Специальные магнитные материалы: свойства, принципы работы и области применения

Магнитные материалы — это материалы, которые обладают способностью взаимодействовать с магнитным полем и изменять его свойства. Магнитные материалы имеют широкое применение в различных областях науки и техники, таких как электроника, связь, информационные технологии, медицина, биология, химия и другие.

Среди магнитных материалов можно выделить специальные магнитные материалы, которые имеют уникальные свойства и узкие области применения.

Магнитные композиты

Магнитные композиты — это материалы, которые состоят из мелких частиц ферромагнетиков или ферримагнетиков и связующей среды. Связующая среда может быть раствором природной или синтетической смолы или гранулятом, который твердеет при нагревании. Магнитные композиты могут быть гибкими, твердыми, жидкими или полупроводниковыми.

Одним из первых магнитных композитов было так называемое высокочастотное железо.

Магнитные свойства композитов зависят от типа магнитного порошка, который используется в их составе. Чаще всего применяются ферритовые порошки и материалы на основе редкоземельных элементов.

Магнитные композиты можно разделить на две группы:

• Смеси, в которых органический компонент играет только роль связующего вещества. К этой группе относятся магнитожесткие ферриты, смешанные с пластиком. Бакелитовый феррит — это магнитотвердый феррит, смешанный с формальдегидной смолой. Полиэтиленовый феррит (пефер) — это смесь разветвленного полиэтилена и мелкодисперсной ферритовой пыли.
• Композиты, в которых содержание смолы существенно влияет на свойства всего материала. Это так называемый магнитный каучук. В него добавляют порошок, который имеет свойства постоянного магнита. Это позволяет изготавливать тонкие магниты и магниты сложной формы.

Магнитные композиты находят широкое применение в различных областях. Например, они используются для магнитных замков, магнитных резиновых уплотнений в холодильниках, мембран динамиков, магнитов для коррекции цвета на цветных экранах, магнитных переключателей, магнитных муфт, роторов и статоров малых электродвигателей, а также в магнитных лаках и клеях для магнитных слоев на магнитных лентах и т.д.

Кроме того, магнитные композиты могут быть использованы для создания новых функциональных материалов, таких как:

• Магнитные жидкости, которые представляют собой коллоидные растворы магнитных частиц в немагнитной жидкости. Они обладают свойством изменять свою вязкость, форму и другие параметры под воздействием магнитного поля. Они могут быть применены в качестве смазок, тормозных жидкостей, демпферов, сепараторов, датчиков, медицинских препаратов и т.д.
• Магнитные полимеры, которые представляют собой полимерные материалы, содержащие магнитные частицы или молекулы. Они обладают свойством изменять свою электрическую проводимость, оптическую прозрачность, механическую прочность и другие параметры под воздействием магнитного поля. Они могут быть применены в качестве памяти, дисплеев, сенсоров, актуаторов, светоизлучающих диодов и т.д.
• Магнитные композиты с гигантским магнитосопротивлением, которые представляют собой композиты, состоящие из магнитных и немагнитных слоев. Они обладают свойством изменять свою электрическое сопротивление в зависимости от направления магнитного поля. Они могут быть применены в качестве магнитных датчиков, переключателей, памяти и т.д

Магнитострикционные материалы

Магнитострикционные материалы — это материалы, которые изменяют свои линейные размеры при намагничивании. Это явление связано с изменением взаимодействия между атомами в кристаллической решетке. Магнитострикционные материалы имеют большие значения коэффициента магнитострикции, чем обычные ферромагнетики.

Магнитострикционные материалы можно разделить на несколько групп в зависимости от их состава и свойств. К ним относятся:

• Магнитострикционные ферриты для резонаторов. Это поликристаллические соединения на основе железа и других металлов, которые имеют высокую магнитную проницаемость и низкие потери. Они используются в качестве основных элементов электромеханических фильтров в радиотехнике, так как имеют большую селективность, чем традиционные LC-схемы.
• Магнитострикционные ферриты для преобразователей. Это также поликристаллические соединения на основе железа и других металлов, которые имеют высокую магнитострикцию и низкую коэрцитивную силу. Они применяются в качестве генераторов и детекторов ультразвуковых волн, так как могут преобразовывать электрические колебания в механические и наоборот.
• Магнитострикционные сплавы на основе никеля и железа. Это металлические сплавы, которые имеют высокую намагниченность и магнитострикцию. Они могут быть изготовлены в виде листов, проволоки или порошка. Они используются в качестве датчиков положения, механических деформаций, температуры, магнитного поля и других физических величин.
• Магнитострикционные сплавы на основе редкоземельных металлов. Это интерметаллические соединения, которые имеют гигантские значения магнитострикции, достигающие 10^-3–10^-4. Они обладают высокой намагниченностью и твердостью. Такие материалы используются в качестве высокоэффективных преобразователей энергии, например, в микроактуаторах, микронасосах, микрогромкоговорителях и т.д..

Магнитострикционные датчики перемещения измеряют магнитострикцию — явление, при котором материалы меняют свои размеры и направление в магнитном поле. Этот принцип работы позволяет избежать трения, так как датчики не имеют механического контакта с измеряемым объектом. Это делает их подходящими для применений, где требуется большое количество циклов измерения без износа.

Магнитострикционные датчики перемещения применяются в различных областях, например, в промышленных машинах, усталостных испытаниях и т. д. Они бывают разных типов: с плоским или квадратным профилем, в виде стержня для встраивания в цилиндры и т. д. Кроме того, они могут выдавать разные сигналы: аналоговые сигналы положения или скорости.

Материалы для записи магнитных данных

Магнитная запись — это способ хранения информации, при котором электрический сигнал преобразуется в магнитное поле и записывается на специальный носитель. При воспроизведении информации магнитное поле считывается с носителя и вновь преобразуется в электрический сигнал.

Принцип магнитной записи заключается в преобразовании электрического сигнала в магнитное поле и записи его на специальный носитель. При воспроизведении информации магнитное поле считывается с носителя и вновь преобразуется в электрический сигнал.

Рассеянный магнитный поток проходит через воздушный зазор между полюсами магнитной головки и воздействует на магнитный слой, нанесенный на ленту или диск. Магнитный импульс, подаваемый на головку, имеет силу в несколько мА.

В том месте, где поток входит в магнитный слой, слой намагничивается. Носитель магнитной записи движется, и таким образом создается последовательная запись.

Записывающие головки должны обладать возможностью записи, считывания и стирания информации, поэтому изготавливаются из магнитомягкого материала. Например, используются пермалой или магнитомягкие ферриты (Ni-Zn и Mn-Zn).

Материалы для записи магнитных данных должны обладать следующими свойствами:

• высокая индукция насыщения, которая обеспечивает большую плотность записи;
• высокая коэрцитивная сила, которая обеспечивает устойчивость записи к внешним воздействиям;
• максимально возможная прямоугольность петли гистерезиса, которая обеспечивает четкое различение уровней намагниченности;
• высокое удельное сопротивление слоя, которое снижает потери на вихревые токи и позволяет уменьшить размеры намагниченных областей.

Для записи магнитных данных используются различные типы материалов:

• Порошковые ферриты в виде однодоменных стержней субмикронных размеров, которые смешиваются с пластиковой связкой и образуют тонкий слой на пластиковой ленте, либо на гибком или жестком диске (из алюминия). В слое доля феррита составляет до 40% по объему.
• Тонкие слои основных ферромагнитных металлов (Fe, Ni, Co), их сплавов с редкоземельными элементами или слои ферримагнитных оксидов, которые наносятся на немагнитную подложку толщиной менее одного микрометра. Они имеют поликристаллический характер, причем домены крупнее кристаллических зерен. Они имеют более высокую индукцию насыщения, но недостатком является высокая цена и сложная технология изготовления, в которой используется вакуумное испарение или напыление.
• Тонкие слои магнитных полупроводников, таких как Fe₃O₄, MnAs, CrO₂, которые также наносятся на немагнитную подложку. Они имеют однородный характер, причем домены меньше кристаллических зерен. Они имеют низкую индукцию насыщения, но высокую коэрцитивную силу и удельное сопротивление. Они позволяют записывать информацию с высокой скоростью и плотностью.

Магнитооптическая запись данных

Магнитооптическая запись данных — это способ хранения информации, при котором используются одновременно магнитные и оптические свойства материалов. 

Принцип магнитооптической записи информации заключается в термомагнитной записи информации и магнитооптическом считывании.

Термомагнитная запись основана на том, что вблизи точки Кюри ферромагнитный материал имеет очень низкую коэрцитивную силу, поэтому легко перемагничивается под воздействием внешнего магнитного поля. Нагрев до температуры выше точки Кюри осуществляется лазерным лучом, который фокусируется на небольшой участок диска.

Магнитооптическое считывание основано на том, что изменение намагниченности записывающего слоя также вызывает изменение поляризации отраженного светового луча при считывании. Этот эффект называется магнитооптическим эффектом Керра.

Для магнитооптической записи данных используются аморфные сплавы редкоземельных элементов с железом или кобальтом — 20% Gd или Tb (гадолиний и тербий — серебристо-белые, мягкие переходные металлы из группы лантаноидов, гадолиний — ферромагнитный).

Эти материалы имеют высокую коэрцитивную силу, высокую индукцию насыщения и низкую температуру Кюри. Они наносятся на немагнитную подложку в виде тонкого слоя толщиной около 0,1 мкм. Сверху слой покрывается защитным слоем из полимера или кварца. Диаметр дисков может быть 90 мм (3,5 дюйма) или 130 мм (5,25 дюйма). Емкость дисков может достигать нескольких гигабайт.

Преимущества и недостатки магнитооптической записи данных Магнитооптическая запись данных имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами хранения информации, такими как магнитная запись, оптическая запись или флеш-память. К ним относятся:

• Высокая плотность записи, которая может достигать 10 Гбит/см².
• Высокая скорость записи и считывания, которая может достигать 40 Мбайт/с.
• Высокая надежность и долговечность, так как магнитооптические диски устойчивы к царапинам, пыли, влаге, температурным перепадам и магнитным полям.
• Возможность перезаписи и стирания информации, которая может производиться до 10⁶ раз.
• Возможность использования различных форматов записи.

Однако магнитооптическая запись данных также имеет ряд недостатков, которые ограничивают ее распространение и конкурентоспособность. К ним относятся:

• Высокая стоимость магнитооптических дисков и дисководов, которая может быть в несколько раз выше, чем у других носителей информации.
• Сложность технологии изготовления и эксплуатации магнитооптических дисков и дисководов, которая требует высокого качества материалов, точности нанесения слоев, синхронизации лазера и магнитной головки и т.д.
• Низкая совместимость магнитооптических дисков и дисководов с другими устройствами и стандартами, так как магнитооптическая запись данных не является широко распространенной и унифицированной технологией.

Андрей Повный