磁石

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背景

磁石は、実際に接触することなく、他の材料に顕著な力を加えることができる材料です。この力は磁力として知られており、引き付けるか反発する可能性があります。すべての既知の材料はある種の磁力を発揮しますが、ほとんどの材料では非常に小さいため、すぐには目立ちません。他の材料では、磁力ははるかに大きく、これらは磁石と呼ばれます。地球自体は巨大な磁石です。

永久磁石と呼ばれる磁石の中には、外部からの影響を受けずに物体に力を加えるものがあります。 鉄 ロードストーンとしても知られる鉱石マグネタイトは、天然の永久磁石です。他の永久磁石は、特定の材料に磁力を加えることによって作成できます。力が取り除かれると、これらの材料は独自の磁気特性を保持します。磁気特性は時間の経過や高温で変化する可能性がありますが、これらの材料は一般に永久的に磁化されていると考えられているため、この名前が付けられています。

他の磁石は電磁石として知られています。それらは、特定の材料をワイヤーのコイルで囲むことによって作られています。コイルに電流を流すと、これらの材料が磁力を発揮します。電流が遮断されると、これらの材料の磁力はほぼゼロに低下します。電磁石材料は、コイルに電流が流れなくても、磁気特性をほとんど保持しません。

すべての磁石には、磁力が最大になる2つのポイントがあります。これらの2つのポイントは極として知られています。長方形または円筒形の棒磁石の場合、これらの極は両端にあります。一方の極は北を求める極または北極と呼ばれ、もう一方の極は南を求める極または南極と呼ばれます。この用語は、ロードストーンなどの磁性材料の最も初期の使用法の1つを反映しています。弦から吊り下げられたとき、これらの最初の粗いコンパスの北極は常に「シーク」するか、北を指します。これは、船員が遠方の土地に到達して帰国するために操縦する方向を判断するのに役立ちました。

私たちの現在の技術では、磁石の用途には、コンパス、電気モーター、マイクロ波オーブン、コイン式自動販売機、写真用ライトメーター、自動車用ホーン、テレビ、ラウドスピーカー、テープレコーダーなどがあります。シンプルな冷蔵庫のノートホルダーと複雑な医療用磁気共鳴画像装置はどちらも磁石を利用しています。

歴史

天然に存在する磁気ロー​​ドストーンは、紀元前500年にギリシャ人によって研究され使用されました。 他の文明はそれよりも早くそれを知っていたかもしれません。磁石という言葉はギリシャ語の名前 magnetislithos、に由来しています マグネシアの石。これらの磁性石が見つかった現在のトルコのエーゲ海沿岸の地域を指します。

コンパスとしてのロードストーンの最初の使用は、ヨーロッパで西暦 頃に発生したと一般に考えられています。 1100〜 A.D. 1200.ロードストーンという用語は、「先導する石」、または文字通り「先導する石」を意味するアングロサクソン人に由来します。アイスランド語は leider-stein、です。 船の航行に関連してその時代の書物で使用されました。

1600年、英国の科学者ウィリアムギルバートは、磁極に関する以前の観測を確認し、地球は磁石であると結論付けました。 1820年、オランダの科学者ハンスクリスチャンエルステッドは電気と磁気の関係を発見し、フランスの物理学者アンドレアンペアは1821年にこの発見をさらに拡大しました。

1900年代初頭、科学者たちは鉄鋼以外の磁性材料の研究を始めました。 1930年代までに、研究者たちは最初の強力なアルニコ合金永久磁石を製造していました。希土類元素を使用したさらに強力なセラミック磁石は、1970年代に首尾よく処方され、1980年代にはこの分野でさらに進歩しました。

今日、磁性材料は、最終的な用途に応じて、さまざまな性能要件を満たすように製造できます。

原材料

磁石を作るとき、原材料は製造工程よりも重要であることがよくあります。永久磁石に使用される材料（これらの磁石に合金鋼が初期に使用されたことを反映して硬質材料と呼ばれることもあります）は、電磁石に使用される材料（軟質で可鍛性の鉄を使用することを反映して軟質材料と呼ばれることもあります）とは異なります。このアプリケーション）。

永久磁石材料

永久磁石のロードストーンには、マグネタイトが含まれています。マグネタイトは、地球の磁場の影響から磁性を引き出す、硬い結晶性の鉄フェライト鉱物です。さまざまな鋼合金も磁化することができます。より効果的な永久磁石材料を開発するための最初の大きなステップは、1930年代にアルニコ合金磁石の開発によってもたらされました。これらの磁石の名前は、合金の製造に使用されるアルミニウム-ニッケル-コバルト元素の化学記号に由来しています。磁化されると、アルニコ磁石はマグネタイトの5〜17倍の磁力を持ちます。

セラミック永久磁石は、熱と圧力の下で形成された微粉末のバリウムフェライトまたはストロンチウムフェライトから作られています。それらの磁気強度は、成形中に粉末粒子を強い磁場に整列させることによって強化されます。セラミック磁石は、磁力の点でアルニコ磁石に匹敵し、大きな機械加工なしでさまざまな形状にプレスできるという利点があります。

柔軟な永久磁石は、粉末のバリウムフェライトまたはストロンチウムフェライトをゴムなどの結合材料またはポリ塩化ビニルなどの柔軟なプラスチックに混合して作られています。

1970年代に、研究者たちは熱下で溶融した粉末サマリウムコバルトから作られた永久磁石を開発しました。これらの磁石は、この材料の六角形の結晶内の磁区と呼ばれる原子のグループの配置が磁気的に整列する傾向があるという事実を利用しています。この自然な配列により、サマリウムコバルト磁石はマグネタイトの50倍の磁力を発生させることができます。小型のパーソナルステレオシステム用のヘッドフォンは、サマリウムコバルト永久磁石を使用しています。サマリウムコバルト磁石には、磁気強度を失うことなく、他の永久磁石よりも高温で動作できるという利点もあります。

同様の永久磁石は、マグネタイトのほぼ75倍の磁力を生成する粉末ネオジム鉄ホウ素を使用して1980年代に製造されました。これらは、今日市販されている最も強力な永久磁石です。

電磁石材料

電磁石では、純鉄と鉄合金が最も一般的に使用されています。低周波電源トランスには、シリコン鉄と特殊処理された鉄コバルト合金が使用されています。

ガンマ酸化鉄と呼ばれる特殊な酸化鉄は、音声やデータの記録用の磁気テープの製造によく使用されます。このアプリケーションの他の資料には、 上の図は、強力なネオジム-鉄-ホウ素永久磁石を製造するために使用される典型的な粉末冶金プロセスを示しています。コバルト修飾酸化鉄と酸化クロム。素材は細かく粉砕され、薄いポリエステルプラスチックフィルムにコーティングされています。

その他の磁性材料

磁性流体は、粉末状のバリウムフェライト粒子を長鎖ポリマープラスチックの分子の単層にカプセル化することによって作成できます。次に、粒子は水や油などの液体に懸濁して保持されます。プラスチックでカプセル化されているため、磁性粒子はほとんど摩擦なく互いに滑ります。粒子は非常に小さいため、液体中での通常の熱攪拌により粒子が沈降しなくなります。磁性流体はいくつかのアプリケーションで使用されます シーラント、潤滑剤、または制振材として。

製造
プロセス

磁石の種類によって材質が異なるように、製造工程も異なります。多くの電磁石は、標準的な金属鋳造技術を使用して鋳造されます。柔軟な永久磁石は、材料が混合され、加熱され、圧力下で成形された開口部に押し出されるプラスチック押出成形プロセスで形成されます。

一部の磁石は、微細な粉末金属に圧力、熱、および磁力を加えて最終的な磁石を形成する、改良された粉末冶金プロセスを使用して形成されます。これは、断面積が約3〜10平方インチ（20〜65平方cm）の強力なネオジム-鉄-ホウ素永久磁石を製造するために使用される典型的な粉末冶金プロセスです。

粉末金属の準備

• 1適量のネオジム、鉄、ホウ素を真空中で加熱して溶かします。真空は、最終的な金属合金を汚染する可能性のある空気と溶融材料の間の化学反応を防ぎます。
• 2金属が冷却されて固化すると、金属は細かく砕かれます。次に、小片をボールミルで微粉末に粉砕します。

を押す

• 3粉末金属は、完成した磁石と同じ長さと幅（または丸い磁石の場合は直径）であるダイと呼ばれる型に入れられます。粉末材料に磁力を加えて粉末粒子を整列させます。磁力が加えられている間、粉末は油圧または機械式ラムで上下から押され、最終的な意図された厚さの約0.125インチ（0.32 cm）以内に圧縮されます。一般的な圧力は、約10,000 psi〜15,000 psi（70 MPa〜100 MPa）です。いくつかの形状は、粉末材料を柔軟で気密性のある真空容器に入れ、液体または気体の圧力で形にプレスすることによって作成されます。これは、アイソスタティックコンパクションとして知られています。

暖房

• 4粉末金属の圧縮された「スラグ」をダイから取り出し、オーブンに入れます。圧縮された粉末金属を加熱して溶融した固体の金属片に変換するプロセスは、焼結と呼ばれます。このプロセスは通常、3つの段階で構成されます。最初の段階では、圧縮された材料を低温で加熱して、プレスプロセス中に閉じ込められた可能性のある水分やその他の汚染物質をゆっくりと追い出します。第2段階では、温度を金属合金の融点の約70〜90％に上げ、数時間または数日間そこに保持して、小さな粒子を融合させます。最後に、材料は制御された段階的な温度増分でゆっくりと冷却されます。

アニーリング

• 5次に、焼結材料は、アニーリングと呼ばれる2番目の制御された加熱および冷却プロセスを受けます。このプロセスは、材料内の残留応力を取り除き、材料を強化します。

仕上げ

• 6焼きなましされた材料は、完成した形状と寸法に非常に近いものです。この状態は「ニアネット」形状として知られています。最終的な機械加工プロセスは、余分な材料を取り除き、必要に応じて滑らかな表面を生成します。次に、材料に保護コーティングを施して表面をシールします。

磁化

• 7これまでのところ、材料は圧縮され融合された金属片にすぎません。プレス中に磁力を加えても、その力で材料を磁化することはなく、単にばらばらの粉末粒子を並べただけでした。それを磁石に変えるために、ピースは非常に強力な電磁石の極の間に置かれ、望ましい磁化の方向に向けられます。次に、電磁石に一定時間通電します。磁力は、材料内の原子のグループまたは磁区を整列させて、ピースを強力な永久磁石にします。

品質管理

製造プロセスの各ステップは監視および制御されます。焼結およびアニーリングプロセスは、磁石の最終的な機械的および磁気的特性にとって特に重要であり、時間と温度の変数を厳密に制御する必要があります。

危険物、
副産物、および
リサイクル

バリウムフェライト永久磁石の製造に使用されるバリウムおよびバリウム化合物は有毒であり、有毒物質と見なされます。バリウムフェライト磁石を製造する会社は、バリウム製品の保管、取り扱い、および廃棄物処理に特別な注意を払う必要があります。

電磁石は通常、コイル内の構成部品の鉄心と銅線を回収することでリサイクルできます。永久磁石の部分的なリサイクルは、廃止された機器から取り外して、同様の新しい機器で再び使用することで実現できます。ただし、これが常に可能であるとは限りません。永久磁石をリサイクルするためのより包括的なアプローチを開発する必要があります。

未来

研究者たちは、現在入手可能なものよりもさらに強力な磁石を探し続けています。より強力な永久磁石の用途の1つは、バッテリー駆動の産業用ロボット用の小型で高トルクの電気モーターの開発です。 およびラップトップコンピュータのディスクドライブ。より強力な電磁石は、パルス磁場を使用した高速列車の浮揚と推進に使用できます。リニアモーターカーと呼ばれることもあるこのような列車は、中央の磁気「レール」によって支えられ、案内されます。それらはレールに接触することなく移動するため、機械的な摩擦や騒音がなくなります。パルス磁場は、高価で重いブースターロケットに頼ることなく、衛星を宇宙に打ち上げるためにも使用できます。

より強力な磁石は、他の新しい材料やプロセスを開発するための研究ツールとしても使用できます。現在、核融合研究では、固体物質の容器を溶かしてしまう高温の反応核プラズマを封じ込めるために、強力なパルス磁場が使用されています。磁場は、マイクロサイズの集積回路を作ることの効果を決定するために、電子機器で使用される半導体の挙動を研究するための材料研究でも使用できます。