā tehnoloģijas un ilgtspējība turpina attīstīties, pastāvīgo magnētu attīstībai būs izšķiroša nozīme mūsu nākotnes veidošanā.
Pastāvīgie magnēti, mūsdienu laikmeta klusais darba zirgs, tiek pētīti, lai iegūtu jaunus materiālus, uzlabotus ražošanas procesus un novatoriskus lietojumus. Viņu dzīvesstāsts no radīšanas līdz pielietojumam sola aizraujošus notikumus un iespējas nākamajām paaudzēm, parādot zinātnisko principu dziļo ietekmi uz mūsu dzīvi un apkārtējo pasauli.