La storia della creazione e dell'uso dei materiali magnetici

La storia dell'uso dei materiali magnetici è indissolubilmente legata alla storia della scoperta e della ricerca fenomeni magnetici, così come la storia dello sviluppo dei materiali magnetici e il miglioramento delle loro proprietà.

Prime menzioni per materiali magnetici risalgono a tempi antichi in cui i magneti venivano usati per curare vari disturbi.

Il primo dispositivo realizzato con un materiale naturale (magnetite) è stato prodotto in Cina durante la dinastia Han (206 aC - 220 dC). Nel testo Lunheng (I secolo d.C.) è descritto come segue: "Questo strumento sembra un cucchiaio, e se lo metti su un piatto, il suo manico punterà a sud". Nonostante il fatto che un tale "dispositivo" fosse utilizzato per la geomanzia, è considerato un prototipo della bussola.

Prototipo della bussola realizzata in Cina durante la Dinastia Han: a — modello a grandezza naturale; b — monumento dell'invenzione

Fino alla fine del XVIII secolo.le proprietà magnetiche della magnetite naturale magnetizzata naturalmente e del ferro magnetizzato con essa erano utilizzate solo per la fabbricazione di bussole, anche se esistono leggende di magneti che venivano installati all'ingresso di una casa per rilevare armi di ferro che potevano essere nascoste sotto un abbigliamento della persona in arrivo.

Nonostante per molti secoli i materiali magnetici siano stati utilizzati solo per la fabbricazione di bussole, molti scienziati sono stati impegnati nello studio dei fenomeni magnetici (Leonardo da Vinci, J. della Porta, V. Gilbert, G. Galileo, R. Descartes, M. Lomonosov, ecc.), che ha contribuito allo sviluppo della scienza del magnetismo e dell'uso dei materiali magnetici.

Gli aghi della bussola in uso all'epoca erano naturalmente magnetizzati o magnetizzati magnetite naturale… Fu solo nel 1743 che D. Bernoulli piegò il magnete e gli diede la forma di un ferro di cavallo, che ne aumentò notevolmente la forza.

Nel XIX secolo. la ricerca sull'elettromagnetismo e lo sviluppo di dispositivi adeguati hanno creato i presupposti per l'uso diffuso di materiali magnetici.

Nel 1820, HC Oersted scoprì la connessione tra elettricità e magnetismo. Sulla base della sua scoperta, W. Sturgeon nel 1825 realizzò il primo elettromagnete, che era un'asta di ferro ricoperta di vernice dielettrica, lunga 30 cm e di 1,3 cm di diametro, piegata a forma di ferro di cavallo, sulla quale erano presenti 18 spire di filo avvolto collegato a una batteria elettrica facendo contatto. Il ferro di cavallo in ferro magnetizzato può sostenere un carico di 3600 g.

Elettromagnete storione (la linea tratteggiata indica la posizione del contatto elettrico mobile quando il circuito elettrico è chiuso)

Allo stesso periodo appartengono i lavori di P. Barlow per ridurre l'influenza sulle bussole e sui cronometri delle navi del campo magnetico creato dalle parti circostanti contenenti ferro. Barlow è stato il primo a mettere in pratica dispositivi di schermatura del campo magnetico.

Prima applicazione pratica circuiti magnetici legati alla storia dell'invenzione del telefono. Nel 1860, Antonio Meucci dimostrò la capacità di trasmettere suoni su fili utilizzando un dispositivo chiamato Teletrophone. La priorità di A. Meucci è stata riconosciuta solo nel 2002, fino ad allora A. Bell era considerato l'ideatore del telefono, nonostante la sua domanda di invenzione del 1836 fosse stata depositata 5 anni dopo quella di A. Meucci.

T.A.Edison è stato in grado di amplificare il suono del telefono con l'aiuto di trasformatore, brevettato contemporaneamente da P. N. Yablochkov e A. Bell nel 1876.

Nel 1887, P. Janet pubblicò un'opera che descriveva un dispositivo per registrare le vibrazioni sonore. La carta d'acciaio verniciata a polvere è stata inserita nella fessura longitudinale del cilindro metallico cavo, che non ha tagliato completamente il cilindro. Quando la corrente passava attraverso il cilindro, le particelle di polvere dovevano essere orientate in un certo modo sotto l'azione di corrente del campo magnetico.

Nel 1898, l'ingegnere danese V. Poulsen implementò praticamente le idee di O. Smith sui metodi di registrazione del suono. Quest'anno può essere considerato l'anno di nascita della registrazione magnetica delle informazioni. V. Poulsen ha utilizzato come supporto di registrazione magnetico un filo armonico in acciaio con un diametro di 1 mm avvolto su un rullo non magnetico.

Durante la registrazione o la riproduzione, la bobina insieme al filo ruota rispetto alla testina magnetica, che si muove parallelamente al suo asse. Come teste magnetiche elettromagneti usati, costituito da un nucleo a forma di asta con una bobina, un'estremità della quale scorreva sullo strato di lavoro.

La produzione industriale di materiali magnetici artificiali con caratteristiche magnetiche più elevate è diventata possibile solo dopo lo sviluppo e il miglioramento delle tecnologie di fusione dei metalli.

Nel XIX secolo. il materiale magnetico principale è l'acciaio contenente 1,2 ... 1,5% di carbonio. Dalla fine del XIX secolo. iniziò ad essere sostituito dall'acciaio legato al silicio. XX secolo caratterizzato dalla creazione di molte marche di materiali magnetici, dal miglioramento dei metodi per la loro magnetizzazione e dalla creazione di una certa struttura cristallina.

Nel 1906 fu rilasciato un brevetto statunitense per un disco magnetico con rivestimento duro. La forza coercitiva dei materiali magnetici utilizzati per la registrazione era bassa, il che, in combinazione con l'elevata induttanza residua, il grande spessore dello strato di lavoro e la bassa producibilità, ha portato al fatto che l'idea della registrazione magnetica è stata praticamente dimenticata fino agli anni '20 secolo.

Nel 1925 in URSS e nel 1928 in Germania furono sviluppati supporti di registrazione, che sono nastri flessibili di carta o plastica su cui viene applicato uno strato di polvere contenente ferro carbonilico.

Negli anni '20 del secolo scorso. i materiali magnetici sono creati a base di leghe di ferro con nichel (permaloide) e ferro con cobalto (permendura). Per l'utilizzo alle alte frequenze sono disponibili le ferrocard, che sono materiali laminati di carta rivestita di vernice con particelle di polvere di ferro distribuite al suo interno.

Nel 1928 fu ottenuta in Germania una polvere di ferro costituita da particelle di dimensioni micron, che fu proposto di utilizzare come riempitivo nella fabbricazione di anime sotto forma di anelli e barre.Allo stesso periodo appartiene la prima applicazione del permalloy nella costruzione di un ripetitore telegrafico.

Permalloy e permendyur includono componenti costosi: nichel e cobalto, motivo per cui sono stati sviluppati materiali alternativi in ​​​​paesi privi di materie prime adeguate.

Nel 1935, H. Masumoto (Giappone) creò una lega a base di ferro legato con silicio e alluminio (alcifer).

Negli anni '30. apparvero le leghe ferro-nichel-alluminio (YUNDK), che avevano valori elevati (a quel tempo) di forza coercitiva ed energia magnetica specifica. La produzione industriale di magneti basati su tali leghe iniziò negli anni '40.

Allo stesso tempo, sono state sviluppate ferriti di varie varietà e sono state prodotte ferriti di nichel-zinco e manganese-zinco. Questo decennio ha incluso anche lo sviluppo e l'uso di magneto-dielettrici basati su polveri di ferro permaloide e carbonilico.

Negli stessi anni furono proposti sviluppi che costituirono la base per il miglioramento della registrazione magnetica. Nel 1935 fu creato in Germania un dispositivo chiamato Magnetofon-K1, in cui veniva utilizzato un nastro magnetico per registrare il suono, il cui strato di lavoro era costituito da magnetite.

Nel 1939, F. Matthias (IG Farben / BASF) sviluppò un nastro multistrato costituito da un supporto, adesivo e ossido di ferro gamma. Le testine magnetiche ad anello con un nucleo magnetico basato su permaloid sono state create per la riproduzione e la registrazione.

Negli anni '40. lo sviluppo della tecnologia radar ha portato a studi sull'interazione di un'onda elettromagnetica con la ferrite magnetizzata. Nel 1949 W. Hewitt osservò il fenomeno della risonanza ferromagnetica nelle ferriti. All'inizio degli anni '50.Iniziano a essere prodotti alimentatori ausiliari a base di ferrite.

Negli anni '50. In Giappone iniziò la produzione commerciale di ferriti magnetiche dure, che erano più economiche delle leghe YUNDK, ma inferiori ad esse in termini di energia magnetica specifica. Risale allo stesso periodo l'inizio dell'utilizzo dei nastri magnetici per immagazzinare informazioni nei computer e per registrare trasmissioni televisive.

Negli anni '60 del secolo scorso. è in corso lo sviluppo di materiali magnetici a base di composti di cobalto con ittrio e samario, che nel prossimo decennio porteranno all'implementazione industriale e al miglioramento di materiali simili di vario tipo.

Negli anni '70 del secolo scorso. lo sviluppo di tecnologie per la produzione di film magnetici sottili ha portato al loro uso diffuso per la registrazione e la memorizzazione di informazioni.

Negli anni '80 del secolo scorso. inizia la produzione commerciale di magneti sinterizzati basati sul sistema NdFeB. Nello stesso periodo iniziò la produzione di leghe magnetiche amorfe e, poco dopo, nanocristalline, che divennero un'alternativa al permaloide e, in alcuni casi, agli acciai elettrici.

La scoperta nel 1985 dell'effetto di magnetoresistenza gigante nei film multistrato contenenti strati magnetici spessi nanometri ha gettato le basi per una nuova direzione nell'elettronica: l'elettronica di spin (spintronica).

Negli anni '90 del secolo scorso. I composti basati sul sistema SmFeN sono stati aggiunti allo spettro dei materiali magnetici duri compositi e nel 1995 è stato scoperto l'effetto tunnel della magnetoresistenza.

Nel 2005è stato scoperto l'effetto di magnetoresistenza del tunnel gigante. Successivamente sono stati sviluppati e messi in produzione sensori basati sull'effetto della magnetoresistenza gigante e tunnel, destinati all'uso in testine combinate di registrazione/riproduzione di dischi magnetici rigidi, in dispositivi a nastro magnetico, ecc. Sono stati creati anche dispositivi di memoria ad accesso casuale.

Nel 2006 è iniziata la produzione industriale di dischi magnetici per la registrazione magnetica perpendicolare. Lo sviluppo della scienza, lo sviluppo di nuove tecnologie e attrezzature consentono non solo di creare nuovi materiali, ma anche di migliorare le caratteristiche di quelli precedentemente creati.

L'inizio del XXI secolo può essere caratterizzato dalle seguenti principali aree di ricerca relative all'uso dei materiali magnetici:

• nell'elettronica: riduzione delle dimensioni delle apparecchiature grazie all'introduzione di dispositivi piatti ea film sottile;

• nello sviluppo di magneti permanenti - sostituzione di elettromagneti in vari dispositivi;

• nei dispositivi di archiviazione - riducendo le dimensioni della cella di memoria e aumentando la velocità;

• nella schermatura elettromagnetica - aumentare l'efficienza degli schermi elettromagnetici in un'ampia gamma di frequenze riducendone allo stesso tempo lo spessore;

• negli alimentatori - ampliando i limiti della gamma di frequenze in cui vengono utilizzati materiali magnetici;

• in mezzi liquidi disomogenei con particelle magnetiche - ampliando le aree della loro effettiva applicazione;

• nello sviluppo e nella creazione di sensori di diverso tipo — ampliando la gamma e migliorando le caratteristiche tecniche (soprattutto la sensibilità) attraverso l'uso di nuovi materiali e tecnologie.