Магнитотвердые материалы и их применение в технике

В настоящее время практически не найти отрасль техники, в которой бы не использовались системы с постоянными магнитами. Будь то радио- или акустика, СВЧ- или компьютерная техника, автоматика или измерительная техника, электро- или теплоэнергетика, металлургия или строительство, авто- или железнодорожный транспорт, медицина или сельское хозяйство, обогащение руд, очистка сыпучих продуктов от посторонних включений — всюду мы встречаем постоянные магниты. Они стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Двигатели и генераторы, тормозные устройства и устройства бесконтактной передачи положения, захваты и подвесы, сепараторы и дефектоскопы, системы безопасности и замки — вот далеко не полный перечень технических устройств, в которых применяются постоянные магниты.

Магнитные системы с высокооднородным магнитным полем для магниторезонансных томографов; магниты и магнитные системы с резко неоднородным магнитным полем для магнитных сепараторов; магнитные системы с включаемым и выключаемым магнитным полем для захватов, магнитные системы с изменяющимся в пространстве магнитным полем для клистронов и ламп бегущей волны; магнитные системы с высокостабильным по температуре магнитным полем для вакуумных СВЧ-приборов и датчиков, магнитные системы с изменяющимся при изменении температуры магнитным полем для твердотельных ферритовых СВЧ-приборов — столь разнообразные функциональные свойства магнитных систем должны обеспечить конструкторы и разработчики РЭА. Именно поэтому поставщики магнитов в своих каталогах приводят таблицы не только магнитных параметров, но и другие физические свойства.

Постоянные магниты, подобно катализаторам, выступая в роли посредника, позволяют преобразовать один вид энергии в другой без потери своей собственной энергии. Наиболее общие категории применения постоянных магнитов следующие:

- преобразование механической энергии в механическую (в сепараторах, магнитных муфтах и др.);

- преобразование механической энергии в электрическую (в генераторах и микрофонах);

- преобразование электрической энергии в механическую (в моторах и динамиках);

- преобразование механической энергии в тепловую (в тормозных устройствах, в микроволновых печах);

- специальные эффекты (датчики Холла, магниторезонансные томографы, СВЧ-связь);

- каталитическое влияние на химические процессы в водных системах, связанное с воздействием градиентных магнитных полей на гидратные структуры ионов, растворённых газов, белковых молекул.

Магнитные поля используются не только в технических устройствах (где магнитные системы поддаются рассчёту), но и для влияния на биологические объекты. Так применение магнитного поля от природного материала (магнетита) для лечебных целей началось ещё в далёкой древности, интенсивно использовалось в средние века и активно используется в настоящее время в таких странах, как Япония, Китай, США. Однако до настоящего времени ведутся дискуссии на тему вредны ли магнитные поля или полезны, как они могут воздействовать на живой организм или растение, если величину этого воздействия невозможно замерить прибором непосредственно в момент воздействия?

Теоретические расчёты силы влияния магнитного поля на молекулы воды (а всё живое состоит по большей части из воды) дают столь малые значения, что поверить в их значимость для живой природы не представляется возможным. В то же время многолетнее (более 50 лет) промышленное использование процессов омагничивания воды в теплотехнике (для предотвращения образования накипи в котлах и трубопроводах) и при изготовлении бетона (для его упрочнения) является наглядным доказательством того, что при омагничивании воды с ней что-то происходит. Обобщение всех, высказанных в научных

публикациях, гипотез и эффектов, наблюдаемых при омагничивании водных систем, позволяет сформулировать следующий механизм действия магнитного поля на водные системы.

Водные системы состоят не из из отдельных, не связанных между собой молекул - диполей Н2О, а представляют собой жидкости, в которых, наряду со «свободными» молекулами воды, имеются и разнообразные кластеры Nх (Н2О) и сольватированные (с гидратными оболочками) ионы кальция, калия, натрия, магния, молекулы растворённых газов (углекислоты, кислорода, азота) и другие включения, в том числе органические молекулы. При прохождении таких жидкостей через градиентное магнитное поле электрические диполи молекул воды получают крутящие моменты (толчки к развороту — движению положительных полюсов в одну сторону, отрицательных — в другую). Эффект от вращательно-колебательных движений молекул воды наглядно ощутим при нагреве продуктов в микроволновых бытовых печах. Воздействие градиентного магнитного поля на водные системы ведёт к разрушению кластерных структур и сольватных оболочек. Разрушение происходит быстро, а восстановление медленно. Ион с разрушенной (хотя бы во втором-третьем слое сольватной оболочкой) становится гораздо подвижнее в процессах диффузии через биологические мембраны и в термодинамически предопределённых, но требующих преодоления энергетических барьеров, процессах, например, кристаллизации солей из перенасыщенных растворов (особенно это характерно для кальциевых) в объёме раствора.

Вышеописанным механизмом можно объяснить практически все наблюдаемые эффекты:

- выпадение кристаллов солей жёсткости внутри объёма воды, используемой в котлах, а не на стенках котлов и трубопроводов;

- заметное влияние на урожай орошения сельскохозяйственных растений в районах с жёсткй водой при применении омагничивания этой воды;

- образование более мелкокристаллической, плотной и прочной структуры бетона при использовании омагниченной воды;

- ускоренное срастание костей при переломах и рассасывание

гематом при применении магнитных процедур;

- влияние магнитных браслетов, бус, магнитных аппликаций на кровяное давление и другое.

Посколько градиентное магнитное поле не лекарство, а только стимулятор (ускоритель) процессов, связанных с диффузией ионов жизненно важных веществ (калия, натрия, кальция, магния, железа) или молекул лекарств через биологические мембраны, протекающих во времени, то и эффективность применения таких магнитов можно оценить не в момент воздействия, а только последствиями от него, которые обнаруживаются спустя длительное время.

Для расчёта сил, воздействующих на диполи воды от магнитных полей, необходимо учитывать, что сила воздействия пропорциональна произведению напряжённости на градиент напряжённости (Нх ΔН). Если градиент (ΔН) приблизок к нулю, то и эффект от воздействия будет ничтожным. Именно это позволяет использовать в томографах для магнито-резонансной томографии (МРТ) постоянное поле напряжённостью 7-10 Тл. Великое множество людей уже прошли обследование МРТ и никто не чувствовал воздействие таких больших магнитных полей.

Магнитные материалы после обнаружения Фарадеем явления электромагнитной индукции прошли длительный путь совершенствования, т.к. чем выше создаваемая ими в рабочем пространстве индукция, тем более эффективно можно превращать механическую энергию в электрическую (электрогенераторы) или электрическую в механическую (электродвигатели).

К настоящему времени в промышленном производстве остались практически только четыре класса материалов для постоянных магнитов. Это NdFeB — самый современный материал, могущий иметь магнитное произведение (ВН)маx величиной до 330 кДж/м³, SmCo —до 230 кДж/м³, AlNiCo — до 64 кДж/м³ и стронциевый феррит -до 32 кДж/м³.

В технике идёт постепенное замещение одних материалов на другие, но у каждого материала есть свои плюсы, которые обеспечат им потребность ещё длительное время. Например, ферритовые магниты на порядок дешевле, чем из NdFeB, и нет никаких ограничений с сырьевой базой. Кроме того, ферриты имеют очень низкую электрическую проводимость, что обеспечивает их преимущество при работе в высокочастотных полях (магнетроны, СВЧ-связь и другое). Магниты из AlNiCo могут работать при температуре до 500°С, а у SmCo самый низкий температурный коэффициент намагниченности, что очень важно для некоторых приборов [2].

Поиск по сайту: