Historia powstania i wykorzystania materiałów magnetycznych

Historia wykorzystania materiałów magnetycznych jest nierozerwalnie związana z historią odkryć i badań zjawiska magnetyczne, a także historia rozwoju materiałów magnetycznych i doskonalenia ich właściwości.

Pierwsze wzmianki do materiałów magnetycznych sięgają czasów starożytnych, kiedy magnesy stosowano w leczeniu różnych dolegliwości.

Pierwsze urządzenie wykonane z naturalnego materiału (magnetytu) zostało wyprodukowane w Chinach za panowania dynastii Han (206 pne - 220 ne). W tekście Lunheng (I wne) opisano to następująco: „To narzędzie wygląda jak łyżka, a jeśli położysz je na talerzu, to jego rączka będzie skierowana na południe”. Pomimo faktu, że takie „urządzenie” było używane do geomancji, jest uważane za prototyp kompasu.

Prototyp kompasu stworzony w Chinach w czasach dynastii Han: a — model naturalnej wielkości; b — zabytek wynalazku

Mniej więcej do końca XVIII wieku.właściwości magnetyczne naturalnego naturalnie namagnesowanego magnetytu i namagnesowanego nim żelaza były używane tylko do produkcji kompasów, chociaż istnieją legendy o magnesach instalowanych przy wejściu do domu w celu wykrycia żelaznej broni, która mogła być ukryta pod ubranie osoby przychodzącej.

Pomimo faktu, że przez wiele stuleci materiały magnetyczne były używane tylko do produkcji kompasów, wielu naukowców zajmowało się badaniem zjawisk magnetycznych (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Łomonosow itp.), Który przyczynił się do rozwoju nauki o magnetyzmie i wykorzystaniu materiałów magnetycznych.

Igły kompasu używane w tamtym czasie były naturalnie namagnesowane lub namagnesowane naturalny magnetyt…Dopiero w 1743 r. D. Bernoulli wygiął magnes i nadał mu kształt podkowy, co znacznie zwiększyło jego siłę.

W XIX wieku. badania elektromagnetyzmu, a także rozwój odpowiednich urządzeń stworzyły warunki wstępne dla powszechnego stosowania materiałów magnetycznych.

W 1820 roku HC Oersted odkrył związek między elektrycznością a magnetyzmem. Na podstawie swojego odkrycia W. Sturgeon w 1825 roku wykonał pierwszy elektromagnes, którym był żelazny pręt pokryty lakierem dielektrycznym o długości 30 cm i średnicy 1,3 cm, wygięty w kształcie podkowy, na którym było 18 zwojów drutu rana połączona z akumulatorem elektrycznym poprzez kontakt. Namagnesowana żelazna podkowa może utrzymać ciężar 3600 g.

Elektromagnes jesiotra (linia przerywana pokazuje położenie ruchomego styku elektrycznego, gdy obwód elektryczny jest zamknięty)

Z tego samego okresu pochodzą prace P. Barlowa mające na celu zmniejszenie wpływu na kompasy okrętowe i chronometry pola magnetycznego wytwarzanego przez otaczające je części zawierające żelazo. Barlow jako pierwszy zastosował w praktyce urządzenia ekranujące pole magnetyczne.

Pierwsze praktyczne zastosowanie obwody magnetyczne związane z historią wynalezienia telefonu. W 1860 roku Antonio Meucci zademonstrował możliwość przesyłania dźwięków przewodami za pomocą urządzenia zwanego Teletrophone. Pierwszeństwo A. Meucciego uznano dopiero w 2002 roku, do tego czasu za twórcę telefonu uważano A. Bella, mimo że jego zgłoszenie wynalazku z 1836 roku zostało złożone 5 lat później niż zgłoszenie A. Meucciego.

T.A.Edison był w stanie wzmocnić dźwięk telefonu za pomocą transformator, opatentowany jednocześnie przez P. N. Jabłoczkowa i A. Bella w 1876 r.

W 1887 r. P. Janet opublikował pracę opisującą urządzenie do rejestracji drgań dźwiękowych. Malowany proszkowo papier stalowy został włożony w podłużną szczelinę wydrążonego metalowego cylindra, który nie przeciął całkowicie cylindra. Kiedy prąd przepływał przez cylinder, cząstki pyłu musiały być zorientowane w określony sposób pod działaniem prąd pola magnetycznego.

W 1898 roku duński inżynier V. Poulsen praktycznie wdrożył pomysły O. Smitha dotyczące metod rejestracji dźwięku. Ten rok można uznać za rok narodzin magnetycznego zapisu informacji. V. Poulsen jako magnetyczny nośnik zapisu zastosował stalowy drut fortepianowy o średnicy 1 mm nawinięty na niemagnetyczną rolkę.

Podczas nagrywania lub odtwarzania szpula wraz z drutem obraca się względem głowicy magnetycznej, która porusza się równolegle do swojej osi. Jak magnetyczne głowy używane elektromagnesy, składający się z rdzenia w kształcie pręta z cewką, której jeden koniec ślizgał się po warstwie roboczej.

Przemysłowa produkcja sztucznych materiałów magnetycznych o wyższych właściwościach magnetycznych stała się możliwa dopiero po opracowaniu i udoskonaleniu technologii topienia metali.

W XIX wieku. głównym materiałem magnetycznym jest stal zawierająca 1,2 ... 1,5% węgla. Od końca XIXw. zaczęto zastępować stalą stopową z krzemem. Wiek XX charakteryzował się powstaniem wielu marek materiałów magnetycznych, udoskonaleniem metod ich namagnesowania oraz stworzeniem określonej struktury krystalicznej.

W 1906 roku wydano patent USA na dysk magnetyczny z twardą powłoką. Siła koercyjna materiałów magnetycznych użytych do zapisu była niewielka, co w połączeniu z dużą indukcyjnością szczątkową, dużą grubością warstwy roboczej i niską przetwarzalnością sprawiło, że idea zapisu magnetycznego została praktycznie zapomniana aż do lat 20. wiek.

W 1925 r. w ZSRR iw 1928 r. w Niemczech opracowano nośniki zapisu, którymi są elastyczna taśma papierowa lub plastyczna, na którą nanoszona jest warstwa proszku zawierającego żelazo karbonylowe.

W latach 20. ubiegłego wieku. materiały magnetyczne powstają na bazie stopów żelaza z niklem (permaloid) i żelaza z kobaltem (permendura). Do stosowania przy wysokich częstotliwościach dostępne są ferrokarty, które są laminowanym materiałem wykonanym z papieru pokrytego lakierem z rozprowadzonymi w nim cząsteczkami proszku żelaza.

W 1928 r. w Niemczech otrzymano proszek żelaza składający się z mikronowych cząstek, który zaproponowano jako wypełniacz do produkcji rdzeni w postaci pierścieni i prętów.Z tego samego okresu pochodzi pierwsze zastosowanie permalloyu w konstrukcji przekaźnika telegraficznego.

Permalloy i permendyur zawierają drogie składniki — nikiel i kobalt, dlatego w krajach, w których brakuje odpowiednich surowców, opracowano materiały alternatywne.

W 1935 r. H. Masumoto (Japonia) stworzył stop na bazie żelaza z domieszką krzemu i aluminium (alcifer).

w latach 30. pojawiły się stopy żelazo-nikiel-aluminium (YUNDK), które miały wysokie (w tamtym czasie) wartości siły koercji i właściwej energii magnetycznej. Przemysłowa produkcja magnesów na bazie takich stopów rozpoczęła się w latach 40. XX wieku.

W tym samym czasie opracowano ferryty różnych odmian i wyprodukowano ferryty niklowo-cynkowe i manganowo-cynkowe. Ta dekada obejmowała również rozwój i zastosowanie magneto-dielektryków na bazie proszków permaloidu i karbonylowego żelaza.

W tych samych latach zaproponowano rozwój, który stanowił podstawę do ulepszenia zapisu magnetycznego. W 1935 roku w Niemczech powstało urządzenie o nazwie Magnetofon-K1, w którym do rejestracji dźwięku wykorzystano taśmę magnetyczną, której warstwą roboczą był magnetyt.

W 1939 roku F. Matthias (IG Farben/BASF) opracował taśmę wielowarstwową składającą się z nośnika, kleju i tlenku żelaza gamma. Pierścieniowe głowice magnetyczne z rdzeniem magnetycznym na bazie permaloidu zostały stworzone do odtwarzania i nagrywania.

w latach czterdziestych XX wieku. rozwój technologii radarowej doprowadził do badań oddziaływania fali elektromagnetycznej z namagnesowanym ferrytem. W 1949 roku W. Hewitt zaobserwował zjawisko rezonansu ferromagnetycznego w ferrytach. Na początku lat pięćdziesiątych.Rozpoczęcie produkcji pomocniczych zasilaczy ferrytowych.

W latach pięćdziesiątych. W Japonii rozpoczęto komercyjną produkcję twardych ferrytów magnetycznych, które były tańsze niż stopy YUNDK, ale gorsze od nich pod względem określonej energii magnetycznej. Z tego samego okresu datuje się początek wykorzystania taśm magnetycznych do przechowywania informacji w komputerach oraz do nagrywania audycji telewizyjnych.

W latach 60. ubiegłego wieku. Trwają prace nad materiałami magnetycznymi na bazie związków kobaltu z itrem i samarem, co w następnej dekadzie doprowadzi do przemysłowego wdrożenia i udoskonalenia podobnych materiałów różnego typu.

W latach 70-tych ubiegłego wieku. rozwój technologii wytwarzania cienkich warstw magnetycznych doprowadził do ich powszechnego zastosowania do zapisu i przechowywania informacji.

W latach 80-tych ubiegłego wieku. rozpoczyna się komercyjna produkcja magnesów spiekanych w oparciu o system NdFeB. Mniej więcej w tym samym czasie rozpoczęto produkcję amorficznych, a nieco później nanokrystalicznych stopów magnetycznych, które stały się alternatywą dla permaloidów, a w niektórych przypadkach stali elektrotechnicznych.

Odkrycie w 1985 r. efektu gigantycznego magnetooporu w wielowarstwowych filmach zawierających warstwy magnetyczne o grubości nanometra położyło podwaliny pod nowy kierunek w elektronice - elektronikę spinową (spintronikę).

W latach 90. ubiegłego wieku. Związki oparte na systemie SmFeN zostały dodane do spektrum kompozytowych materiałów magnetycznie twardych, aw 1995 roku odkryto efekt tunelowania magnetooporu.

W 2005odkryto efekt gigantycznego magnetooporu tunelowego. Następnie opracowano i wdrożono do produkcji czujniki oparte na efekcie magnetooporu olbrzymiego i tunelowego, przeznaczone do stosowania w połączonych głowicach zapisujących / odtwarzających dyski magnetyczne twarde, w urządzeniach z taśmą magnetyczną itp. Powstały również urządzenia pamięci o dostępie swobodnym.

W 2006 roku rozpoczęto produkcję przemysłową dysków magnetycznych do prostopadłego zapisu magnetycznego. Rozwój nauki, rozwój nowych technologii i sprzętu umożliwiają nie tylko tworzenie nowych materiałów, ale także ulepszanie właściwości już stworzonych.

Początek XXI wieku charakteryzuje się następującymi głównymi kierunkami badań związanych z wykorzystaniem materiałów magnetycznych:

• w elektronice — zmniejszenie gabarytów sprzętu dzięki wprowadzeniu urządzeń płaskich i cienkowarstwowych;

• w rozwoju magnesów trwałych — zastąpienie elektromagnesów w różnych urządzeniach;

• w urządzeniach pamięci — zmniejszenie rozmiaru komórki pamięci i zwiększenie szybkości;

• w ekranowaniu elektromagnetycznym — zwiększenie skuteczności ekranów elektromagnetycznych w szerokim zakresie częstotliwości przy jednoczesnym zmniejszeniu ich grubości;

• w zasilaczach — poszerzenie zakresu częstotliwości, w których stosowane są materiały magnetyczne;

• w ciekłych ośrodkach niejednorodnych z cząstkami magnetycznymi — poszerzanie obszarów ich efektywnego zastosowania;

• w rozwoju i tworzeniu czujników różnych typów — poszerzaniu asortymentu i poprawie parametrów technicznych (zwłaszcza czułości) poprzez zastosowanie nowych materiałów i technologii.