O IGLE MAGNETYCZNEJ I MAGNESACH TRWAŁYCH
|
||||
|
Najpowszechniej znane zastosowanie magnesu trwałego to igła magnetyczna w kompasie. Jak wiadomo, nie wskazuje ona północy geograficznej, ponieważ oś obrotu Ziemi, wyznaczająca bieguny geograficzne, nie pokrywa się z linią łączącą bieguny magnetyczne. W związku z tym wyznaczenie kierunku północy geograficznej za pomocą kompasu wymaga uwzględnienia poprawki zwanej deklinacją magnetyczną, która określa kąt pomiędzy płaszczyznami południków, geograficznego i magnetycznego (ten ostatni wyznacza linia na powierzchni Ziemi, w każdym punkcie styczna do składowej poziomej pola ziemskiego). Dziś nie jest to już tak istotne, bowiem kompasy żyroskopowe wskazują dokładnie kierunek północy geograficznej, a najbardziej nowoczesne urządzenia lokacyjne (rozmiarów telefonu komórkowego), korzystające z pomocy satelitów, pozwalają określić położenie w dowolnym punkcie kuli ziemskiej z dokładnością do jednego metra.
W czasach Krzysztofa Kolumba, gdy korzystano tylko z kompasu magnetycznego, nie wiedziano o zjawisku deklinacji magnetycznej. Prawdopodobnie dzięki nieświadomości tego faktu Kolumb odkrył Amerykę. Nieuwzględnienie poprawki wynikającej z różnicy w kierunkach północy magnetycznej i geograficznej pozwoliło armadzie Kolumba dotrzeć do Wysp Bahama. Wzięcie pod uwagę poprawki skłoniłoby go do kierowania się ku Florydzie, dotarcie do której wymagało jednak kilku dalszych dni żeglowania. Zbuntowana załoga prawdopodobnie zmusiłaby Kolumba do zawrócenia do Hiszpanii i Kolumb nie zasłynąłby jako odkrywca Nowego Świata! W tym przypadku nieznajomość praw przyrody okazała się nad wyraz szczęśliwa!
Użyteczność pierwszego trwałego magnesu, igły magnetycznej, nie ograniczała się tylko do wytyczania drogi na północ. Jej zasługi w odkrywaniu tajemnic naszego globu są daleko większe i mniej znane od jej zastosowania w zwykłym kompasie. Igła kompasu zajmuje położenie równoległe do linii ziemskiego pola magnetycznego. Rozkład tego pola wokół kuli ziemskiej przedstawia ryc. 1. Zwykły kompas jest tak skonstruowany, że jego igła może obracać się tylko w płaszczyźnie poziomej i w konsekwencji jest czuły tylko na tę składową pola ziemskiego. Łatwo zauważyć, iż linie tego pola są równoległe do powierzchni Ziemi tylko nad równikiem. W każdym innym punkcie kierunek pola nie jest równoległy do powierzchni planety, a nad biegunami magnetycznymi jest wręcz prostopadły. Kąt odchylenia igły od powierzchni Ziemi jest zatem miarą szerokości geograficznej (kąt ten jest nazywany inklinacją magnetyczną).
Na przełomie wieków XVI i XVII Anglik, Robert Norman, zbudował urządzenie (udoskonalony kompas) pozwalające igle magnetycznej na swobodny obrót w obydwu płaszczyznach, równoległej i prostopadłej do powierzchni Ziemi. Od tej chwili stało się możliwe określanie również szerokości geograficznej.
W czasach bardziej współczesnych podobne urządzenia były wykorzystywane do badania tzw. anomalii magnetycznych, wykazujących obecność pod powierzchnią Ziemi pokładów rudy żelaza, zawierających minerały magnetyczne (przede wszystkim magnetyt). Przejawiają się one głównie zmianami inklinacji magnetycznej w stosunku do oczekiwanej. Ten efekt pozwala lokalizować złoża rudy żelaza. Urządzenie będące współczesną wersją kompasu Normana jest holowane za samolotem, co pozwala na przeszukiwanie wybranego obszaru Ziemi. Jednym z najbardziej spektakularnych odkryć dokonanych tą metodą było zlokalizowanie bardzo bogatych złóż żelaza na Uralu. Górę przykrywającą pokłady nazwano Górą Magnetyczną, a miasto, które potem tam zbudowano - Magnitogorskiem. Dzisiaj jest ono jednym z największych ośrodków przemysłu stalowego na świecie.
Podobne zakłócenia ziemskiego pola magnetycznego, choć na znacznie mniejszą skalę, wywołują okręty podwodne (również przedmioty o stosunkowo dużej masie, wykonane z materiału magnetycznego). W ostatnich latach II wojny światowej fakt ten wykorzystali Alianci do wykrywania niemieckich U-botów. Anomalie te identyfikowano za pomocą przyrządów holowanych za samolotem lecącym nisko nad powierzchnią wody.
Opisana metoda lokalizacji anomalii magnetycznych dostarczyła również przekonujących dowodów na powolne przesuwanie się kontynentów (tzw. dryf kontynentalny). Uzyskano je, mierząc kierunki namagnesowania skał wulkanicznych (zawierają magnetyt) na dnie oceanów. Ziemskie pole magnetyczne zmieniało swój zwrot w pradziejach naszego globu - magnetyczny biegun północny stawał się południowym i odwrotnie (ostatni raz około 700 tys. lat temu). Stygnąca lawa, magnesowana przez pole ziemskie, zachowała pamięć zmian zwrotów tego pola. Odległość mierzona od grzbietu wulkanicznego do miejsc na zboczu, w których są obserwowane zmiany kierunku namagnesowania w skale, pozwala wyznaczyć przesunięcie kontynentów (lub powiększenie oceanu), a znajomość czasu (w milionach lat), w którym te zmiany następowały, na określenie prędkości przesuwania się kontynentów. Można rzec, że rozszerzające się dna oceanów pełnią rolę trwałej pamięci magnetycznej o niezmiernie powolnym przesuwie "taśmy". Jak łatwo zauważyć, pamięć magnetyczna, dziś tak powszechnie stosowana (w magnetofonach, magnetowidach, komputerach itp.), jest nieporównanie starsza od pamięci gatunku Homo sapiens, choć świadomość tego faktu człowiek posiadł bardzo niedawno ("WiŻ" nr 9/1997).
Wśród bardzo dziś licznych i różnorodnych materiałów magnetycznych można wyróżnić ich dwa główne rodzaje: magnetyki tzw. miękkie (opisane w "WiŻ" nr 9/1997) oraz twarde, te właśnie, które są używane do budowy magnesów trwałych. Magnesem trwałym jest powszechnie znany "klips", za którego pomocą można "dla pamięci" przytwierdzić kartkę papieru z notatkami do obudowy lodówki. Magnes nie tylko wytwarza silne pole magnetyczne, ale umożliwia utrzymanie go przez dłuższy czas (w praktyce kilkadziesiąt lat, bowiem taka jest przeciętna długość życia urządzeń, w których magnesy są stosowane).
Magnesy trwałe są ważnymi elementami przyrządów i urządzeń dla telekomunikacji, informatyki (w tym również radia i telewizji), technik pomiarowych i kontrolnych oraz prądnic i silników elektrycznych. Bez nich nie byłoby wielu urządzeń elektroakustycznych (przede wszystkim głośników) i różnego rodzaju czujników, powszechnie stosowanych w wielu gałęziach przemysłu i w życiu codziennym. Magnesy najnowszych generacji znajdują zastosowanie w diagnostyce medycznej (np. w tomografii magnetycznej), są też wykorzystywane do separacji izotopów. Tory jonów ulegają zakrzywieniu w polu magnetycznym. Promień tego zakrzywienia jest zależny od prędkości jonu i stosunku jego ładunku elektrycznego do masy, dzięki czemu możliwe jest wyodrębnianie izotopów danego pierwiastka. W podobny sposób magnesy mogą być wykorzystywane do separacji cząstek magnetycznych z rud metali. O skali i różnorodności zastosowań magnesów może świadczyć wielkość światowej produkcji, która wynosi kilkaset tysięcy ton rocznie.
Natężenie pola wytwarzanego przez magnes zależy w decydującym stopniu od użytego materiału i od jego kształtu. Podstawową wielkością materiałową, od której zależy "dobroć" magnesu, jest tzw. magnetyzacja nasycenia (magnetyczny moment nasycenia). Im większa jej wartość, tym silniejsze pole magnetyczne, wytwarzane przez magnes.
Drugą, nie mniej ważną dla magnesów, wielkością jest tzw. koercja materiału, od której zależy jego trwałość (twałość namagnesowania). Materiał, aby stał się magnesem, musi zostać najpierw namagnesowany w silnym polu magnetycznym (o natężeniu większym od koercji materiału) pochodzącym z innego źródła, np. elektromagnesu. Koercja określa natężenie pola magnetycznego o przeciwnym kierunku do pola pierwotnie przyłożonego, przy którym magnetyk ulega rozmagnesowaniu, a, mówiąc prościej, traci całkowicie swe właściwości charakterystyczne dla trwałego magnesu - przestaje być źródłem pola magnetycznego. Koercja jest ponadto parametrem, na którego podstawie można sklasyfikować materiał jako miękki lub twardy pod względem magnetycznym.
Dla materiałów magnetycznie miękkich koercja jest bardzo mała (w idealnym przypadku równa zeru). Oznacza to, że próbka materiału, wcześniej silnie namagnesowanego przez działające na nią zewnętrzne pole magnetyczne, ulega całkowitemu rozmagnesowaniu z chwilą zaprzestania działania pola. W materiale twardym próbka taka pozostaje silnie namagnesowana po usunięciu zewnętrznego pola, stając się sama źródłem pola magnetycznego.
Obydwa parametry, koercję i magnetyzację nasycenia, można wyrazić w tych samych jednostkach, gausach (oznaczanych skrótem Gs), których nazwa pochodzi od nazwiska niemieckiego fizyka i matematyka Carla Friedricha Gaussa (1777-1855). Przykładowo, pole ziemskie na powierzchni morza, mierzone nad równikiem, ma natężenie około pół gausa, bardzo małe w porównaniu z polami wytwarzanymi dziś przez człowieka (najsilniejsze stałe pola, wytwarzane za pomocą tzw. elektromagnesów hybrydowych, łączących zwykły elektromagnes z magnesem nadprzewodzącym, są pół miliona razy większe, a pola impulsowe uzyskiwane za pomocą specjalnych technik jeszcze kilkakrotnie większe).
Ryc. 1 - Pole magnetyczne Ziemi
Trudno
przesądzić, który z rozważanych materiałów jest lepszy - czy
ten charakteryzujący się dużą koercją i małą magnetyzacją
nasycenia, czy ten z mniejszą koercją i większą magnetyzacją.
Iloczyn koercji i magnetyzacji nasycenia jest miarą energii
(dokładnie jej gęstości objętościowej), która jest
zmagazynowana w magnesie po jego namagnesowaniu. Im większa ta
energia, tym silniejsze pole, które magnes jest w stanie wytworzyć.
Iloczyn ten przyjęto uważać za pojedynczy parametr w
wystarczającym stopniu charakteryzujący materiał ze względu na
jego dobroć dla budowy magnesów trwałych. Parametr ten jest zwykle
podawany w jednostkach energii - dżulach (nazwa jednostki od
nazwiska angielskiego fizyka, Jamesa Prescotta
Joule'a,
1818-1889) na jednostkę objętości - metr sześcienny. Ze względu
na to, że jeden dżul to stosunkowo niewielka energia, jej gęstość
w magnesach wygodniej wyrażać w jednostkach tysiąckrotnie
większych, kilodżulach na metr sześcienny. Pierwszy znany magnes
trwały, magnetyt, charakteryzuje się gęstością energii około
6
kJ/m3,
podczas gdy rekordowym rezultatem uzyskanym dla współczesnych
materiałów na magnesy trwałe jest gęstość energii około 400
kJ/m3.
To obrazuje postęp, jaki nastąpił w ostatnim półwieczu w
projektowaniu materiałów magnetycznie twardych.
Historia
magnetyzmu rozpoczęła się przed kilkudziesięciu wiekami od
odkrycia właśnie magnesu trwałego, kiedy to zauważono, iż
kawałki rudy żela-
za (zawierającej głównie magnetyt,
Fe3O4,
od którego swą nazwę wzięła cała współczesna dziedzina
magnetyzmu), nawzajem przyciągają się lub odpychają. Odkrycie
właściwości magnetycznych rudy żelaza pozwoliło również na
skonstruowanie pierwszego kompasu, choć należy sądzić, iż
powstał on całkiem przypadkowo. Wiele wieków upłynęło, zanim
zrozumiano, dlaczego kompas wytycza północ. I jeszcze więcej
czasu, nim zrozumiano właściwości magnetytu.
Magnetyzm
przyczynił się do powstania ogromnego dziś przemysłu, lecz
zrozumienie samego zjawiska, choćby magnetyzmu żelaza,
najpowszechniej występującego i praktycznie wykorzystywanego
pierwiastka magnetycznego, jest ciągle niepełne. O trudnościach
w
zrozumieniu natury magnetyzmu może świadczyć cytat zaczerpnięty z
Encyclopedia Britannica: Few subjects in science are more difficult
to understand than magnetism (Nieliczne tylko zagadnienia w nauce są
trudniejsze do zrozumienia aniżeli magnetyzm).
Współczesna historia magnesów trwałych jest dość krótka i rozpoczyna się dopiero z końcem XVIII wieku. Przez wiele stuleci naturalny magnetyt był jedynym znanym materiałem o twardych właściwościach magnetycznych. Do tego czasu, wszędzie tam gdzie potrzebne było użycie stosunkowo silnego pola magnetycznego, wytwarzano je za pomocą elektromagnesów. Przyrząd taki składa się z rdzenia wykonanego z miękkiego materiału magnetycznego oraz uzwojenia na nim nawiniętego, przez które przepływa prąd elektryczny. Włączenie prądu powoduje, iż w szczelinie rdzenia pojawia się pole magnetyczne, którego natężenie zależy od natężenia przepływającego prądu, właściwości użytego materiału magnetycznego oraz geometrii rdzenia, a szczególnie kształtu jego końcówek tworzących szczelinę. W wielu urządzeniach elektromagnes nie jest dobrym rozwiązaniem, bowiem niezbędne jest w tym przypadku źródło prądu elektrycznego. To był główny motyw poszukiwania na magnesy trwałe materiałów o lepszej dobroci niż magnetyt.
U schyłku XVIII stulecia szwedzki chemik, Torbern Bergman, pokazał, że wytwarzana od bardzo dawna stal swe właściwości zawdzięcza niewielkiemu dodatkowi, około 1-procentowemu, węgla. To właśnie on, jak dziś powiedzielibyśmy, utwardza stal. Prawdopodobnie przypadek, a nie skojarzenie, że "utwardzona" stal może też być "twardszym" materiałem magnetycznym, spowodował, iż zauważono, że otrzymane z niej magnesy okazały się znacznie silniejsze niż te z magnetytu (ich gęstość energii była ponad dwukrotnie większa niż magnetytu). Z tego też materiału jeszcze przed II wojną światową wytwarzano popularne magnesy w kształcie podkowy.
W końcu XIX stulecia, wraz z postępem w metalurgii stali, zauważono, że dodanie innych pierwiastków, przede wszystkim wolframu, prowadzi do dalszej poprawy "twardości" magnetycznej, a w rezultacie daje lepsze magnesy trwałe. Warto wspomnieć, że badaniami nad wpływem dodatków innych pierwiastków do stali zajmowała się, i to z dużym powodzeniem, również nasza rodaczka, dwukrotna laureatka Nagrody Nobla, Maria Curie-Skłodowska (jej badania dotyczyły dodatków wolframu, chromu i molibdenu). Magnesy ze stali wolframowej uchodziły za najlepsze w latach poprzedzających I wojnę światową.
Gwałtowny zwrot w badaniach nad poprawą właściwości materiałów na magnesy nastąpił w 1920 roku, kiedy to japoński uczony, Kotaro Honda (z jego inicjatywy powstała zaliczana do ścisłej czołówki światowej, najlepsza dziś placówka w badaniach materiałowych w Japonii, Instytut Badań Materiałowych na Uniwersytecie Tohoku w Sendai), wykazał, że magnesy wytworzone ze stali chromowej, w której część żelaza (około 35%) zastąpiono kobaltem, mogą gromadzić energię z gęstością znacznie większą od uzyskiwanej w ówcześnie znanych materiałach. Powszechność użycia tego materiału nie była jednak duża ze względu na jego cenę. Kobalt był wówczas i jest nadal wielokrotnie droższy aniżeli żelazo.
Dalsze udoskonalenie właściwości twardych magnetyków oraz ich potanienie zawdzięczamy też japońskim uczonym, którzy w początku lat trzydziestych otrzymali stop zawierający oprócz żelaza (około 50%) również nikiel, kobalt i glin. Materiał ten, znany pod handlową nazwą Alnico, umożliwiał budowę magnesów tańszych i jeszcze silniejszych. Stopy Alnico wielokrotnie modyfikowano, uzyskując coraz lepsze materiały na magnesy trwałe. Decydujący wpływ na poprawę ich właściwości miało wprowadzenie technologii umożliwiających orientację ziaren (wytworzenie tzw. tekstury) oraz ich kierunkowe uporządkowanie pod względem magnetycznym (tekstura magnetyczna, wymuszona przez zewnętrzne pole magnetyczne działające w trakcie procesów technologicznych). Najlepszy z tej rodziny materiałów, z powodzeniem do dziś stosowanych, charakteryzuje się gęstością energii około 85 kJ/m3, ponad rząd wielkości większą od magnetytu.
Ryc. 6. Postęp w dziedzinie materiałów na magnesy trwałe w ostatnim stuleciu. Każdy z magnesów wytwarza takie samo pole magnetyczne
Kolejny przełom w rozwoju magnetyków twardych nastąpił z chwilą, gdy zdano sobie sprawę, iż uzyskanie magnetyków o jeszcze większej koercji wymaga użycia materiałów wykazujących dużą naturalną anizotropię. Przejawia się ona w tym, że materiał magnesuje się łatwiej w jednym kierunku, a trudniej w innym (wymaga większego natężenia przyłożonego pola). Ta trudność w namagnesowaniu materiału wynika z istnienia anizotropii magnetycznej o określonej energii. W konsekwencji, rozmagnesowanie materiałów wykazujących dużą anizotropię wymaga użycia bardzo silnych pól lub, mówiąc inaczej, materiały te wykazują dużą koercję.
W materiałach dotychczas omawianych anizotropia magnetyczna jest wytworzona poprzez nadanie odpowiedniego kształtu ziarnom w materiale (tzw. anizotropia kształtu). Większość materiałów ma strukturę krystaliczną, która, w odróżnieniu od, na przykład, materiałów amorficznych (nie uporządkowanych lub też nazywanych bezpostaciowymi, jak np. szkło), charakteryzuje się pełnym uporządkowaniem poszczególnych atomów tworzących komórkę elementarną, powtarzającą się w całej objętości materiału. Nieodłączną cechą tego rodzaju struktury jest anizotropia wielu właściwości, w tym i magnetycznych.
W końcu lat czterdziestych w laboratoriach holenderskiej firmy Philips otrzymano ferryt, początkowo materiał o miękkich właściwościach magnetycznych. Pod względem chemicznym jest on bliższy swemu praprzodkowi, magnetytowi, aniżeli ówczesnie znanym materiałom metalicznym. Ferryt jest kompleksowym związkiem tlenku żelazowego i tlenków innych metali (np. cynku, manganu itp.) i ze względu na sposób wytwarzania, a również właściwości, jest także nazywany ceramiką magnetyczną. Ferryty, w porównaniu z innymi materiałami magnetycznymi, są niezmiernie tanie i bardzo słabo przewodzą prąd elektryczny (pod tym względem są zaliczane do materiałów półprzewodzących), co pozwala zastosować je wszędzie tam, gdzie materiał jest poddany działaniu szybko zmiennych pól magnetycznych (straty energii elektrycznej w materiale wyraźnie zależą od tego, w jakim stopniu przewodzi prąd elektryczny). Dziś ferryty magnetycznie miękkie należą do najpowszechniej używanych materiałów magnetycznych. Stosuje się je w odbiornikach radiowych i telewizyjnych i praktycznie w każdym innym urządzeniu elektronicznym.
Wkrótce po odkryciu ferrytów miękkich, również w laboratoriach Philipsa, w końcu lat czterdziestych otrzymano ferryt heksagonalny o formule chemicznej BaFe12O19 (Ba - metal o nazwie bar), a niedługo potem również ferryt strontowy (Sr), obydwa wykazujące dobre, twarde właściwości magnetyczne. Materiały te były już od 1950 roku dostępne na rynku w formie magnesów pod handlową nazwą Ferroxdure. Choć wykazują one stosunkowo małą magnetyzację nasycenia, a w konsekwencji stosunkowo niewielką gęstość energii, bo tylko około 30 kJ/m3, ze względu jednak na bardzo niską cenę trwałe magnesy ferrytowe są dziś najpowszechniej używane (z całkowitego "tonażu" rocznej produkcji światowej wszelkich magnesów ponad 90% to magnesy ferrytowe). Warto dodać, że na tym rynku dobre miejsce zajmuje polski producent - firma FERPOL ze Skierniewic.
Tam gdzie liczy się jakość magnesu, a nie jego cena, stosuje się materiały najnowszych generacji zawierające pierwiastki ziem rzadkich, a zwłaszcza samar (Sm) oraz neodym (Nd). Pierwszym materiałem z tej nowej generacji był związek o formule chemicznej SmCo5, wykazujący strukturę heksagonalną, analogiczną do tej w twardym ferrycie. Materiał ten, otrzymany w laboratoriach badawczych amerykańskiego koncernu General Electric, pojawił się na rynku w 1970 roku. Magnesy z tego materiału charakteryzują się gęstością energii 215 kJ/m3, a więc blisko trzykrotnie większą niż najlepszych magnesów typu Alnico. Są one jednak stosunkowo drogie i dlatego znajdują zastosowanie tylko wówczas, gdy ich cena nie ma istotnego wpływu na cenę całego urządzenia, a decyduje np. o jego miniaturyzacji.
W końcu lat siedemdziesiątych cena tych magnesów wzrosła w wyniku perturbacji politycznych w Zairze, kraju posiadającym najbogatsze na świecie złoża rud zawierających kobalt. Fakt ten zdopingował liczne ośrodki badawcze do poszukiwań nowych, tańszych materiałów o nie gorszych właściwościach. Zwycięzcami w tym wyścigu okazały się dwa koncerny, japoński Sumitomo i amerykański General Motors (ze względu na powszechność stosowania dobrych i możliwie tanich magnesów w systemach nowoczesnych samochodów). Podjęcie tych badań przez General Motors jest bardzo spektakularnym przykładem wymuszania kierunków badań przez okoliczności natury ekonomicznej; zjawisko to jest dość charakterystyczne dla współczesnego rozwoju cywilizacyjnego.
Opracowany materiał, związek neodymu, żelaza i boru (Nd-Fe-B) o strukturze tym razem tetragonalnej, jest obecnie rekordzistą pod względem gęstości energii zmagazynowanej w magnesie. Wynosi ona 400 kJ/m3 i jest blisko dwukrotnie większa od uzyskiwanej w znacznie droższych magnesach samarowo-kobaltowych. Magnesy Nd-Fe-B są dziś produkowane na świecie w ilości kilkudziesięciu tysięcy ton rocznie.
Postęp w dziedzinie materiałów na magnesy trwałe ilustruje ryc. 6. Każdy z przedstawionych magnesów wytwarza takie samo pole magnetyczne. Jak widać na rysunku, mały kawałek nowoczesnego magnesu może unieść stalowy przedmiot, kiedyś podnoszony przez pięćdziesięciokrotnie większy magnes ze stali węglowej.
Oszacowana teoretycznie wartość maksymalnej gęstości energii jest ponad dwukrotnie większa od dziś uzyskiwanej dla najlepszego ze znanych materiałów. Można spodziewać się, z dużą dozą prawdopodobieństwa, że w wyniku współzawodnictwa w opisanych badaniach, w których dziś prowadzi irlandzki zespół z Trinity College w Dublinie, niedługo pojawią się magnesy o energiach miliona dżuli w metrze sześciennym materiału (MJ/m3).
Od redakcji: W numerze wrześniowym "Wiedzy i Życia" opublikowaliśmy artykuł pt. "Magnetyki amorficzne".
Prof. dr hab. HENRYK KONRAD LACHOWICZ kieruje Oddziałem Fizyki Magnetyków Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.
O
podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(09/97)
MAGNETYKI AMORFICZNE