A história da criação e uso de materiais magnéticos

A história do uso de materiais magnéticos está intimamente ligada à história da descoberta e pesquisa fenômenos magnéticos, bem como a história do desenvolvimento de materiais magnéticos e a melhoria de suas propriedades.

Primeiras menções para materiais magnéticos remontam aos tempos antigos, quando os ímãs eram usados ​​para tratar várias doenças.

O primeiro dispositivo feito de um material natural (magnetita) foi produzido na China durante a Dinastia Han (206 aC - 220 dC). No texto de Lunheng (século I dC), é descrito da seguinte forma: "Esta ferramenta se parece com uma colher e, se você colocá-la em um prato, seu cabo apontará para o sul." Apesar de tal "dispositivo" ter sido usado para geomancia, ele é considerado um protótipo da bússola.

Protótipo da bússola criada na China durante a Dinastia Han: a — modelo em tamanho real; b — monumento da invenção

Até cerca do final do século XVIII.as propriedades magnéticas da magnetita natural naturalmente magnetizada e do ferro magnetizado com ela eram usadas apenas para a fabricação de bússolas, embora existam lendas de ímãs que eram instalados na entrada de uma casa para detectar armas de ferro que poderiam estar escondidas sob uma roupa da pessoa que chega.

Apesar do fato de que por muitos séculos os materiais magnéticos foram usados ​​​​apenas para a fabricação de bússolas, muitos cientistas se dedicaram ao estudo dos fenômenos magnéticos (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Lomonosov, etc.), que contribuiu para o desenvolvimento da ciência do magnetismo e do uso de materiais magnéticos.

As agulhas da bússola em uso na época eram naturalmente magnetizadas ou magnetizadas magnetita natural… Foi apenas em 1743 que D. Bernoulli dobrou o íman e deu-lhe a forma de uma ferradura, o que aumentou muito a sua força.

No século XIX. a pesquisa do eletromagnetismo, bem como o desenvolvimento de dispositivos adequados, criaram pré-requisitos para o uso generalizado de materiais magnéticos.

Em 1820, HC Oersted descobriu a conexão entre eletricidade e magnetismo. Com base em sua descoberta, W. Sturgeon em 1825 fez o primeiro eletroímã, que era uma barra de ferro coberta com verniz dielétrico, com 30 cm de comprimento e 1,3 cm de diâmetro, dobrada em forma de ferradura, na qual havia 18 voltas de fio ferida conectada a uma bateria elétrica fazendo contato. A ferradura de ferro magnetizado pode suportar uma carga de 3600 g.

Eletroímã de esturjão (a linha pontilhada mostra a posição do contato elétrico móvel quando o circuito elétrico está fechado)

Os trabalhos de P. Barlow para reduzir a influência nas bússolas e cronômetros dos navios do campo magnético criado pelas partes circundantes contendo ferro pertencem ao mesmo período. Barlow foi o primeiro a colocar em prática dispositivos de blindagem de campo magnético.

Primeira aplicação prática circuitos magnéticos relacionados com a história da invenção do telefone. Em 1860, Antonio Meucci demonstrou a habilidade de transmitir sons por fios usando um aparelho chamado Teletrofone. A prioridade de A. Meucci foi reconhecida apenas em 2002, até então A. Bell era considerado o criador do telefone, apesar de seu pedido de invenção de 1836 ter sido protocolado 5 anos depois do pedido de A. Meucci.

T.A.Edison foi capaz de amplificar o som do telefone com a ajuda de transformador, patenteado simultaneamente por P. N. Yablochkov e A. Bell em 1876.

Em 1887, P. Janet publicou um trabalho descrevendo um dispositivo para registrar vibrações sonoras. Papel de aço revestido a pó foi inserido na ranhura longitudinal do cilindro de metal oco, que não cortou completamente o cilindro. Quando a corrente passou pelo cilindro, as partículas de poeira tiveram que ser orientadas de uma certa maneira sob a ação de corrente de campo magnético.

Em 1898, o engenheiro dinamarquês V. Poulsen praticamente implementou as ideias de O. Smith sobre métodos de gravação de som. Este ano pode ser considerado o ano de nascimento da gravação magnética de informações. V. Poulsen usou como meio de gravação magnética uma corda de piano de aço com um diâmetro de 1 mm enrolada em um rolo não magnético.

Durante a gravação ou reprodução, o carretel junto com o fio gira em relação à cabeça magnética, que se move paralelamente ao seu eixo. Como cabeças magnéticas eletroímãs usados, consistindo de um núcleo em forma de haste com uma bobina, uma extremidade da qual deslizava sobre a camada de trabalho.

A produção industrial de materiais magnéticos artificiais com características magnéticas superiores tornou-se possível somente após o desenvolvimento e aprimoramento das tecnologias de fusão de metais.

No século XIX. o principal material magnético é o aço contendo 1,2 ... 1,5% de carbono. Do final do século XIX. começou a ser substituído pelo aço ligado ao silício. Século XX caracterizado pela criação de muitas marcas de materiais magnéticos, o aprimoramento de métodos para sua magnetização e a criação de uma certa estrutura cristalina.

Em 1906, foi emitida uma patente nos Estados Unidos para um disco magnético com revestimento rígido. A força coercitiva dos materiais magnéticos utilizados para gravação era baixa, o que, em combinação com alta indutância residual, grande espessura da camada de trabalho e baixa capacidade de fabricação, levou ao fato de que a ideia de gravação magnética foi praticamente esquecida até os anos 20 século.

Em 1925 na URSS e em 1928 na Alemanha, foram desenvolvidos meios de gravação, que são papel flexível ou fita plástica sobre a qual é aplicada uma camada de pó contendo ferro carbonílico.

Nos anos 20 do século passado. os materiais magnéticos são criados a partir de ligas de ferro com níquel (permalóide) e ferro com cobalto (permendura). Para uso em altas frequências, estão disponíveis os ferrocards, que são materiais laminados feitos de papel revestido com verniz com partículas de pó de ferro distribuídas nele.

Em 1928, foi obtido na Alemanha um pó de ferro constituído por partículas do tamanho de um mícron, que foi proposto para ser usado como carga na fabricação de núcleos na forma de anéis e hastes.A primeira aplicação de permalloy na construção de um relé telegráfico pertence ao mesmo período.

Permalloy e permendyur incluem componentes caros - níquel e cobalto, e é por isso que materiais alternativos foram desenvolvidos em países que carecem de matérias-primas adequadas.

Em 1935, H. Masumoto (Japão) criou uma liga à base de ferro fundido com silício e alumínio (alcifer).

Na década de 1930. surgiram ligas de ferro-níquel-alumínio (YUNDK), que apresentavam altos (naquela época) valores de força coercitiva e energia magnética específica. A produção industrial de ímãs com base nessas ligas começou na década de 1940.

Ao mesmo tempo, ferritas de várias variedades foram desenvolvidas e ferritas de níquel-zinco e manganês-zinco foram produzidas. Esta década também incluiu o desenvolvimento e uso de magneto-dielétricos baseados em permalóides e pós de ferro carbonílico.

Durante os mesmos anos, foram propostos desenvolvimentos que serviram de base para o aperfeiçoamento da gravação magnética. Em 1935, foi criado na Alemanha um dispositivo chamado Magnetofon-K1, no qual uma fita magnética era usada para gravar o som, cuja camada de trabalho consistia em magnetita.

Em 1939, F. Matthias (IG Farben / BASF) desenvolveu uma fita multicamada composta por um suporte, adesivo e óxido de ferro gama. Cabeças magnéticas de anel com um núcleo magnético baseado em permaloid foram criadas para reprodução e gravação.

Na década de 1940. o desenvolvimento da tecnologia de radar levou a estudos da interação de uma onda eletromagnética com ferrita magnetizada. Em 1949, W. Hewitt observou o fenômeno da ressonância ferromagnética em ferritas. No início dos anos 1950.Fontes de alimentação auxiliares à base de ferrite começam a ser produzidas.

Na década de 1950. No Japão, começou a produção comercial de ferritas magnéticas duras, que eram mais baratas que as ligas YUNDK, mas inferiores a elas em termos de energia magnética específica. Data do mesmo período o início do uso de fitas magnéticas para armazenar informações em computadores e gravar programas de televisão.

Nos anos 60 do século passado. está em curso o desenvolvimento de materiais magnéticos à base de compostos de cobalto com ítrio e samário, o que na próxima década levará à implementação industrial e aperfeiçoamento de materiais similares de vários tipos.

Nos anos 70 do século passado. o desenvolvimento de tecnologias para a produção de filmes magnéticos finos levou ao seu uso generalizado para registro e armazenamento de informações.

Nos anos 80 do século passado. começa a produção comercial de ímãs sinterizados baseados no sistema NdFeB. Na mesma época, iniciou-se a produção de ligas magnéticas amorfas e, um pouco mais tarde, nanocristalinas, que se tornaram uma alternativa aos permalóides e, em alguns casos, aos aços elétricos.

A descoberta em 1985 do efeito de magnetorresistência gigante em filmes multicamadas contendo camadas magnéticas de nanômetros de espessura lançou as bases para uma nova direção na eletrônica - eletrônica de spin (spintrônica).

Nos anos 90 do século passado. Compostos baseados no sistema SmFeN foram adicionados ao espectro de materiais magnéticos duros compostos e em 1995 o efeito de tunelamento de magnetorresistência foi descoberto.

Em 2005o efeito de magnetorresistência do túnel gigante foi descoberto. Em seguida, foram desenvolvidos e colocados em produção sensores baseados no efeito de magnetorresistência gigante e túnel, destinados ao uso em cabeçotes combinados de gravação/reprodução de discos rígidos magnéticos, em dispositivos de fita magnética, etc. Dispositivos de memória de acesso aleatório também foram criados.

Em 2006, iniciou-se a produção industrial de discos magnéticos para gravação magnética perpendicular. O desenvolvimento da ciência, o desenvolvimento de novas tecnologias e equipamentos possibilitam não só a criação de novos materiais, mas também o aprimoramento das características dos já criados.

O início do século XXI pode ser caracterizado pelas seguintes principais áreas de pesquisa relacionadas ao uso de materiais magnéticos:

• em eletrônica — redução do tamanho dos equipamentos devido à introdução de dispositivos planos e de película fina;

• no desenvolvimento de ímãs permanentes — substituição de eletroímãs em vários dispositivos;

• em dispositivos de armazenamento — reduzindo o tamanho da célula de memória e aumentando a velocidade;

• na blindagem eletromagnética — aumentando a eficiência das blindagens eletromagnéticas em uma ampla faixa de frequência enquanto reduz sua espessura;

• em fontes de alimentação — expandindo os limites da faixa de frequência na qual os materiais magnéticos são usados;

• em meios líquidos não homogêneos com partículas magnéticas — ampliando as áreas de sua aplicação efetiva;

• no desenvolvimento e criação de sensores de diferentes tipos — ampliando o alcance e melhorando as características técnicas (principalmente a sensibilidade) por meio do uso de novos materiais e tecnologias.