История применения магнитных материалов неразрывно связана с историей открытия и исследования магнитных явлений, а также с историей разработки магнитных материалов и совершенствования их свойств.
Первые упоминания о магнитных материалах относятся к античным временам, когда магниты использовались для лечения различных заболеваний.
Первое устройство из природного материала (магнетита) было изготовлено в Китае, во времена династии Хань (206 до н. э. – 220 н. э.). В тексте «Луньхэн» (I век н. э.) оно описывается так: «этот инструмент напоминает ложку, и если его положить на тарелку, то его ручка укажет на юг». Несмотря на то, что использовался такой «прибор» для геомантии, он считается прототипом компаса.
Прототип компаса, созданного в Китае в период династии Хань: а – модель в натуральную величину; б – памятник изобретению
Приблизительно до конца XVIII в. магнитные свойства природного естественно намагниченного магнетита и намагниченного с его помощью железа использовались только для изготовления компасов, хотя известны легенды о магнитах, которые устанавливались на входе в дом с целью обнаружения железного оружия, которое могло быть спрятано под одеждой входящего человека.
Несмотря на то, что на протяжении многих веков магнитные материалы использовались только для изготовления компасов, исследованиями магнитных явлений занимались многие ученые (Леонардо да Винчи, Дж. делла Порта, В. Гильберт, Г. Галилей, Р. Декарт, М. Ломоносов и др.), внесшие вклад в развитие науки о магнетизме и применении магнитных материалов.
Стрелки компаса, которые использовались в это время, имели естественную намагниченность или намагничивались природным магнетитом. Только в 1743 г. Д. Бернулли согнул магнит и придал ему подковообразную форму, что значительно увеличило его силу.
В XIX в. исследования электромагнетизма, а также разработка соответствующих устройств создали предпосылки для широкого применения магнитных материалов.
В 1820 г. Х. К. Эрстед открыл связь между электричеством и магнетизмом. На основе его открытия У. Стерджен в 1825 г. изготовил первый электромагнит, который представлял собой покрытый диэлектрическим лаком железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см, согнутый в виде подковы, на которую было намотано 18 витков провода, соединенного с электрической батареей через замыкающий контакт. Намагниченная железная подкова могла удерживать на весу груз массой 3600 г.
Электромагнит Стерджена (пунктиром показано положение подвижного электрического контакта при замыкании электрической цепи)
К этому же периоду относятся труды П. Барлоу по снижению влияния на корабельные компасы и хронометры магнитного поля, создаваемого окружающими их железосодержащими деталями. Барлоу первым применил на практике устройства для экранирования магнитного поля.
Первое практическое применение магнитопроводов связано с историей изобретения телефона. В 1860 г. Антонио Меуччи продемонстрировал возможность передачи звуков по проводам при помощи устройства, которое он назвал Telectrophon. Приоритет А. Меуччи был признан только в 2002 г., до этого времени создателем телефона считался А. Белл, несмотря на то, что его заявка на изобретение от 1836 г. была подана на 5 лет позднее заявки А. Меуччи.
Усилить звук телефона удалось Т. А. Эдисону при помощи трансформатора, запатентованного одновременно П. Н. Яблочковым и А. Беллом в 1876 г.
В 1887 г. П. Жанэ опубликовал работу с описанием устройства для регистрации звуковых колебаний. В продольную щель полого металлического цилиндра, которая не полностью разрезала цилиндр, вставлялась бумага, покрытая стальным порошком. При пропускании тока через цилиндр частицы порошка должны были определенным образом ориентироваться под действием магнитного поля тока.
В 1898 г. датский инженер В. Поульсен практически реализовал идеи О. Смита о способах записи звука. Этот год можно считать годом рождения магнитной записи информации. В. Поульсен использовал в качестве носителя магнитной записи стальную рояльную проволоку диаметром 1 мм, намотанную на немагнитный валик.
При записи или воспроизведении валик вместе с проволокой вращался относительно магнитной головки, которая перемещалась параллельно его оси. В качестве магнитных головок применяли электромагниты, состоящие из стержневого сердечника с обмоткой, который одним концом скользил по рабочему слою.
Промышленный выпуск искусственных магнитных материалов с более высокими магнитными характеристиками стал возможен только после разработки и совершенствования технологий выплавки металлов.
В XIX в. основным магнитным материалом была сталь, содержащая 1,2…1,5 % углерода. С конца XIX в. ее начали заменять сталью, легированной кремнием. ХХ в. характеризуется созданием множества марок магнитных материалов, совершенствованием способов их намагничивания и создания определенной кристаллической структуры.
В 1906 г. в США был выдан патент на магнитный диск со сплошным покрытием. Коэрцитивная сила применявшихся для записи магнитных материалов была низка, что в сочетании с высокой остаточной индукцией, большой толщиной рабочего слоя и низкой технологичностью привело к тому, что идея магнитной записи была практически забыта до 1920-х гг.
В 1925 г. в СССР, а 1928 г. в Германии были разработаны носители записи, представляющие собой гибкую бумажную или пластиковую ленту, на которую нанесен слой порошка, содержащего карбонильное железо.
В 1920-е гг. создаются магнитные материалы на основе сплавов железа с никелем (пермаллои) и железа с кобальтом (пермендюры). Для использования на высоких частотах предлагаются феррокарты, представляющие собой слоистый материал, изготовленный из бумаги, покрытой лаком с распределенными в нем частицами порошка железа.
В 1928 г. в Германии был получен порошок железа, состоящий из частиц микронного размера, который предлагалось использовать в качестве наполнителя при изготовлении сердечников, имеющих форму колец и стержней. К этому же периоду относится первое применение пермаллоев в конструкции телеграфного реле.
Пермаллои и пермендюры включали в себя дорогостоящие компоненты – никель и кобальт, поэтому в странах с дефицитом соответствующего сырья велись разработки альтернативных материалов.
В 1935 г. Х. Масумото (Япония) создал сплав на основе железа, легированного кремнием и алюминием (альсифер).
В 1930-е гг. появились железо-никель-алюминиевые сплавы (ЮНДК), которые обладали высокими (на тот момент) значениями коэрцитивной силы и удельной магнитной энергии. Промышленный выпуск магнитов на основе таких сплавов начался в 1940-е гг.
Одновременно разрабатываются ферриты различных марок, причем никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты доводятся до производства. К этому десятилетию также относятся разработка и использование магнитодиэлектриков на основе порошков пермаллоя и карбонильного железа.
В те же годы были предложены разработки, сформировавшие базу для совершенствования магнитной записи. В 1935 г. в Германии было создано устройство «Магнетофон-К1», в котором для записи звука использовалась магнитная лента, рабочий слой которой состоял из магнетита.
В 1939 г. Ф. Маттиас (фирма «IG Farben/BASF») разработал многослойную ленту, состоящую из подложки, клея и гамма-оксида железа. Для воспроизведения и записи были созданы магнитные головки кольцевого типа с магнитопроводом на основе пермаллоя.
В 1940-е гг. развитие радиолокационной техники привело к исследованиям взаимодействия электромагнитной волны с намагниченным ферритом. В 1949 г. У. Хьюитт наблюдал явление ферромагнитного резонанса в ферритах. В начале 1950-х гг. стали выпускаться вспомогательные устройства фидеров на основе ферритов.
В 1950-е гг. в Японии началось коммерческое производство магнитотвердых ферритов, которые были дешевле сплавов ЮНДК, но уступали им по значениям удельной магнитной энергии. К тому же периоду относится начало использования магнитных лент для запоминания информации в вычислительных машинах и для записи телепередач.
В 1960-е гг. ведется разработка магнитных материалов на основе соединений кобальта с иттрием и самарием, которая в следующем десятилетии приводит к промышленному внедрению и совершенствованию аналогичных материалов различного типа.
В 1970-х гг. развитие технологии получения тонких магнитных пленок привело к их широкому использованию для записи и хранения информации.
В 1980-е гг. началось промышленное производство спеченных магнитов на основе системы NdFeB. Примерно в те же сроки начинается производство аморфных, а несколько позже – нанокристаллических магнитных сплавов, которые стали альтернативой пермаллоям и, в некоторых случаях, электротехническим сталям.
Открытие в 1985 г. эффекта гигантского магнетосопротивления в многослойных пленках, содержащих магнитные слои нанометровой толщины, положило начало новому направлению электроники – спиновой электронике (спинтронике).
В 1990-е гг. в спектр композитных магнитотвердых материалов были добавлены соединения на основе системы SmFeN, а в 1995 г. был открыт эффект туннельного магнетосопротивления.
В 2005 г. был открыт эффект гигантского туннельного магнетосопротивления. Затем были разработаны и запущены в производство датчики на основе эффектов гигантского и туннельного магнетосопротивления, предназначенные для применения в комбинированных головках записи/воспроизведения жестких магнитных дисков, в устройствах на магнитной ленте и т. д. Были созданы также магниторезистивные запоминающие устройства произвольного доступа.
В 2006 г. начался промышленный выпуск магнитных дисков для перпендикулярной магнитной записи. Развитие науки, разработка новых технологий и оборудования позволяют не только создавать новые материалы, но и улучшать характеристики ранее созданных.
Начало ХХI века можно охарактеризовать следующими основными направлениями исследований, связанных с практическим применением магнетизма:
-
в радиоэлектронике – снижение габаритов аппаратуры за счет внедрения планарных и тонкопленочных устройств;
-
в разработке постоянных магнитов – замена электромагнитов различных устройств;
-
в запоминающих устройствах – снижение габаритов ячейки памяти и повышение быстродействия;
-
в электромагнитном экранировании – повышение эффективности электромагнитных экранов в широком частотном диапазоне при уменьшении их толщины;
-
в фидерных устройствах – расширение границ частотного диапазона, в котором применяются магнитные материалы;
-
в жидких неоднородных средах с магнитными частицами – расширение областей их эффективного применения;
-
в разработке и создании датчиков различного типа – расширение сфер использования и повышение технических характеристик (в особенности – чувствительности) за счет применения новых материалов и технологий.