Η ιστορία της δημιουργίας και χρήσης μαγνητικών υλικών

Η ιστορία της χρήσης μαγνητικών υλικών είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την ιστορία της ανακάλυψης και της έρευνας μαγνητικά φαινόμενα, καθώς και την ιστορία της ανάπτυξης των μαγνητικών υλικών και τη βελτίωση των ιδιοτήτων τους.

Πρώτες αναφορές για μαγνητικά υλικά χρονολογούνται από την αρχαιότητα όταν οι μαγνήτες χρησιμοποιούνταν για τη θεραπεία διαφόρων παθήσεων.

Η πρώτη συσκευή από φυσικό υλικό (μαγνητίτης) κατασκευάστηκε στην Κίνα κατά τη διάρκεια της δυναστείας των Χαν (206 π.Χ. - 220 μ.Χ.). Στο κείμενο του Lunheng (1ος αιώνας μ.Χ.) περιγράφεται ως εξής: «Αυτό το εργαλείο μοιάζει με κουτάλι και αν το βάλεις σε ένα πιάτο, τότε η λαβή του θα δείχνει προς το νότο». Παρά το γεγονός ότι μια τέτοια «συσκευή» χρησιμοποιήθηκε για γεωμαντεία, θεωρείται πρωτότυπο της πυξίδας.

Πρωτότυπο της πυξίδας που δημιουργήθηκε στην Κίνα κατά τη διάρκεια της δυναστείας των Χαν: α — μοντέλο σε φυσικό μέγεθος. β — μνημείο της εφεύρεσης

Μέχρι τα τέλη περίπου του 18ου αιώνα.οι μαγνητικές ιδιότητες του φυσικά μαγνητισμένου μαγνητίτη και του μαγνητισμένου σιδήρου με αυτόν χρησιμοποιήθηκαν μόνο για την κατασκευή πυξίδων, αν και υπάρχουν μύθοι για μαγνήτες που τοποθετήθηκαν στην είσοδο ενός σπιτιού για να ανιχνεύσουν σιδερένια όπλα που θα μπορούσαν να κρύβονται κάτω από ρούχα εισερχόμενου ατόμου.

Παρά το γεγονός ότι για πολλούς αιώνες τα μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνταν μόνο για την κατασκευή πυξίδων, πολλοί επιστήμονες ασχολήθηκαν με τη μελέτη μαγνητικών φαινομένων (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Lomonosov, κ.λπ.), ο οποίος συνέβαλε στην ανάπτυξη της επιστήμης του μαγνητισμού και της χρήσης μαγνητικών υλικών.

Οι βελόνες της πυξίδας που χρησιμοποιήθηκαν εκείνη την εποχή ήταν φυσικά μαγνητισμένες ή μαγνητισμένες φυσικός μαγνητίτης… Μόνο το 1743 ο D. Bernoulli λύγισε τον μαγνήτη και του έδωσε το σχήμα πετάλου, το οποίο αύξησε πολύ τη δύναμή του.

Τον XIX αιώνα. η έρευνα του ηλεκτρομαγνητισμού καθώς και η ανάπτυξη κατάλληλων συσκευών έχουν δημιουργήσει προϋποθέσεις για την ευρεία χρήση μαγνητικών υλικών.

Το 1820, ο HC Oersted ανακάλυψε τη σύνδεση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Με βάση την ανακάλυψή του, ο W. Sturgeon κατασκεύασε το 1825 τον πρώτο ηλεκτρομαγνήτη, ο οποίος ήταν μια σιδερένια ράβδος καλυμμένη με διηλεκτρικό βερνίκι, μήκους 30 cm και διαμέτρου 1,3 cm, λυγισμένη σε μορφή πέταλου, πάνω στην οποία υπήρχαν 18 στροφές σύρματος. τραύμα συνδεδεμένο με ηλεκτρική μπαταρία κάνοντας επαφή. Το μαγνητισμένο σιδερένιο πέταλο μπορεί να χωρέσει ένα φορτίο 3600 g.

Ηλεκτρομαγνήτης Sturgeon (η διακεκομμένη γραμμή δείχνει τη θέση της κινητής ηλεκτρικής επαφής όταν το ηλεκτρικό κύκλωμα είναι κλειστό)

Στην ίδια περίοδο ανήκουν και τα έργα του P. Barlow για τη μείωση της επιρροής στις πυξίδες των πλοίων και στα χρονόμετρα του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τα γύρω σιδερένια μέρη. Ο Barlow ήταν ο πρώτος που εφάρμοσε στην πράξη συσκευές θωράκισης μαγνητικού πεδίου.

Πρώτη πρακτική εφαρμογή μαγνητικά κυκλώματα που σχετίζονται με την ιστορία της εφεύρεσης του τηλεφώνου. Το 1860, ο Antonio Meucci έδειξε την ικανότητα να μεταδίδει ήχους μέσω καλωδίων χρησιμοποιώντας μια συσκευή που ονομάζεται Teletrophone. Η προτεραιότητα του A. Meucci αναγνωρίστηκε μόλις το 2002, μέχρι τότε ο A. Bell θεωρούνταν ο δημιουργός του τηλεφώνου, παρά το γεγονός ότι η αίτησή του για εφεύρεση του 1836 κατατέθηκε 5 χρόνια αργότερα από την αίτηση του A. Meucci.

Ο T.A.Edison μπόρεσε να ενισχύσει τον ήχο του τηλεφώνου με τη βοήθεια του μετασχηματιστής, που κατοχυρώθηκε ταυτόχρονα από τους P. N. Yablochkov και A. Bell το 1876.

Το 1887, ο P. Janet δημοσίευσε ένα έργο που περιγράφει μια συσκευή για την καταγραφή των ηχητικών δονήσεων. Στη διαμήκη σχισμή του κοίλου μεταλλικού κυλίνδρου εισήχθη χαρτί από χάλυβα επικαλυμμένο με πούδρα, το οποίο δεν έκοψε εντελώς τον κύλινδρο. Όταν το ρεύμα περνούσε από τον κύλινδρο, τα σωματίδια σκόνης έπρεπε να προσανατολιστούν με συγκεκριμένο τρόπο υπό την επίδραση ρεύμα μαγνητικού πεδίου.

Το 1898, ο Δανός μηχανικός V. Poulsen υλοποίησε πρακτικά τις ιδέες του O. Smith σχετικά με τις μεθόδους ηχογράφησης. Φέτος μπορεί να θεωρηθεί έτος γέννησης της μαγνητικής καταγραφής πληροφοριών. Ο V. Poulsen χρησιμοποίησε ως μέσο μαγνητικής εγγραφής ένα χαλύβδινο σύρμα πιάνου με διάμετρο 1 mm τυλιγμένο σε μη μαγνητικό ρολό.

Κατά την εγγραφή ή την αναπαραγωγή, το καρούλι μαζί με το καλώδιο περιστρέφεται σε σχέση με τη μαγνητική κεφαλή, η οποία κινείται παράλληλα με τον άξονά της. Σαν μαγνητικά κεφάλια χρησιμοποιημένοι ηλεκτρομαγνήτες, που αποτελείται από έναν πυρήνα σε σχήμα ράβδου με ένα πηνίο, το ένα άκρο του οποίου γλίστρησε πάνω από το στρώμα εργασίας.

Η βιομηχανική παραγωγή τεχνητών μαγνητικών υλικών με υψηλότερα μαγνητικά χαρακτηριστικά κατέστη δυνατή μόνο μετά την ανάπτυξη και βελτίωση των τεχνολογιών τήξης μετάλλων.

Τον XIX αιώνα. το κύριο μαγνητικό υλικό είναι ο χάλυβας που περιέχει 1,2 ... 1,5% άνθρακα. Από τα τέλη του XIX αιώνα. άρχισε να αντικαθίσταται από χάλυβα σε κράμα με πυρίτιο. Ο ΧΧ αιώνας χαρακτηρίζεται από τη δημιουργία πολλών εμπορικών σημάτων μαγνητικών υλικών, τη βελτίωση των μεθόδων για τη μαγνήτισή τους και τη δημιουργία μιας συγκεκριμένης κρυσταλλικής δομής.

Το 1906, εκδόθηκε ένα δίπλωμα ευρεσιτεχνίας στις ΗΠΑ για έναν μαγνητικό δίσκο με σκληρή επίστρωση. Η καταναγκαστική δύναμη των μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή ήταν χαμηλή, η οποία, σε συνδυασμό με την υψηλή υπολειμματική αυτεπαγωγή, το μεγάλο πάχος του στρώματος εργασίας και τη χαμηλή ικανότητα κατασκευής, οδήγησε στο γεγονός ότι η ιδέα της μαγνητικής εγγραφής είχε πρακτικά ξεχαστεί μέχρι τη δεκαετία του '20. αιώνας.

Το 1925 στην ΕΣΣΔ και το 1928 στη Γερμανία αναπτύχθηκαν μέσα εγγραφής, τα οποία είναι εύκαμπτο χαρτί ή πλαστική ταινία πάνω στην οποία εφαρμόζεται ένα στρώμα σκόνης που περιέχει καρβονυλικό σίδηρο.

Στη δεκαετία του 20 του περασμένου αιώνα. Τα μαγνητικά υλικά δημιουργούνται με βάση κράματα σιδήρου με νικέλιο (permaloid) και σιδήρου με κοβάλτιο (permendura). Για χρήση σε υψηλές συχνότητες, διατίθενται ferrocards, οι οποίες είναι πλαστικοποιημένο υλικό από χαρτί επικαλυμμένο με βερνίκι με σωματίδια σκόνης σιδήρου κατανεμημένα σε αυτό.

Το 1928, μια σκόνη σιδήρου αποτελούμενη από σωματίδια μεγέθους μικρού ελήφθη στη Γερμανία, η οποία προτάθηκε να χρησιμοποιηθεί ως πληρωτικό για την κατασκευή πυρήνων με τη μορφή δακτυλίων και ράβδων.Στην ίδια περίοδο ανήκει και η πρώτη εφαρμογή του permalloy στην κατασκευή τηλεγραφικού ρελέ.

Το Permalloy και το Permendyur περιλαμβάνουν ακριβά συστατικά — νικέλιο και κοβάλτιο, γι' αυτό και έχουν αναπτυχθεί εναλλακτικά υλικά σε χώρες που δεν διαθέτουν κατάλληλες πρώτες ύλες.

Το 1935, ο H. Masumoto (Ιαπωνία) δημιούργησε ένα κράμα με βάση τον σίδηρο, το οποίο είναι κράμα με πυρίτιο και αλουμίνιο (alcifer).

Στη δεκαετία του 1930. Εμφανίστηκαν κράματα σιδήρου-νικελίου-αλουμινίου (YUNDK), τα οποία είχαν υψηλές (εκείνη την εποχή) τιμές καταναγκαστικής δύναμης και ειδική μαγνητική ενέργεια. Η βιομηχανική παραγωγή μαγνητών με βάση τέτοια κράματα ξεκίνησε τη δεκαετία του 1940.

Παράλληλα, αναπτύχθηκαν φερρίτες διαφόρων ποικιλιών και παρήχθησαν φερρίτες νικελίου-ψευδάργυρου και μαγγανίου-ψευδαργύρου. Αυτή η δεκαετία περιελάμβανε επίσης την ανάπτυξη και τη χρήση μαγνητοδιηλεκτρικών βασισμένων σε σκόνες περμαλοειδούς και καρβονυλικού σιδήρου.

Τα ίδια χρόνια προτάθηκαν εξελίξεις που αποτέλεσαν τη βάση για τη βελτίωση της μαγνητικής καταγραφής. Το 1935, δημιουργήθηκε στη Γερμανία μια συσκευή που ονομάζεται Magnetofon-K1, στην οποία χρησιμοποιήθηκε μια μαγνητική ταινία για την εγγραφή ήχου, το στρώμα εργασίας της οποίας αποτελούνταν από μαγνητίτη.

Το 1939, ο F. Matthias (IG Farben / BASF) ανέπτυξε μια πολυστρωματική ταινία που αποτελείται από ένα υπόστρωμα, κόλλα και οξείδιο σιδήρου γάμμα. Έχουν δημιουργηθεί μαγνητικές κεφαλές δακτυλίου με μαγνητικό πυρήνα με βάση το permaloid για αναπαραγωγή και εγγραφή.

Στη δεκαετία του 1940. η ανάπτυξη της τεχνολογίας ραντάρ οδήγησε σε μελέτες για την αλληλεπίδραση ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος με τον μαγνητισμένο φερρίτη. Το 1949, ο W. Hewitt παρατήρησε το φαινόμενο του σιδηρομαγνητικού συντονισμού στους φερρίτες. Στις αρχές της δεκαετίας του 1950.Αρχίζουν να παράγονται βοηθητικά τροφοδοτικά με βάση τον φερρίτη.

Στη δεκαετία του 1950. Στην Ιαπωνία ξεκίνησε η εμπορική παραγωγή σκληρών μαγνητικών φερρίτων, οι οποίοι ήταν φθηνότεροι από τα κράματα YUNDK, αλλά κατώτεροι από αυτούς όσον αφορά τη συγκεκριμένη μαγνητική ενέργεια. Η αρχή της χρήσης μαγνητικών ταινιών για την αποθήκευση πληροφοριών σε υπολογιστές και την εγγραφή τηλεοπτικών εκπομπών χρονολογείται από την ίδια περίοδο.

Στη δεκαετία του '60 του περασμένου αιώνα. βρίσκεται σε εξέλιξη η ανάπτυξη μαγνητικών υλικών με βάση ενώσεις κοβαλτίου με ύττριο και σαμάριο, που την επόμενη δεκαετία θα οδηγήσει στη βιομηχανική εφαρμογή και βελτίωση παρόμοιων υλικών διαφόρων τύπων.

Στη δεκαετία του '70 του περασμένου αιώνα. η ανάπτυξη τεχνολογιών για την παραγωγή λεπτών μαγνητικών φιλμ οδήγησε στην ευρεία χρήση τους για την καταγραφή και την αποθήκευση πληροφοριών.

Στη δεκαετία του '80 του περασμένου αιώνα. Ξεκινά η εμπορική παραγωγή πυροσυσσωματωμένων μαγνητών με βάση το σύστημα NdFeB. Την ίδια περίπου εποχή ξεκίνησε η παραγωγή άμορφων, και λίγο αργότερα, νανοκρυσταλλικών μαγνητικών κραμάτων, τα οποία έγιναν εναλλακτική του περμαλοειδούς, και σε ορισμένες περιπτώσεις, των ηλεκτρικών χάλυβων.

Η ανακάλυψη το 1985 του γιγαντιαίου φαινομένου μαγνητοαντίστασης σε πολυστρωματικά φιλμ που περιέχουν μαγνητικά στρώματα πάχους νανομέτρων έθεσε τα θεμέλια για μια νέα κατεύθυνση στην ηλεκτρονική - spin electronics (spintronics).

Στη δεκαετία του '90 του περασμένου αιώνα. Οι ενώσεις που βασίζονται στο σύστημα SmFeN προστέθηκαν στο φάσμα των σύνθετων σκληρών μαγνητικών υλικών και το 1995 ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της σήραγγας με μαγνητοαντίσταση.

Το 2005ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της μαγνητοαντίστασης της γιγαντιαίας σήραγγας. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκαν και τέθηκαν σε παραγωγή αισθητήρες που βασίζονται στην επίδραση της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης και της σήραγγας, που προορίζονται για χρήση σε συνδυασμένες κεφαλές εγγραφής / αναπαραγωγής σκληρών μαγνητικών δίσκων, σε συσκευές μαγνητικής ταινίας κ.λπ. Δημιουργήθηκαν επίσης συσκευές μνήμης τυχαίας πρόσβασης.

Το 2006 ξεκίνησε η βιομηχανική παραγωγή μαγνητικών δίσκων για κάθετη μαγνητική εγγραφή. Η ανάπτυξη της επιστήμης, η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών και εξοπλισμού καθιστούν δυνατή όχι μόνο τη δημιουργία νέων υλικών, αλλά και τη βελτίωση των χαρακτηριστικών των προηγουμένως δημιουργηθέντων.

Η αρχή του XXI αιώνα μπορεί να χαρακτηριστεί από τους ακόλουθους κύριους τομείς έρευνας που σχετίζονται με τη χρήση μαγνητικών υλικών:

• στα ηλεκτρονικά — μείωση του μεγέθους του εξοπλισμού λόγω της εισαγωγής συσκευών επίπεδης και λεπτής μεμβράνης·

• στην ανάπτυξη μόνιμων μαγνητών — αντικατάσταση ηλεκτρομαγνητών σε διάφορες συσκευές.

• σε συσκευές αποθήκευσης — μείωση του μεγέθους της κυψέλης μνήμης και αύξηση της ταχύτητας.

• στην ηλεκτρομαγνητική θωράκιση — αύξηση της απόδοσης των ηλεκτρομαγνητικών ασπίδων σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων με ταυτόχρονη μείωση του πάχους τους.

• σε τροφοδοτικά — επέκταση των ορίων του εύρους συχνοτήτων στο οποίο χρησιμοποιούνται μαγνητικά υλικά.

• σε υγρά ανομοιογενή μέσα με μαγνητικά σωματίδια — επέκταση των περιοχών αποτελεσματικής εφαρμογής τους.

• στην ανάπτυξη και δημιουργία αισθητήρων διαφορετικών τύπων — επέκταση της γκάμας και βελτίωση των τεχνικών χαρακτηριστικών (ιδιαίτερα ευαισθησίας) μέσω της χρήσης νέων υλικών και τεχνολογιών.