Lịch sử hình thành và sử dụng vật liệu từ tính

Lịch sử sử dụng vật liệu từ tính gắn bó chặt chẽ với lịch sử khám phá và nghiên cứu hiện tượng từ tính, cũng như lịch sử phát triển của vật liệu từ tính và sự cải thiện tính chất của chúng.

đề cập đầu tiên cho vật liệu từ tính có từ thời cổ đại khi nam châm được sử dụng để điều trị các bệnh khác nhau.

Thiết bị đầu tiên làm bằng vật liệu tự nhiên (magnetite) được sản xuất tại Trung Quốc vào thời nhà Hán (206 TCN - 220 SCN). Trong văn bản Lunheng (thế kỷ 1 sau Công nguyên), nó được mô tả như sau: "Dụng cụ này trông giống như một chiếc thìa, nếu bạn đặt nó trên đĩa thì tay cầm của nó sẽ hướng về phía nam." Mặc dù thực tế là một "thiết bị" như vậy đã được sử dụng cho phong thủy, nhưng nó được coi là nguyên mẫu của la bàn.

Nguyên mẫu la bàn được tạo ra ở Trung Quốc vào thời nhà Hán: a — mô hình kích thước thật; b - tượng đài của phát minh

Cho đến khoảng cuối thế kỷ 18.các đặc tính từ tính của từ tính tự nhiên được từ hóa tự nhiên và sắt được từ hóa cùng với nó chỉ được sử dụng để sản xuất la bàn, mặc dù có truyền thuyết về nam châm được lắp đặt ở lối vào một ngôi nhà để phát hiện vũ khí bằng sắt có thể được giấu dưới một lớp phủ. quần áo của người đến.

Mặc dù trong nhiều thế kỷ, vật liệu từ tính chỉ được sử dụng để sản xuất la bàn, nhưng nhiều nhà khoa học đã tham gia nghiên cứu hiện tượng từ tính (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Lomonosov, v.v.), người đã góp phần phát triển khoa học về từ tính và sử dụng vật liệu từ tính.

Các kim la bàn được sử dụng vào thời điểm đó được từ hóa hoặc từ hóa tự nhiên từ tính tự nhiên… Chỉ đến năm 1743, D. Bernoulli mới uốn cong nam châm và tạo cho nó hình móng ngựa, giúp tăng sức mạnh của nó lên rất nhiều.

Vào thế kỷ XIX. việc nghiên cứu điện từ học cũng như phát triển các thiết bị phù hợp đã tạo tiền đề cho việc sử dụng rộng rãi vật liệu từ tính.

Năm 1820, HC Oersted phát hiện ra mối liên hệ giữa điện và từ. Dựa trên khám phá của mình, W. Sturgeon vào năm 1825 đã chế tạo ra nam châm điện đầu tiên, đó là một thanh sắt được phủ vecni điện môi, dài 30 cm và đường kính 1,3 cm, uốn cong theo hình móng ngựa, trên đó có 18 vòng dây. vết thương được kết nối với pin điện bằng cách tiếp xúc. Móng ngựa sắt nhiễm từ có thể chịu tải trọng 3600 g.

Nam châm điện cá tầm (đường đứt nét thể hiện vị trí của tiếp điểm điện di động khi đóng mạch điện)

Các công trình của P. Barlow nhằm giảm ảnh hưởng lên la bàn và đồng hồ bấm giờ của từ trường do các bộ phận chứa sắt xung quanh tạo ra thuộc cùng thời kỳ. Barlow là người đầu tiên đưa các thiết bị che chắn từ trường vào thực tế.

Ứng dụng thực tế đầu tiên mạch từ liên quan đến lịch sử phát minh ra điện thoại. Năm 1860, Antonio Meucci đã chứng minh khả năng truyền âm thanh qua dây bằng một thiết bị có tên là Teletrophone. Ưu tiên của A. Meucci chỉ được công nhận vào năm 2002, cho đến lúc đó A. Bell được coi là người tạo ra điện thoại, mặc dù thực tế là đơn đăng ký phát minh năm 1836 của ông đã được nộp muộn hơn 5 năm so với đơn của A. Meucci.

T.A.Edison đã có thể khuếch đại âm thanh của điện thoại với sự trợ giúp của máy biến thế, được cấp bằng sáng chế đồng thời bởi P. N. Yablochkov và A. Bell vào năm 1876.

Năm 1887, P. Janet đã xuất bản một tác phẩm mô tả một thiết bị ghi lại các rung động âm thanh. Giấy thép sơn tĩnh điện được đưa vào khe dọc của hình trụ kim loại rỗng, không cắt hoàn toàn hình trụ. Khi dòng điện đi qua xi lanh, các hạt bụi phải được định hướng theo một cách nhất định dưới tác động của dòng điện từ trường.

Năm 1898, kỹ sư người Đan Mạch V. Poulsen đã thực hiện ý tưởng của O. Smith về phương pháp ghi âm. Năm nay có thể được coi là năm ra đời của ghi thông tin từ tính. V. Poulsen đã sử dụng dây đàn piano bằng thép có đường kính 1 mm quấn trên một cuộn không từ tính làm phương tiện ghi âm từ tính.

Trong quá trình ghi hoặc phát lại, trục quay cùng với dây quay tương ứng với đầu từ di chuyển song song với trục của nó. Giống như đầu nam châm nam châm điện đã qua sử dụng, bao gồm một lõi hình que với một cuộn dây, một đầu của nó trượt trên lớp làm việc.

Việc sản xuất công nghiệp các vật liệu từ tính nhân tạo có đặc tính từ tính cao hơn chỉ có thể thực hiện được sau khi phát triển và cải tiến các công nghệ nấu chảy kim loại.

Vào thế kỷ XIX. vật liệu từ tính chính là thép chứa 1,2 ... 1,5% carbon. Từ cuối thế kỷ XIX. bắt đầu được thay thế bằng thép hợp kim với silicon. Thế kỷ XX được đặc trưng bởi việc tạo ra nhiều nhãn hiệu vật liệu từ tính, cải tiến các phương pháp từ hóa chúng và tạo ra một cấu trúc tinh thể nhất định.

Năm 1906, bằng sáng chế của Hoa Kỳ đã được cấp cho một đĩa từ cứng. Lực cưỡng bức của vật liệu từ tính được sử dụng để ghi âm thấp, kết hợp với độ tự cảm dư cao, độ dày lớn của lớp làm việc và khả năng sản xuất thấp, dẫn đến ý tưởng ghi âm từ tính thực tế đã bị lãng quên cho đến những năm 20 thế kỷ.

Vào năm 1925 ở Liên Xô và năm 1928 ở Đức, phương tiện ghi âm đã được phát triển, đó là giấy dẻo hoặc băng nhựa trên đó phủ một lớp bột có chứa sắt carbonyl.

Vào những năm 20 của thế kỷ trước. vật liệu từ tính được tạo ra dựa trên hợp kim của sắt với niken (permaloid) và sắt với coban (permendura). Để sử dụng ở tần số cao, có sẵn thẻ sắt, là vật liệu nhiều lớp làm bằng giấy phủ vecni với các hạt bột sắt phân bố trong đó.

Năm 1928, một loại bột sắt bao gồm các hạt có kích thước micron đã được thu được ở Đức, được đề xuất sử dụng làm chất độn trong sản xuất lõi ở dạng vòng và thanh.Ứng dụng đầu tiên của permalloy trong việc xây dựng rơle điện báo thuộc cùng thời kỳ.

Permalloy và permendyur bao gồm các thành phần đắt tiền — niken và coban, đó là lý do tại sao các vật liệu thay thế đã được phát triển ở các quốc gia thiếu nguyên liệu thô phù hợp.

Năm 1935, H. Masumoto (Nhật Bản) đã tạo ra một hợp kim dựa trên sắt hợp kim với silic và nhôm (alcifer).

Vào những năm 1930. hợp kim sắt-niken-nhôm (YUNDK) xuất hiện, có giá trị cao (tại thời điểm đó) của lực cưỡng bức và năng lượng từ trường cụ thể. Việc sản xuất công nghiệp nam châm dựa trên các hợp kim như vậy bắt đầu vào những năm 1940.

Đồng thời, các loại ferrite khác nhau đã được phát triển và các ferrite niken-kẽm và mangan-kẽm được sản xuất. Thập kỷ này cũng bao gồm sự phát triển và sử dụng chất điện môi từ tính dựa trên bột sắt permaloid và carbonyl.

Trong cùng những năm đó, những phát triển đã được đề xuất để hình thành cơ sở cho việc cải thiện ghi từ tính. Năm 1935, một thiết bị có tên là Magnetofon-K1 đã được tạo ra ở Đức, trong đó một băng từ được sử dụng để ghi lại âm thanh, lớp làm việc bao gồm từ tính.

Năm 1939, F. Matthias (IG Farben / BASF) đã phát triển một loại băng dính nhiều lớp bao gồm lớp nền, chất kết dính và oxit sắt gamma. Đầu từ dạng vòng với lõi từ tính dựa trên permaloid đã được tạo để phát lại và ghi âm.

Vào những năm 1940. sự phát triển của công nghệ radar đã dẫn đến các nghiên cứu về sự tương tác của sóng điện từ với ferit từ hóa. Năm 1949, W. Hewitt quan sát thấy hiện tượng cộng hưởng sắt từ trong ferit. Vào đầu những năm 1950.Nguồn cung cấp năng lượng phụ trợ dựa trên Ferrite đang bắt đầu được sản xuất.

Vào những năm 1950. Tại Nhật Bản, việc sản xuất thương mại các ferit từ tính cứng đã bắt đầu, rẻ hơn các hợp kim YUNDK, nhưng kém hơn chúng về năng lượng từ tính cụ thể. Việc bắt đầu sử dụng băng từ để lưu trữ thông tin trong máy tính và ghi lại các chương trình truyền hình đã có từ cùng thời kỳ.

Vào những năm 60 của thế kỷ trước. sự phát triển của vật liệu từ tính dựa trên các hợp chất của coban với yttri và samarium đang được tiến hành, trong thập kỷ tới sẽ dẫn đến việc triển khai công nghiệp và cải tiến các loại vật liệu tương tự thuộc nhiều loại khác nhau.

Vào những năm 70 của thế kỷ trước. sự phát triển của các công nghệ sản xuất màng từ tính mỏng đã dẫn đến việc chúng được sử dụng rộng rãi để ghi và lưu trữ thông tin.

Vào những năm 80 của thế kỷ trước. bắt đầu sản xuất thương mại nam châm thiêu kết dựa trên hệ thống NdFeB. Cũng trong khoảng thời gian đó, việc sản xuất các hợp kim từ tính vô định hình, và một lát sau, bắt đầu, trở thành một chất thay thế cho permaloid, và trong một số trường hợp, cho thép điện.

Khám phá vào năm 1985 về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các màng đa lớp chứa các lớp từ tính dày cỡ nano mét đã đặt nền móng cho một hướng đi mới trong lĩnh vực điện tử - điện tử quay (spintronics).

Vào những năm 90 của thế kỷ trước. Các hợp chất dựa trên hệ thống SmFeN đã được thêm vào phổ của vật liệu từ cứng tổng hợp và vào năm 1995, hiệu ứng đường hầm từ điện trở đã được phát hiện.

Năm 2005hiệu ứng từ điện trở đường hầm khổng lồ đã được phát hiện. Sau đó, các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và đường hầm đã được phát triển và đưa vào sản xuất, nhằm mục đích sử dụng trong các đầu ghi / tái tạo kết hợp của đĩa từ cứng, trong các thiết bị băng từ, v.v. Các thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên cũng được tạo ra.

Năm 2006, việc sản xuất công nghiệp đĩa từ để ghi từ trường vuông góc bắt đầu. Sự phát triển của khoa học, sự phát triển của công nghệ và thiết bị mới giúp không chỉ tạo ra vật liệu mới mà còn cải thiện các đặc tính của vật liệu được tạo ra trước đó.

Đầu thế kỷ XXI có thể được đặc trưng bởi các lĩnh vực nghiên cứu chính sau đây liên quan đến việc sử dụng vật liệu từ tính:

• trong điện tử - giảm kích thước của thiết bị nhờ sự ra đời của các thiết bị màng mỏng và phẳng;

• trong quá trình phát triển nam châm vĩnh cửu — thay thế nam châm điện trong các thiết bị khác nhau;

• trong các thiết bị lưu trữ — giảm kích thước của ô nhớ và tăng tốc độ;

• trong che chắn điện từ — tăng hiệu quả của các lá chắn điện từ trong dải tần số rộng đồng thời giảm độ dày của chúng;

• trong nguồn cung cấp năng lượng - mở rộng giới hạn của dải tần trong đó vật liệu từ tính được sử dụng;

• trong môi trường lỏng không đồng nhất với các hạt từ tính — mở rộng phạm vi ứng dụng hiệu quả của chúng;

• trong việc phát triển và tạo ra các loại cảm biến khác nhau — mở rộng phạm vi và cải thiện các đặc tính kỹ thuật (đặc biệt là độ nhạy) thông qua việc sử dụng các vật liệu và công nghệ mới.