자석

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배경

자석은 실제로 접촉하지 않고도 다른 재료에 눈에 띄는 힘을 가할 수 있는 재료입니다. 이 힘은 자기력으로 알려져 있으며 끌어당길 수도 있고 밀어낼 수도 있습니다. 알려진 모든 물질은 일종의 자기력을 발휘하지만 대부분의 물질에서는 너무 작아서 쉽게 눈에 띄지 않습니다. 다른 재료의 경우 자기력이 훨씬 더 크며 이를 자석이라고 합니다. 지구 자체가 거대한 자석입니다.

영구 자석으로 알려진 일부 자석은 외부 영향 없이 물체에 힘을 가합니다. 철 자철석으로도 알려진 광석 자철광은 천연 영구 자석입니다. 다른 영구 자석은 특정 재료에 자력을 가하여 만들 수 있습니다. 힘이 제거되면 이러한 재료는 고유한 자기 특성을 유지합니다. 자기 특성은 시간이 지남에 따라 또는 고온에서 변할 수 있지만 이러한 물질은 일반적으로 영구적으로 자화되는 것으로 간주되어 이름이 지정되었습니다.

다른 자석은 전자석으로 알려져 있습니다. 와이어 코일로 특정 재료를 둘러싸서 만들어집니다. 코일에 전류가 흐르면 이러한 물질이 자기력을 발휘합니다. 전류가 차단되면 이러한 재료의 자기력은 거의 0으로 떨어집니다. 전자석 재료는 코일에 전류가 흐르지 않으면 자기 특성을 거의 유지하지 않습니다.

모든 자석에는 자기력이 가장 큰 두 지점이 있습니다. 이 두 점을 극점이라고 합니다. 직사각형 또는 원통형 막대 자석의 경우 이러한 극은 반대쪽 끝에 있습니다. 하나의 극을 북극 또는 북극이라고 하고 다른 극을 남극 또는 남극이라고 합니다. 이 용어는 lodestone과 같은 자성 재료의 초기 사용 중 하나를 반영합니다. 끈에 매달려 있을 때 이 최초의 조잡한 나침반의 북극은 항상 북쪽을 "찾거나" 가리킵니다. 이것은 선원들이 먼 땅에 도달하고 집으로 돌아가는 방향을 판단하는 데 도움이 되었습니다.

우리의 현재 기술에서 자석 응용 프로그램에는 나침반, 전기 모터, 전자 레인지, 동전 자동 판매기, 사진용 조명 미터, 자동차 경적, 텔레비전, 확성기 및 녹음기가 포함됩니다. 간단한 냉장고 메모지와 복잡한 의료용 자기공명영상장치는 모두 자석을 사용합니다.

연혁

자연적으로 발생하는 자기 자철석은 기원전 500년 <작은> 그리스인들에 의해 연구되고 사용되었습니다. 다른 문명은 그보다 더 일찍 그것을 알고 있었을 것입니다. 자석이라는 단어는 그리스 이름 magnetis lithos, 에서 파생되었습니다. 마그네시아의 돌(stone of Magnesia)은 이 자석이 발견된 현재 터키의 에게 해 연안 지역을 나타냅니다.

마석을 나침반으로 사용한 최초의 사용은 일반적으로 약 A.D.에 유럽에서 발생한 것으로 믿어집니다. 서기 1100년 ~ <작은> 1200. lodestone이라는 용어는 "인도하는 돌" 또는 문자 그대로 "인도하는 돌"을 의미하는 Anglo-Saxon에서 유래했습니다. 아이슬란드어 단어는 leider-stein, 입니다. 그리고 배의 항해와 관련하여 그 시대의 글에서 사용되었습니다.

1600년에 영국의 과학자 William Gilbert는 자극에 관한 초기 관찰을 확인하고 지구가 자석이라고 결론지었습니다. 1820년 네덜란드 과학자 Hans Christian Oersted는 전기와 자기의 관계를 발견했고, 프랑스 물리학자 Andre Ampere는 1821년 이 발견을 더욱 확장했습니다.

1900년대 초, 과학자들은 철과 강철을 기반으로 한 재료가 아닌 다른 자성 재료를 연구하기 시작했습니다. 1930년대에 연구원들은 최초의 강력한 Alnico 합금 영구 자석을 생산했습니다. 희토류 원소를 사용하는 더욱 강력한 세라믹 자석은 1970년대에 성공적으로 공식화되었으며 1980년대에는 이 분야에서 더욱 발전했습니다.

오늘날 자성 재료는 최종 응용 분야에 따라 다양한 성능 요구 사항을 충족하도록 만들 수 있습니다.

원자재

자석을 만들 때 제조 공정보다 원자재가 더 중요한 경우가 많습니다. 영구 자석에 사용되는 재료(이 자석에 합금강을 초기에 사용한 것을 반영하여 경질 재료라고도 함)에 사용되는 재료는 전자석에 사용되는 재료(때로는 연성 재료라고도 하며 부드럽고 연성 철의 사용을 반영함)와 다릅니다. 이 신청서).

영구 자석 재료

영구 자석 자철석에는 지구 자기장이 미치는 영향에서 자성을 유도하는 단단한 결정질 철 페라이트 광물인 자철석이 포함되어 있습니다. 다양한 강철 합금도 자화될 수 있습니다. 보다 효과적인 영구 자석 재료 개발의 첫 번째 큰 단계는 Alnico 합금 자석의 개발과 함께 1930년대에 이루어졌습니다. 이 자석은 합금을 만드는 데 사용되는 알루미늄-니켈-코발트 원소의 화학 기호에서 이름을 따왔습니다. 일단 자화되면 Alnico 자석은 자철광의 5~17배의 자기력을 갖습니다.

세라믹 영구자석은 열과 압력을 가해 형성된 바륨 페라이트 또는 스트론튬 페라이트를 미세 분말로 만들어 만듭니다. 성형 중에 분말 입자를 강한 자기장과 정렬하여 자기 강도를 향상시킵니다. 세라믹 마그넷은 자력 면에서 알니코 마그넷에 필적하며, 큰 가공 없이 다양한 형태로 압착할 수 있는 장점이 있습니다.

유연한 영구 자석은 분말 바륨 페라이트 또는 스트론튬 페라이트를 고무와 같은 결합 재료 또는 폴리염화비닐과 같은 유연한 플라스틱에 혼합하여 만듭니다.

1970년대에 연구자들은 열에 의해 용융된 분말 사마륨 코발트로 만든 영구 자석을 개발했습니다. 이 자석은 이 물질의 육각형 결정에서 자기 도메인이라고 하는 원자 그룹의 배열이 자기적으로 정렬되는 경향이 있다는 사실을 이용합니다. 이러한 자연스러운 정렬 때문에 사마륨-코발트 자석은 자철석보다 50배 더 ​​강한 자기력을 생성하도록 만들 수 있습니다. 소형 개인용 스테레오 시스템용 헤드폰은 사마륨-코발트 영구 자석을 사용합니다. 사마륨-코발트 자석은 다른 영구자석보다 높은 온도에서도 자기력을 잃지 않고 작동할 수 있다는 장점이 있습니다.

유사한 영구 자석은 자철석보다 거의 75배 더 강한 자력을 생성하는 분말 네오디뮴 철 붕소를 사용하여 1980년대에 만들어졌습니다. 이들은 오늘날 상업적으로 이용 가능한 가장 강력한 영구 자석입니다.

전자석 재료

순철 및 철 합금은 전자석에 가장 일반적으로 사용됩니다. 규소 철 및 특수 처리된 철-코발트 합금은 저주파 전력 변압기에 사용됩니다.

감마 산화철이라고 하는 특수 산화철은 음성 및 데이터 기록용 자기 테이프 제조에 자주 사용됩니다. 이 응용 프로그램에 대한 기타 자료는 다음과 같습니다. 위의 그림은 강력한 네오디뮴-철-붕소 영구 자석을 생산하는 데 사용되는 일반적인 분말 야금 공정을 보여줍니다. 코발트 변성 산화철 및 이산화 크롬. 소재를 곱게 갈아서 얇은 폴리에스터 플라스틱 필름에 코팅합니다.

기타 자성 재료

자성 유체는 분말화된 바륨 페라이트 입자를 장쇄 고분자 플라스틱 분자의 단일 층에 캡슐화하여 만들 수 있습니다. 그런 다음 입자는 물이나 기름과 같은 액체에 현탁 상태로 유지됩니다. 플라스틱 캡슐로 인해 자성 입자는 마찰 없이 서로 미끄러집니다. 입자가 너무 작아 액체의 일반적인 열 교반으로 인해 입자가 침전되지 않습니다. 자성유체는 여러 응용 분야에서 사용됩니다. 실런트, 윤활제 또는 진동 감쇠 재료로 사용됩니다.

제조
프로세스

자석의 종류에 따라 재료가 다르듯이 제조 공정도 다릅니다. 많은 전자석은 표준 금속 주조 기술을 사용하여 주조됩니다. 유연한 영구 자석은 재료가 혼합되고 가열되고 압력을 받는 모양의 구멍을 통해 강제로 통과되는 플라스틱 압출 공정으로 형성됩니다.

일부 자석은 미세 분말 금속이 최종 자석을 형성하기 위해 압력, 열 및 자기력을 받는 수정된 분말 야금 공정을 사용하여 형성됩니다. 다음은 단면적이 약 3-10평방인치(20-65평방센티미터)인 강력한 네오디뮴-철-붕소 영구 자석을 생산하는 데 사용되는 일반적인 분말 야금 공정입니다.

분말 금속 준비

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1 적당한 양의 네오디뮴, 철, 붕소를 진공에서 가열하여 녹인다. 진공은 최종 금속 합금을 오염시킬 수 있는 용융 물질과 공기 사이의 화학 반응을 방지합니다.

2 금속이 냉각되고 응고되면 부서지고 작은 조각으로 부숴집니다. 그런 다음 작은 조각을 볼 밀에서 미세한 분말로 분쇄합니다.

누르기

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3 분말 금속을 완성된 자석과 길이와 너비(둥근 자석의 경우 지름)가 같은 금형이라고 하는 금형에 넣습니다. 분말 재료에 자력을 가하여 분말 입자를 정렬합니다. 자력이 가해지는 동안 분말은 수압 또는 기계적 램으로 상단과 하단에서 압축되어 최종 의도된 두께의 약 0.125인치(0.32cm) 이내로 압축됩니다. 일반적인 압력은 약 10,000psi~15,000psi(70~100MPa)입니다. 일부 모양은 분말 재료를 유연하고 밀폐된 진공 용기에 넣고 액체 또는 기체 압력으로 눌러 모양을 만듭니다. 이것은 등압 압축으로 알려져 있습니다.

난방

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4 압축된 금속 분말 "슬러그"를 다이에서 제거하고 오븐에 넣습니다. 압축된 분말 금속을 가열하여 용융된 고체 금속 조각으로 변형시키는 과정을 소결이라고 합니다. 프로세스는 일반적으로 3단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서 압축된 재료는 낮은 온도에서 가열되어 압축 과정 중에 갇힐 수 있는 습기나 기타 오염 물질을 천천히 제거합니다. 두 번째 단계에서는 온도를 금속 합금 융점의 약 70-90%까지 올리고 작은 입자가 함께 융합되도록 몇 시간 또는 며칠 동안 유지합니다. 마지막으로, 재료는 제어된 단계별 온도 증분으로 천천히 냉각됩니다.

어닐링

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5 소결된 재료는 어닐링으로 알려진 두 번째 제어 가열 및 냉각 프로세스를 거칩니다. 이 프로세스는 재료 내의 잔류 응력을 제거하고 강화합니다.

마무리

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6 어닐링된 재료는 원하는 완성된 모양과 치수에 매우 가깝습니다. 이 상태를 "니어넷" 모양이라고 합니다. 최종 가공 공정은 과도한 재료를 제거하고 필요한 경우 매끄러운 표면을 생성합니다. 그런 다음 재료에 표면을 밀봉하기 위한 보호 코팅이 제공됩니다.

자화

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7 지금까지의 재료는 압축되고 융합된 금속 조각일 뿐입니다. 누르는 동안 자기력을 가했는데도 그 힘이 재료를 자화시키지 않고 그냥 느슨한 분말 입자를 정렬했습니다. 그것을 자석으로 만들기 위해 조각은 매우 강력한 전자석의 극 사이에 배치되고 원하는 자화 방향으로 향하게 됩니다. 그런 다음 전자석에 일정 시간 동안 에너지가 공급됩니다. 자력은 재료 내에서 원자 그룹 또는 자구를 정렬하여 조각을 강력한 영구 자석으로 만듭니다.

품질 관리

제조 공정의 각 단계를 모니터링하고 제어합니다. 소결 및 어닐링 공정은 자석의 최종 기계적 및 자기적 특성에 특히 중요하며 시간 및 온도의 변수는 밀접하게 제어되어야 합니다.

위험 물질,
부산물 및
재활용

바륨 페라이트 영구 자석을 만드는 데 사용되는 바륨 및 바륨 화합물은 유독하며 독성 물질로 간주됩니다. 바륨 페라이트 자석을 만드는 회사는 바륨 제품의 보관, 취급 및 폐기물 처리에 특별한 예방 조치를 취해야 합니다.

전자석은 일반적으로 코일의 구성 요소 철심과 구리 배선을 회수하여 재활용할 수 있습니다. 영구 자석의 부분적 재활용은 구형 장비에서 영구 자석을 제거하고 유사한 새 장비에서 다시 사용하여 달성할 수 있습니다. 그러나 이것이 항상 가능한 것은 아니며 영구 자석 재활용에 대한 보다 포괄적인 접근 방식을 개발해야 합니다.

미래

연구원들은 오늘날 사용 가능한 것보다 훨씬 더 강력한 자석을 계속 찾고 있습니다. 보다 강력한 영구 자석의 응용 분야 중 하나는 배터리로 구동되는 산업용 로봇 용 소형, 고토크 전기 모터의 개발입니다. 및 노트북 컴퓨터 디스크 드라이브. 펄스 자기장을 사용하는 고속 열차의 부상 및 추진에 보다 강력한 전자석을 사용할 수 있습니다. 자기 부상 열차라고도 불리는 이러한 열차는 중앙의 자기 "레일"에 의해 지지되고 안내됩니다. 레일과 접촉하지 않고 움직이므로 기계적 마찰과 소음이 제거됩니다. 펄스 자기장은 비싸고 무거운 부스터 로켓에 의존하지 않고 위성을 우주로 발사하는 데 사용될 수도 있습니다.

더 강력한 자석은 다른 새로운 재료와 공정을 개발하기 위한 연구 도구로 사용될 수도 있습니다. 강력하고 펄스화된 자기장은 현재 핵융합 연구에 사용되어 고체 물질 용기를 녹일 수 있는 뜨겁고 반응하는 핵 플라즈마를 포함합니다. 자기장은 또한 재료 연구에 사용되어 전자 제품에 사용되는 반도체의 거동을 연구하여 마이크로 크기의 집적 회로를 만드는 효과를 결정할 수 있습니다.