Historie vzniku a použití magnetických materiálů

Historie použití magnetických materiálů je nerozlučně spjata s historií objevů a výzkumů magnetické jevy, stejně jako historii vývoje magnetických materiálů a zlepšování jejich vlastností.

První zmínky pro magnetické materiály sahá až do starověku, kdy se magnety používaly k léčbě různých onemocnění.

První zařízení vyrobené z přírodního materiálu (magnetitu) bylo vyrobeno v Číně za dynastie Han (206 př. n. l. - 220 n. l.). V textu z Lunheng (1. století n. l.) je to popsáno takto: "Tento nástroj vypadá jako lžíce, a když ho položíte na talíř, jeho rukojeť bude směřovat k jihu." Navzdory skutečnosti, že takové "zařízení" bylo použito pro geomantie, je považováno za prototyp kompasu.

Prototyp kompasu vytvořený v Číně za dynastie Han: a — model v životní velikosti; b – památník vynálezu

Asi do konce 18. stol.Magnetické vlastnosti přírodního přirozeně zmagnetizovaného magnetitu a s ním zmagnetizovaného železa byly použity pouze pro výrobu kompasů, i když existují legendy o magnetech, které byly instalovány u vchodu do domu, aby odhalily železné zbraně, které by mohly být ukryty pod oblečení příchozí osoby.

Navzdory tomu, že po mnoho staletí byly magnetické materiály používány pouze pro výrobu kompasů, mnoho vědců se zabývalo studiem magnetických jevů (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Lomonosov atd.), který přispěl k rozvoji vědy o magnetismu a využití magnetických materiálů.

V té době používané střelky kompasu byly přirozeně magnetizované nebo magnetizované přírodní magnetit… Teprve v roce 1743 D. Bernoulli ohnul magnet a dal mu tvar podkovy, což značně zvýšilo jeho pevnost.

V XIX století. výzkum elektromagnetismu i vývoj vhodných zařízení vytvořily předpoklady pro široké použití magnetických materiálů.

V roce 1820 objevil HC Oersted spojení mezi elektřinou a magnetismem. Na základě svého objevu W. Sturgeon v roce 1825 vyrobil první elektromagnet, což byla železná tyč pokrytá dielektrickým lakem, 30 cm dlouhá a 1,3 cm v průměru, ohnutá do podoby podkovy, na které bylo 18 závitů drátu vinutí připojené k elektrické baterii vytvořením kontaktu. Magnetizovaná železná podkova pojme zátěž 3600 g.

Elektromagnet jesetera (tečkovaná čára ukazuje polohu pohyblivého elektrického kontaktu, když je elektrický obvod uzavřen)

Do stejného období spadají práce P. Barlowa na snížení vlivu magnetického pole vytvářeného okolními částmi obsahujícími železo na lodní kompasy a chronometry. Barlow byl první, kdo uvedl do praxe zařízení pro stínění magnetického pole.

První praktická aplikace magnetické obvody související s historií vynálezu telefonu. V roce 1860 Antonio Meucci demonstroval schopnost přenášet zvuky po drátech pomocí zařízení zvaného Teletrophone. Priorita A. Meucciho byla uznána až v roce 2002, do té doby byl A. Bell považován za tvůrce telefonu, přestože jeho přihláška na vynález z roku 1836 byla podána o 5 let později než přihláška A. Meucciho.

T.A.Edison dokázal zesílit zvuk telefonu pomocí transformátor, patentovaný současně P. N. Yablochkovem a A. Bellem v roce 1876.

V roce 1887 publikoval P. Janet práci popisující zařízení pro záznam zvukových vibrací. Do podélné štěrbiny dutého kovového válce byl vložen práškově lakovaný ocelový papír, který válec zcela neprořízl. Když proud procházel válcem, prachové částice musely být určitým způsobem orientovány působením proud magnetického pole.

V roce 1898 dánský inženýr V. Poulsen prakticky realizoval myšlenky O. Smithe o metodách záznamu zvuku. Tento rok lze považovat za rok zrodu magnetického záznamu informací. V. Poulsen použil jako magnetické záznamové médium ocelový klavírní drát o průměru 1 mm navinutý na nemagnetické roli.

Při nahrávání nebo přehrávání se cívka spolu s drátem otáčí vůči magnetické hlavě, která se pohybuje rovnoběžně s její osou. Jako magnetické hlavy použité elektromagnety, sestávající z tyčovitého jádra s cívkou, jejíž jeden konec klouzal přes pracovní vrstvu.

Průmyslová výroba umělých magnetických materiálů s vyššími magnetickými vlastnostmi byla možná až po rozvoji a zdokonalení technologií tavení kovů.

V XIX století. hlavním magnetickým materiálem je ocel obsahující 1,2 ... 1,5 % uhlíku. Od konce XIX století. začala být nahrazována ocelí legovanou křemíkem. XX století charakterizované vytvořením mnoha značek magnetických materiálů, zdokonalením metod jejich magnetizace a vytvořením určité krystalové struktury.

V roce 1906 byl vydán americký patent na magnetický disk s tvrdým povlakem. Koercitivní síla magnetických materiálů používaných pro záznam byla nízká, což v kombinaci s vysokou zbytkovou indukčností, velkou tloušťkou pracovní vrstvy a nízkou vyrobitelností vedlo k tomu, že myšlenka magnetického záznamu byla až do 20. let prakticky zapomenuta. století.

V roce 1925 v SSSR a v roce 1928 v Německu byla vyvinuta záznamová média, což jsou ohebná papírová nebo plastová páska, na kterou je nanesena vrstva prášku obsahující karbonylové železo.

Ve 20. letech minulého století. magnetické materiály vznikají na bázi slitin železa s niklem (permaloid) a železa s kobaltem (permendura). Pro použití při vysokých frekvencích jsou k dispozici ferrocards, což je laminovaný materiál vyrobený z papíru potaženého lakem s částicemi železného prášku v něm rozptýlenými.

V roce 1928 byl v Německu získán železný prášek skládající se z částic o velikosti mikronů, který byl navržen jako plnivo při výrobě jader ve formě kroužků a tyčí.První aplikace permalloy při konstrukci telegrafního relé spadá do stejného období.

Permalloy a permendyur obsahují drahé komponenty — nikl a kobalt, a proto byly v zemích postrádajících vhodné suroviny vyvinuty alternativní materiály.

V roce 1935 vytvořil H. Masumoto (Japonsko) slitinu na bázi železa legovaného křemíkem a hliníkem (alcifer).

Ve třicátých letech 20. století. objevily se železo-nikl-hliníkové slitiny (YUNDK), které měly vysoké (v té době) hodnoty koercitivní síly a specifické magnetické energie. Průmyslová výroba magnetů na bázi takových slitin začala ve 40. letech 20. století.

Současně se vyvíjely ferity různých odrůd a vyráběly se nikl-zinkové a mangan-zinkové ferity. Toto desetiletí také zahrnovalo vývoj a použití magnetodielektrik na bázi permaloidních a karbonylových železných prášků.

Během stejných let byl navržen vývoj, který vytvořil základ pro zlepšení magnetického záznamu. V roce 1935 vzniklo v Německu zařízení s názvem Magnetofon-K1, ve kterém se k záznamu zvuku používala magnetická páska, jejíž pracovní vrstvu tvořil magnetit.

V roce 1939 vyvinul F. Matthias (IG Farben / BASF) vícevrstvou pásku skládající se z podkladu, lepidla a gama oxidu železa. Pro přehrávání a nahrávání byly vytvořeny prstencové magnetické hlavy s magnetickým jádrem na bázi permaloidu.

Ve 40. letech 20. století. vývoj radarové technologie vedl ke studiím interakce elektromagnetické vlny s magnetizovaným feritem. V roce 1949 pozoroval W. Hewitt fenomén feromagnetické rezonance ve feritech. Na počátku 50. let 20. století.Začínají se vyrábět pomocné napájecí zdroje na bázi feritu.

V 50. letech 20. století. V Japonsku začala komerční výroba tvrdých magnetických feritů, které byly levnější než slitiny YUNDK, ale byly horší, pokud jde o specifickou magnetickou energii. Do stejného období se datuje počátek používání magnetických pásek k ukládání informací v počítačích a k záznamu televizního vysílání.

V 60. letech minulého století. probíhá vývoj magnetických materiálů na bázi sloučenin kobaltu s yttriem a samariem, který v příštím desetiletí povede k průmyslovému uplatnění a zdokonalování podobných materiálů různého typu.

V 70. letech minulého století. vývoj technologií pro výrobu tenkých magnetických filmů vedl k jejich širokému využití pro záznam a ukládání informací.

V 80. letech minulého století. začíná komerční výroba slinutých magnetů na bázi systému NdFeB. Přibližně ve stejné době začala výroba amorfních a o něco později i nanokrystalických magnetických slitin, které se staly alternativou permaloidů a v některých případech i elektrotechnických ocelí.

Objev obřího magnetorezistentního efektu v roce 1985 ve vícevrstvých filmech obsahujících magnetické vrstvy o tloušťce nanometrů položil základ novému směru v elektronice – spinové elektronice (spintronice).

V 90. letech minulého století. Do spektra kompozitních tvrdých magnetických materiálů byly přidány sloučeniny založené na systému SmFeN a v roce 1995 byl objeven magnetorezistentní tunelový efekt.

V roce 2005byl objeven efekt magnetorezistence obřího tunelu. Poté byly vyvinuty a uvedeny do výroby snímače založené na efektu obří a tunelové magnetorezistence, určené pro použití v kombinovaných záznamových/reprodukčních hlavách pevných magnetických disků, v magnetopáskových zařízeních apod. Byla také vytvořena paměťová zařízení s náhodným přístupem.

V roce 2006 byla zahájena průmyslová výroba magnetických disků pro kolmý magnetický záznam. Rozvoj vědy, vývoj nových technologií a zařízení umožňují nejen vytvářet nové materiály, ale také zlepšovat vlastnosti dříve vytvořených.

Počátek XXI století lze charakterizovat následujícími hlavními oblastmi výzkumu souvisejícího s použitím magnetických materiálů:

• v elektronice — zmenšení velikosti zařízení v důsledku zavedení plochých a tenkovrstvých zařízení;

• ve vývoji permanentních magnetů — náhrada elektromagnetů v různých zařízeních;

• v úložných zařízeních — zmenšení velikosti paměťové buňky a zvýšení rychlosti;

• v elektromagnetickém stínění — zvýšení účinnosti elektromagnetických stínění v širokém frekvenčním rozsahu při současném snížení jejich tloušťky;

• v napájecích zdrojích — rozšíření limitů frekvenčního rozsahu, ve kterém se používají magnetické materiály;

• v kapalných nehomogenních médiích s magnetickými částicemi — rozšíření oblastí jejich efektivní aplikace;

• ve vývoji a tvorbě senzorů různých typů — rozšiřování sortimentu a zlepšování technických vlastností (zejména citlivosti) pomocí nových materiálů a technologií.