Делаем магниты на холодильник (и не только) из подручных, бросовых и природных материалов

Неодимовые магниты – самый мощный на сегодняшний день магнитный материал нового поколения, который нашел широкое применение во многих отраслях науки и техники, а также в быту. Каждый из нас сегодня может столкнуться с ними в повседневной жизни, будь-то покупка держателей на холодильник, наушников, металлоискателя или же компьютерного жесткого диска, в котором они также используются.

Неодим – активный и достаточно твердый редкоземельный металл, который в соединении с железом и бором приобретает невероятно высокую способность к намагничиванию. Из этого сплава NdFeB, впервые полученного в 1982 году, и изготавливают неодимовые магниты различных форм и размеров. Сильные маленькие магнитики, скорее всего, прямо сейчас находятся возле вас, например, в вашем компьютере или смартфоне.

На что способны неодимовые магниты?

Их главное преимущество перед ферритовыми и другими постоянными магнитами, известными человеку, заключается в высокой эффективности создаваемого магнитного поля, которая выше чем у аналогов примерно в 10 раз. При этом процесс их размагничивания происходит очень медленно – всего на 5% каждые 100 лет, соответственно и срок их службы практически неограничен, то есть они являются «постоянными» в прямом смысле этого слова.

Благодаря мощной силе сцепления с металлами неодимовые магниты могут удерживать предметы, которые в 50 и даже в 100 раз превышают их собственный вес. Например, чтобы отцепить магнитный кубик со стороной 5 мм от металлоизделия потребуется приложить усилие в 1 кг. Крошечные дисковые или прямоугольные магнитики можно использовать в качестве магнитных держателей для предметов, отказавшись от привычных способов крепления, таких как привинчивание или приклеивание.

Вы знали?

Магнит диск диаметром 8 мм и толщиной 5 мм весит всего 2 грамма и при этом создает усилие более 1,7 килограмма!

Определение

Что такое магнит? Это материал, имеющий определенную степень намагниченности. Эта способность возникает благодаря тому, что молекулы магнита имеют свое поле и движутся не хаотично, как во многих других веществах, а строго в двух направлениях. Эта взаимная противоположность обладает свойствами притяжения и отталкивания металлических предметов. Если попробовать соединить магниты с одинаковыми полюсами, то можно почувствовать отторжение. Противоположные стороны, в свою очередь, притянутся друг друга. Это связано с тем, в каком направлении движутся волны магнитных полей. Стоит отметить, что ни один кусок магнита не может быть однополярным. При его разламывании молекулы в каждом кусочке снова образуют северный и южный полюса.

Сила сцепления магнита на отрыв и сдвиг

Неодимовый магнит в качестве вешалки
Сила сцепления – важная характеристика неодимового магнита, на которую следует обращать внимание при его выборе. Важно подбирать изделие с определенным запасом по мощности. Существует два вида силы сцепления: на отрыв и на сдвиг. Какая из двух характеристик важнее, зависит от задач, которые магнит выполняет.

• Сила сцепления на отрыв
  – это усилие, которое необходимо приложить, чтобы оторвать магнитный материал от поверхности. В характеристиках изделия указана его сила притяжения в идеальных условиях, при которых он полностью прилегает к гладкому ровному стальному листу толщиной не менее 20 мм и отрывается от него под прямым углом. Поскольку на практике условия далеки от идеальных, то и удерживающая сила в реале будет ниже заявленной.
• Сила сцепления на сдвиг
  применима, когда магнит перемещается вдоль поверхности изделия. Этот параметр составляет примерно 15-50% от силы на отрыв. Если нагрузка выше заявленной характеристики, то предмет будет съезжать по вертикальной поверхности. Например, магнит прямоугольник 20х10х4 мм выдерживает нагрузку на отрыв 4 кг, но при использовании на сдвиг его предельная нагрузка будет равняться 1,8 кг. Для многих применений сила на сдвиг является основной характеристикой неодимового магнита.

Сцепная сила зависит от многих факторов. Например, на шероховатой поверхности она несколько ниже, чем на гладкой и ровной поверхности. Чем тоньше металл, на который крепится магнит, тем слабее он будет держаться. Предметы не всегда полностью прилегают к магнитной поверхности, и чем больше площадь их соприкосновения, тем сильнее притяжение.

Но есть и другие факторы, про которые не стоит забывать. Например, не все металлы и сплавы магнитятся одинаково. Если изделие окрашено, имеет полимерное покрытие или ржавчину, то сила сцепления тоже несколько снизится. Также необходимо обращать внимание на класс сплава неодима. Чем больше его порядковый номер, тем выше магнитная энергия. Например, N45 > N38.

Таким образом, сила сцепления магнита зависит от следующих основных факторов:

• размера изделия;
• класса магнитного сплава;
• способа крепления – на отрыв или на сдвиг;
• толщины и шероховатости металлического основания;
• площади прилегания контактных поверхностей;
• наличия лакокрасочных покрытий и ржавчины.

Чтобы было легче разъединить два магнита, прилагайте усилие не на отрыв, а на сдвиг.

Магнитотерапия

Нередко применяется физиотерапия магнитом. Что это такое? Эта процедура называется магнитотерапия и проводится в лечебных целях. Действие этого метода заключается в том, чтобы повлиять на организм пациента с помощью магнитных полей, находящихся под низкочастотным переменным или постоянным током. Этот метод лечения помогает избавиться от многих заболеваний, снять боли, укрепить иммунную систему, улучшить кровоток.

Считается, что болезни порождаются нарушением магнитного поля человека. Благодаря физиотерапии организм приходит в норму и общее состояние улучшается.

Из данной статьи вы узнали, что такое магнит, а также изучили его свойства и сферы применения.

Что такое класс неодимового магнита?

Озадачены тем, что означают буквы и цифры в маркировке магнита? – Буква «N» – это марка сплава, а стоящая за ней цифра обозначает класс – максимальную магнитную силу в мегаГаусс-Эрстедах (1 мегаГаусс-Эрстед ≈ 0,8 кгс). В продаже, как правило, встречаются изделия из материала от N35 до N52. Наиболее популярные классы N38 и N45. Более высокие классы следует использовать там, где требуется очень сильное сцепление, а доступное место для магнита ограничено. В противном случае выгоднее использовать два магнитных держателя N38 вместо одного N52.

Таблица. Сплавы и их магнитные свойства.

Высокая рентабельность бизнеса

Предпринимательская идея, сутью которой является производство магнитов, обладает рентабельностью, равной 100 процентам. И это даже при учете минимальных цен, которые будут формироваться на изделия. На одном листе формата А4 можно будет сделать около 8 магнитиков. Стоимость таких сувениров будет варьироваться в диапазоне от 50 до 100 рублей. Себестоимость изготовленного магнита при этом не будет превышать и 40 рублей.

Организовать бизнес по производству магнитов не слишком сложно. От предпринимателя не потребуется приобретать слишком дорогое оборудование и вкладывать слишком много денег на первоначальном этапе. Даже с помощью простого компьютера и принтера в современных условиях можно распечатать рисунок высокого качества.

Влияние температуры на магнитные свойства

Магниты из неодима «любят» холод, причем их эффективность не ослабевает даже при -130°С. В характеристиках продукта производители обязательно указывают максимальную температуру эксплуатации. Это та температура, при превышении которой магнитный материал начинает терять свой магнетизм, временно или навсегда.

Все марки N (Normal) обычно работают при температуре до +80°С и теряют, как правило, 0,11% энергии при превышении температуры на 1°С. Небольшие потери будут восстановлены при охлаждении, но частые циклы нагрева и охлаждения приведут к ухудшению магнитных характеристик. Кроме того, быстрый переход от холода к теплу может привести к поломке или растрескиванию магнита.

Как сбывать свою продукцию

Как всегда, вопрос сбыта продукции – это самый сложный этап бизнеса. Нельзя сказать, что магниты на холодильник – это самый ходовой товар, но ведь многие люди на этом зарабатывают, и неплохо зарабатывают. А раз смог кто-то, то почему не сможете вы?

Итак, куда можно сбыть свою продукцию?

Во-первых, это могут быть журнальные киоски, с которыми нужно заключить договор. Во-вторых, – свадебные агентства, которым можно предложить свои услуги для производства небольшой партии магнитов, приуроченных к памятному событию.

Производственные предприятия, занимающиеся выпуском абсолютно любой продукции, в которой можно разместить сувенирный рекламный магнит. Наверняка, такие магниты на холодильник попадались многим из читателей в пачках чая, в шоколадках, на бутылках с растительным маслом, и т.д.

Небольшие оптовые партии можно реализовывать через интернет. Для этой цели можно создать собственный интернет-ресурс. Главное, помните – в этом деле достичь успеха вам поможет ваше воображение и креативность. Желаем успехов!

Где можно применять неодимовые магниты?

С момента создания они уверенно несут пальму первенства самых мощных и устойчивых к размагничиванию магнитов. Без них многие последние научные разработки в области моторостроения, медицины и электроники были бы невозможны. Они также полезны для дома, офисной работы, хобби, моделирования и изготовления ювелирных украшений.

Примеры использования в быту – полезные идеи

• Для фиксации табличек, вывесок, крючков, полочек, фотографий, художественных работ, других интерьерных элементов.
• В качестве держателей москитных сеток, шурупов на различных инструментах, сувениров или записок на холодильник.
• Для организации хранения инструмента в мастерской, ключей, ножей, разных мелочей.
• Для сбора мелких металлоизделий в труднодоступных местах, уборки металлического мусора.
• Очистка моторного и трансмиссионного масел.
• Обследование стен на наличие внутри метизов.
• В качестве фиксаторов дверей шкафов, лючков, крышек шкатулок.
• Изготовление приспособлений для мытья окон с внешней стороны.
• Мелкие магнитики используют при изготовлении открыток и папок ручной работы, ювелирных украшений, застежек на сумки.
• При проведении экспериментов и фокусов.
• Крепежными магнитами можно закрепить фонарь в нужном положении, предметы на кузове автомобиля, укрывающий технику брезентовый чехол, скатерть на уличном столе.
• Изготовление магнитных подхватов для штор.
• В рукоделии, моделировании и творчестве для скрепления деталей.

Закрепить магниты на неметаллических материалах можно разными способами – приклеить к основе, вшить в ткань или кожу, можно воспользоваться изолентой или скотчем. Для приклеивания подойдет любой термопластичный или эпоксидный клей типа “Момент”.

Мастер-класс 4. Магниты из пластиковых мини-игрушек

Самые стильные магниты легко сделать из пластиковых игрушек, а именно фигурок животных.

Материалы и инструменты:

• Ножницы или острый нож;
• Термо-клей в пистолете;
• Краска и кисть при необходимости;
• Маленькие магниты;
• Пластиковые фигурки животных.

Инструкция:

1. Разрежьте игрушку пополам или вдоль.
2. Залейте во внутреннюю часть получившейся заготовки горячий клей до самых краев и оставьте сохнуть.

1. Когда клей застынет, приступайте к покраске поделки (включая «наполнение») в 1-3 слоя. В конце ее можно дополнительно покрыть лаком.
2. Теперь просто приклейте к фигурке магнит и наслаждайтесь результатом!

Меры безопасности при работе с сильными магнитами

Неправильное обращение с мощными магнитами может привести к травмам и повреждениям, опасным для жизни. При притягивании друг к другу они движутся с большим ускорением и могут защемить пальцы или сделать вмятину на легко повреждаемой поверхности. Неодимовые изделия очень хрупкие, а при ударах, падении от них откалываются острые осколки. Никогда не пытайтесь расколоть, разрезать или просверлить их. Продукты сверления могут легко воспламениться. Магниты влияют на работу некоторых приборов, магнитных носителей, кардиостимуляторов. Не кладите их рядом с кредитными картами, телефонами, электронными устройствами, механическими часами, ЭЛТ-мониторами, телевизорами, дискетами, кассетами. Держите их в недоступном для детей месте (!).

Какие бывают сувенирные магниты

В первую очередь магниты можно разделить на:

1. Рельефные
2. Плоские
3. Объемные

Следующий критерий классификации – материал изготовления. Это может быть:

• Металл
• Стекло
• Дерево
• Пластик
• Керамика
• Резина
• Мех
• Бумага

– практически любой материал, который поддается обработке.

Кстати, если в недавнем прошлом производство сувенирных магнитов осуществлялось ограниченным количеством предприятий, то сегодня это занятие под силу организовать даже школьнику. Благо купить составляющие для самого простого магнита – виниловую подложку с ферромагнитной поверхностью можно без проблем. А создать собственный рисунок и распечатать его на принтере сможет даже дошкольник.

Ферромагнитные материалы в настоящее время заменили использовавшееся ранее намагниченное железо, что позволило расширить возможности изготовления сувенирных магнитов.

Где купить неодимовый магнит?

Неодимовые магниты различных форм, размеров и удерживающей силы предлагает , центральный магазин-склад которой расположен в Санкт-Петербурге. Для ознакомления с ассортиментом и подробными техническими характеристиками магнитных изделий из неодима предлагаем перейти по ссылке.

Виды и форма неодимовых магнитов

Виды магнитов, доступные для заказа через сайт:

• диски;
• кольца;
• прямоугольники;
• квадраты;
• прутки (цилиндры);
• диски и пластины с зенкованным отверстием под шуруп.

Неодимовый диск – универсальная форма магнитного крепежа, который обладает силой сцепления до 55 кг, применяется в качестве держателя или фиксатора. Его разновидность – диск с отверстием под саморез используется, когда необходимо зафиксировать магнитный держатель на деревянной, пластиковой или бетонной поверхности (стене, шкафу, панели) для последующего хранения ключей или других железных мелочей.

Магниты в форме кольца (шайбы) нашли применение в сувенирной, рекламной продукции, изделиях с магнитными замками и фиксаторами. Их можно привязать к веревке и использовать для очистки жидкостей и сыпучих продуктов, поиска метизов в воде. Магниты прутки (стержни) и прямоугольники широко применяются для создания бытовых магнитных креплений, дверных защелок, а также в моделизме, рекламе, электронике.

Большая часть потребителей покупает неодимовые магниты в Китае, так как именно эта страна является лидером по добыче и производству неодима. Сегодня нет необходимости заказывать их на AliExpress и долго ждать доставку. оптом поставляет эту продукцию в Россию, а цена на неодимовые магниты не выше, чем на китайском сайте. Маленькие дисковые магнитики диаметром от 3 до 10 мм можно приобрести по цене от 5 до 20 рублей. Средние модели диаметром 20-30 мм обойдутся не дороже 100 рублей. Стоимость самых мощных и больших магнитов не превышает 2000 рублей.

Применение ферритовых магнитов

Ферриты считаются самыми популярными магнитами среди постоянных видов. Благодаря стронцию, входящему в состав, материал не поддается коррозии. Так что это такое — ферритовый магнит? Где он применяется? Этот сплав довольно хрупок. Поэтому его еще называют керамическим. Применяется ферритовый магнит в автомобилестроении и промышленности. Используется в различной технике и электроприборах, а также бытовых установках, генераторах, системах акустики. При производстве автомобилей магниты используют в системах охлаждения, стеклоподъемниках и вентиляторах.

Назначение феррита — защитить технику от внешних помех и не допустить порчи сигнала, получаемого по кабелю. Благодаря этому свойству магниты используют при производстве навигаторов, мониторов, принтеров и другого оборудования, где важно получить чистый сигнал или изображение.

Что можно поймать

Со дна озер и рек часто поднимают фрагменты памятников истории – ножи, оружие времен Великой Отечественной войны. Магнит с хорошей силой притяжения вытянет спрятанные клады в колодцах и помойных ямах. Из Днепра неоднократно поднимали казацкие шашки. Все изделия, в составе которых есть железо и ферромагнитные металлы, будут притянуты к магниту.

Чистое золото не примагничивается, однако в составе таких украшений есть и лигатура (смесь для придания прочности). К примеру, в изделиях 585 пробы содержится 41,5% иных металлов, в т. ч. и никеля, который отлично притягивается.

Найти также можно и серебро, но не все его разновидности могут быть подняты. Сервизы прошлых веков, с добавлением лигатуры часто добывают с глубин многовековых озер.

Нержавеющая сталь магнитится в разной степени, все зависит от добавленных сплавов. Не притянется алюминий, латунь, бронза, олово, свинец и медь.

Часто в своих находках можно обнаружить металлические герметичные цилиндры, которые носили немецкие солдаты. Они хранили в них свои ценности.

Места для поиска реликвий

Идеальными местами поиска являются военные переправы и многовековые мосты. Ценные находки можно обнаружить при исследовании мельничных омутов и дореволюционных колодцев. Удивляют своими артефактами сливные, помойные ямы и привокзальные туалеты.

Поиск ценных монет

К магниту не притянется только дешевая царская мелочь, а вот монеты среднего номинала, изготовленные с примесью никеля и хрома обрадуют своего кладоискателя. На дорогие монеты рассчитывать не стоит, т.к. изготавливались они из золота и серебра, а значит примагничиваются очень слабо.

Аксессуары к поисковым магнитам

Благодаря правильному использованию, транспортировке и хранению, поисковый магнит прослужит долго и не утратит свои свойства раньше срока. Аксессуары защищают агрегат от воздействия внешней среды, обеспечивают эффективное использование и перевозку.

Веревки для поисковых магнитов

Китайский шнур и бельевая веревка – первый шаг к провалу. Они лишь на вид очень прочные, а на практике порвутся при первом же погружении. «Авария» случится даже если предмет слишком тяжелый или попросту зацепился за корягу.

Для того, чтобы на первой «рыбалке» не потерять магнит, нужно использовать очень прочную веревку. При выборе важно учитывать ее характеристики. К примеру, если в поиске участвует магнит, способный вытащить предмет весом в 400 кг, то разрывная способности шнура должна быть не меньше. Особое внимание следует уделить и диаметру, он должен быть не менее 0,4-0,5 см. А вот длина зависит от масштабов поисков, большим спросом пользуется веревка 10-15 метров.

Способы привязать поисковый магнит

Главный секрет успеха – правильная шнуровка. Изначально нужно привязать магнит узлом «констриктор», чуть повыше использовать хирургический, а закрепить все это академическим. Стянуть, прижечь конец. Повязать шнур на руке, чтобы не упустить при забросе.

Магнит чувствует электрическое поле

А. П. Пятаков, кандидат физико-математических наук

А. К. Звездин,
доктор физико-математических наук
«Химия и жизнь» №5, 2013

Куда ни кинь взгляд, всюду — магнит. Когда-то школьникам рассказывали только про компас, позже — про применение в промышленности, в последнее время заговорили о будущем поезде на магнитной подвеске. Хотя можно было бы сказать, что любой электродвигатель и любой трансформатор — электромагнит. Сегодня убедить читателя в важности магнитов стало проще: достаточно сказать, что магнит почти наверняка есть у него дома (на дверце холодильника и в микроволновке), в кармане (в сотовом), десятки магнитов — в компьютере и автомобиле. В промышленности и медицине их вообще не счесть, и физика элементарных частиц без них не обходится — они стоят и по всему периметру ускорительного кольца, и в большинстве детекторов элементарных частиц.

Есть постоянные магниты, есть электромагниты. Постоянные имеют один большой плюс — не потребляют энергию, и несколько минусов — их поле нельзя регулировать (а если можно, то медленно — механически перемещая), и оно не может быть очень сильным. Электромагниты свободны от этих недостатков, но зато у них есть тот, которого нет у постоянных магнитов, — они потребляют энергию, и много потребляют. Иногда говорят, что проблему решают электромагниты со сверхпроводящими обмотками, как у Токамака. Но, во-первых, ни жидкого гелия, ни жидкого азота на Земле из озера не зачерпнешь, а во-вторых, магнитное поле таких электромагнитов тоже трудно регулировать.

Возникает идея: скрестить электрическое и магнитное поле, найти вещество или создать материал, при помещении которого в электрическое поле он становится магнитом, а в магнитном поле, наоборот, проявляет электрические свойства. О таких веществах рассказывается в статье А. П. Пятакова и А. К. Звездина из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и Института общей физики им. А. М. Прохорова.

Переменный постоянный магнит

Магнитные и электрические явления известны с античных времен, но связать их между собой удалось намного позже, уже после работ классиков электромагнетизма: Эрстеда, Ампера, Фарадея, Максвелла. Вслед за Ампером магнитные свойства постоянных магнитов стали объяснять «молекулярными» токами, текущими внутри вещества в каждой молекуле. Хотя природа молекулярных токов долгое время оставалась непонятой, сама возможность вечного движения зарядов внутри вещества казалась многообещающей (такая возможность реализуется и в сверхпроводниках, но при низких температурах). Если бы с помощью электрического поля удалось воздействовать на молекулярные токи, то можно было бы управлять постоянными магнитами практически без потерь энергии.

Слева направо

: Пьер Кюри (1859–1906), Бернард Теллеген (1900–1990), Л. Д. Ландау (1908–1968) (
справа
) и Е. М Лифшиц (1915–1985), И. Е. Дзялошинский (
слева
) и Д. Н. Астров, Джордж Радо, Г. А. Смоленский (1910–1986)

В 1884 году французский физик Пьер Кюри высказал мысль, что существование таких молекул и веществ, которые намагничивались бы под действием электрического поля, не противоречит известным законам. Американский инженер-электроник Бернард Теллеген позже предложил создать композит — магнитоэлектрическую среду в виде взвеси, где плавали бы частицы, представлявшие собой магнитики, сцепленные с кусочками электрета. А электрет — это вещество, которое можно «зарядить» внешним электрическим полем, и оно после этого долго, например годы, создает вокруг себя электрическое поле, как магнит — магнитное. Электретами являются многие хорошие диэлектрики, однако материалы, сочетающие в себе свойства и электрета и магнита, ни найдены, ни созданы не были. Хотя название для них придумали — «магнитоэлектрики».

Дело сдвинулось с мертвой точки, когда Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц указали, что магнитоэлектрики надо искать среди антиферромагнетиков, то есть кристаллов, состоящих из противоположно намагниченных подрешеток (рис. 1). И. Е. Дзялошинский назвал в 1959 году конкретное соединение — Cr2O3, и через год магнитоэлектрический эффект в этом материале был обнаружен Д. Н. Астровым. За несколько лет до того американские ученые в группе профессора Джорджа Радо пытались обнаружить магнитоэлектрические свойства у различных веществ, но поиски оказались безрезультатными, поскольку они не знали о работах Ландау, Лифшица и Дзялошинского — переводы книг и статей выходили с задержкой. Узнав об открытии Астрова, они продемонстрировали на Cr2O3 и обратный эффект — электрическую поляризацию, наводимую магнитным полем.

Рис. 1.

Антиферромагнетизм. Идею антиферромагнитного упорядочения предвосхитили рисунки Мориса Эшера, например «День и ночь» (
а
), в соседних узлах кристаллической ячейки магнитные стрелки (моменты) ионов направлены противоположно (
б
)

В это же время в ленинградском Физико-техническом институте, в группе Г. А. Смоленского, вели поиск магнитных сегнетоэлектриков. Обычный сегнетоэлектрик — это вещество, которое само по себе, без участия внешнего воздействия, создает и внутри себя, и снаружи электрическое поле, то есть в некотором смысле электрический аналог постоянного магнита. А магнитный сегнетоэлектрик — материал, в котором бы при отсутствии внешних полей наблюдались бы и намагниченность, и электрическая поляризация. Предполагалось замещение магнитными элементами ионов в уже известных сегнетоэлектриках, и первый «сегнетомагнетик» (или «мультиферроик», как теперь называют эти материалы) получился «сложносочиненным», это был твердый раствор (1–x)Pb(Fe2/3W1/3)O3 — xPb(Mg1/2W1/2)O3.

Сегнетомагнетики и мультиферроики: термины-химеры

На свое несчастье Духов я призвал. И. В. Гёте, «Ученик чародея»
Три класса ферроиков: сегнетоэлектрические, магнитные и сегнетоэластические вещества. На пересечении этих множеств лежат мультиферроики

Многие привычные слова представляют собой подобие мифологической химеры — животного с головой льва, туловищем козы и хвостом змеи. Так слово «автобус» получилось соединением частей слов «автомобиль» и «омнибус» (от лат. omnibus

— всем, для всех). Похожим образом термин «сегнетомагнетик» составлен из двух слов «сегнетоэлектрик» и «ферромагнетик». Слово «сегнетоэлектрик» происходит от первого обнаруженного вещества, в котором существует поляризация в отсутствие электрического поля (спонтанная электрическая поляризация), — сегнетовой соли, названной по имени французского аптекаря Сеньета (
Seignette
). А есть и другое чудо — вещества, в которых при понижении температуры кристалл, оставаясь целым, разбивается на домены — области с разной ориентацией кристаллической решетки (это называется структурным фазовым переходом). Таким образом, слово «сегнетомагнетик» уже представляет собой довольно странный гибрид, но еще более «химеричен» термин «мультиферроик».

Химера античной мифологии

В англоязычной научной литературе названия всех этих трех классов веществ начинаются с приставки «ферро»: ferromagnetics

,
ferroelastics
,
ferroelectrics
, хотя железо здесь ни при чем. Это не помешало, однако, в середине прошлого века японскому ученому Кейчиро Айдзу назвать все три класса общим термином «
ferroics
» — ферроики. Похожая история произошла в английском языке: кусочек от «омнибуса» перекочевал в «автобус», а потом
bus
стал самостоятельным словом, означающим кроме автобуса еще и канал передачи данных.

В случае ферроиков история имела продолжение: в начале девяностых годов прошлого века из бутылки был выпущен новый джинн — термин «мультиферроик» (от лат. multi

— много) — для обозначения вещества, которое одновременно принадлежит хотя бы двум классам ферроиков. В начале нашего столетия, когда появились новые среды с магнитными и электрическими свойствами, это слово неожиданно быстро завоевало признание и вытеснило «сегнетомагнетик», так что сам создатель неологизма, швейцарский ученый Ганс Шмид, когда речь заходит о придуманном им термине, вспоминает стихотворение Гёте, отрывок из которого приведен в качестве эпиграфа.

Перемешать или прослоить?

Позже нашли и более простые соединения, а особенно интересным оказался феррит висмута BiFeO3 (рис. 2). Большинство его замечательных свойств — следствие отличий от идеальной кубической структуры. Вращение кислородных октаэдров (рис. 2а) приводит к тому, что в этом антиферромагнетике магнитные стрелки соседних ионов уже не строго противоположны, образуя угол меньше 180 градусов. В результате они не полностью компенсируют друг друга, и появляется общая намагниченность кристалла (такие материалы называют слабыми ферромагнетиками). Электрические и магнитоэлектрические свойства обусловлены смещением ионов вдоль главной диагонали куба, а также искажениями октаэдра (рис. 2б). Кристалл феррита висмута способен также растягиваться в лучах света (рис. 2в) и превращаться в полупроводниковый диод под действием электрического поля (рис. 2г). Последнее превращение происходит из-за кислородных вакансий — заряженных дефектов, которые изменяют тип проводимости.

Рис. 2.

Кристаллическая структура феррита висмута:
в центрах кубов
находятся ионы железа,
в вершинах
— ионы висмута,
в центрах граней
— ионы кислорода: вращение кислородных октаэдров (
а
), смещение ионов вдоль диагонали куба и вызванное им искажение октаэдров — смещения ионов показаны
стрелками
(
б
), электрострикция в феррите висмута — растяжение образца под действием светового излучения, под стоваттной лампой относительное удлинение составляет около тысячной процента, что не так уж и мало для твердого тела (
в
), образование p-n перехода под действием электрического поля в результате перемещения кислородных вакансий (
г
)

Таких «высокотемпературных» магнитоэлектриков, как феррит висмута, совсем немного, едва ли больше десятка, да и те имеют существенный недостаток — заметную проводимость при комнатной температуре. Это сводит на нет главное достоинство магнитоэлектрического способа получения магнитного поля — при приложении электрического поля в таком веществе начнет протекать ток, а значит, расход энергии становится ощутимым. Поэтому в 70-х годах прошлого столетия были предприняты первые попытки создать искусственные композиционные магнитоэлектрические среды в виде смеси двух порошков (рис. 3а): магнитострикционные частички изменяли форму в магнитном поле, они воздействовали на частички пьезоэлектрика, а те, в свою очередь, при деформации электрически поляризовались.

Идея была замечательная, но эффект оказался малым и нестабильным. При перемешивании получались комки и сгустки, а образование каналов из проводящих магнитострикционных частиц приводило к «короткому замыканию» образца, а значит, и к отсутствию электрического напряжения. Тогда возникла идея «слоеного пирога» или сэндвича из магнитострикционного и пьезоэлектрического материалов, склеенных вместе (рис. 3б). Проводящие каналы теперь не образовывались, и магнитоэлектрический эффект стал в 50 раз больше, чем в Cr2O3. С помощью датчиков на сэндвич-структурах удавалось измерить магнитные поля в миллион раз меньшие, чем поле Земли, — такие создает наше сердце, перегоняя кровь по сосудам.

Когда структура влияет на свойства

Новый этап в создании композиционных материалов наступил с приходом современных технологий: теперь искусственные магнитоэлектрики изготавливают на чипах в виде пленок со столбчатыми наноструктурами (рис. 3в). Сэндвич-структуры в нанопленочном исполнении работают плохо — сцепление с подложкой-чипом не дает им свободно деформироваться, а столбики легко сжимаются и растягиваются в вертикальном направлении. Вдобавок такие структуры не надо было создавать специально, они «самоорганизуются» при одновременном осаждении на подложку двух веществ: магнитострикционного, например шпинели CoFe2O4, и пьезоэлектрического, например титаната бария BaTiO3 или феррита висмута BiFeO3. Изменяя кристаллографическую ориентацию подложки, можно выращивать как магнитострикционные столбики в пьезоэлектрической матрице, так и пьезоэлектрические столбики в магнитострикционной матрице (рис. 4).

Рис. 4.

Строение нанокомпозита зависит от кристаллографической ориентации плоскости подложки: подложка с ориентацией(001) (
а
), подложка с ориентацией (111) (
б
); кубики соответствуют кристаллам пьезоэлектрика, октаэдры — кристаллам магнитострикционного материала

Что же вынуждает две фазы осаждаться таким образом? То же самое явление, которое заставляет капельку воды расплываться на чистом стекле и скатываться в шарик на поверхности, натертой воском, — поверхностное натяжение. Если подложка вырезана перпендикулярно кристаллографическому направлению [001] (то есть оси z

системы координат), то вещество магнитострикционного материала не смачивает поверхность, собираясь в капли, которые потом вырастают в столбики, в то время как пьезоэлектрическая фаза смачивает подложку и обволакивает столбики, образуя матрицу. На подложке (111) всё происходит наоборот: внутри магнитострикционной матрицы растет столбчатая структура из пьезоэлектрика.

Когда характерные размеры наноструктур составляют несколько межатомных расстояний, фазы композита начинают влиять на внутреннее строение и свойства друг друга. Если слои титаната бария перемежать магнитным материалом с похожей кристаллической структурой, например манганита лантана с замещением кальцием La0.7Ca0.3MnO3, то получается искусственная магнитоэлектрическая среда: благодаря близкому соседству кристаллические структуры двух материалов подвергаются взаимным искажениям, что приводит к взаимодействию электрической и магнитной подсистем. То есть удалось не только создать наноструктурированный материал, но и осуществлять инженерию на атомном уровне, изменяя сами свойства веществ-компонентов.

А как же первоначальная идея Кюри о магнитоэлектрических молекулах? Ее можно реализовать в органических молекулярных нанокластерах Dy3, в которых магнитными атомами являются три атома диспрозия, образующие правильный треугольник (рис. 5а). В состоянии молекулы с наименьшей энергией (в основном состоянии) магнитные стрелки (моменты) ионов диспрозия ориентированы параллельно противолежащей стороне треугольника (рис. 5а). Если бы магнитных ионов было больше (как, например, в недавно синтезированном кластере Dy6), они бы образовали «карусель» из магнитных моментов (рис. 5б). Такое упорядочение называют «тороидным», поскольку круговой электромагнит можно создать, намотав провод на магнитный сердечник в форме бублика (тора). Структуры с тороидным упорядочением, следуя традиции обозначать любое упорядочение словом «ферро», называют «ферротороиками». Они обладают магнитоэлектрическим эффектом — приложение магнитного поля вызывает перераспределение магнитных моментов: число ионов, у которых магнитные моменты направлены по магнитному полю, возрастает. Смещение магнитных ионов влечет перераспределение зарядов, так что возникает электрическая поляризация. Однако с равной вероятностью реализуются и состояния молекулы, в которых магнитные моменты направлены по часовой стрелке, и состояния с направлением моментов против часовой стрелки, а в этих случаях магнитоэлектрический эффект будет противоположным. Так что остается проблема, как получать тороидные структуры с одним направлением вращения магнитных моментов.

Рис. 5.

Органический молекулярный нанокластер на основе редкоземельных ионов: взаимная ориентация магнитных моментов катионов диспрозия (
а
); при тороидном упорядочении магнитных моментов во внешнем магнитном поле H помимо намагниченности наводится электрическая поляризация P (
б
); для сравнения — тороидальный электромагнит (
в центре
)

Из монитора память не получится

Идея Теллегена о композите, состоящем из магнитоэлектрических частиц, которые вращаются в жидкости, была реализована с появлением первой модели электронных чернил — гирикона (от греч. «вращающееся изображение»). Гирикон — полимерная среда, в которую внедрены двухцветные сферические частицы из полиэтилена, вращающиеся внутри полостей с жидкостью (рис. 6). Полусферы частицы отличались не только цветом, но и электрическим зарядом. Поэтому их можно было ориентировать, прикладывая электрическое поле, и на белом фоне появлялись черные буквы. Когда же в частицы ввели магнитные примеси, электрическое поле стало управлять намагниченностью системы. Однако на вращение уходило около секунды, поэтому возникла идея «омагнитить» не электронную бумагу, а главную составляющую другого типа дисплеев — жидкие кристаллы.

Рис. 6.

Гирикон: полимер с внедренными черно-белыми сферическими частицами (
а
), магнитоэлектрический композит на основе гирикона: частицы-диполи вращаются в микрополостях с жидкостью. +/– электрические, S, N — магнитные полюса (
б
)

В жидких кристаллах нематиках (от греч. «нить») продолговатые молекулы располагаются вдоль одного направления (рис. 7а). Жидкокристаллические мониторы работают благодаря свойству молекул нематика ориентироваться вдоль поля (рис. 7б), но если примешать к жидкому кристаллу магнитные наностолбики, то они будут поворачиваться вместе с молекулами. Получился магнитный материал, управляемый с помощью электрического поля, причем он откликался на изменение электрического поля намного быстрее — частота переключения составляла килогерцы.

Рис. 7.

Жидкий кристалл с магнитными наностолбиками: в отсутствие электрического напряжения (а), при включении напряжения (б)

Это уже быстрее, но гирикон и жидкокристаллическая ячейка ни по размерам, ни по быстродействию не могут соперничать с элементами полупроводниковых микросхем, а значит, для устройств магнитной памяти не годятся. Вместо жидкого кристалла в устройствах магнитной памяти между электродами предлагали помещать слой твердотельного магнитоэлектрика, однако из-за малочисленности высокотемпературных магнитоэлектриков и больших токов утечки магнитоэлектрическая память пока еще далека от реализации.

«Умная пыль» собирает энергию

Миниатюризация электронных устройств — путь к созданию беспроводных сенсорных сетей, состоящих из множества датчиков, способных собирать, обрабатывать информацию и обмениваться ею между собой. Такие структуры иногда называют «умная пыль». Наиболее очевидные области применения — экологический и медицинский мониторинг, охранные системы. Но датчикам нужно питание, а с ним проблемы: если датчик находится внутри объекта (например, во вращающейся детали или в теле человека), то провод к нему не подведешь, батарейки недостаточно миниатюрны и долговечны, а солнечные батареи в темноте бесполезны.

Рис. 8.

Дистанционное питание датчиков: магнитоэлектрический преобразователь на основе пьезоэлектрического и магнитострикционного материалов, расположенных на подложке из сужающейся металлической пластины — волноводного акустического концентратора (
а
), узел беспроводной сенсорной сети с магнитоэлектрическим питанием (
б
)

Интересной альтернативой представляется energy harvesting

— получение энергии из окружающей среды. Это могут быть системы, накапливающие энергию механических, температурных колебаний или радиоволн, но поток энергии, поступающий от естественных источников, мал — меньше 1 мкВт/см2. Однако можно создать источник излучения, создающий в месте расположения датчиков переменное магнитное поле. Преобразовать энергию магнитного поля в электростатическую энергию заряженных конденсаторов можно с помощью магнитоэлектрического элемента, который состоит из слоев магнитострикционного и пьезоэлектрических материалов, расположенных на общей металлической подложке в форме сужающейся к одному концу пластины (рис. 8). Переменное магнитное поле вызывает периодическую деформацию магнитострикционной пластины на резонансной частоте. Эти механические колебания передаются подложке и распространяются по ней, так что при подходе к узкому концу возрастают концентрация акустической энергии и амплитуда колебаний. Колебания подложки передаются пластинкам пьезоэлектрика, и в них возникает переменное электрическое напряжение. Эта конструкция — разновидность магнитоэлектрического композиционного материала, однако при помощи акустического концентратора удается получить выигрыш в два раза по сравнению с традиционной многослойной структурой из скрепленных магнитных и пьезоэлектрических слоев.

Рис. 9.

Механические колебания кантилевера из пьезоэлектрического материала: преобразуются в электрическую энергию (
а
), пьезоэлектрический элемент для сбора энергии при ходьбе (
б
)

Для электропитания имплантатов в медицине, автономных датчиков, а также средств связи и мобильной электроники лучше использовать механическое движение или вибрации, например колебания упругой пластинки (в современных микромеханике и нанотехнологиях такие пластинки называют кантилеверами) из пьезоэлектрического материала (рис. 9а). Когда кантилевер, изготовленный из магнитоэлектрического композиционного материала, колеблется в магнитном поле Земли, магнитострикционный слой испытывает дополнительные деформации, которые передаются пьезоэлектрическому слою, и в результате амплитуда переменного напряжения достигает десятка вольт. Такое устройство предлагается использовать на подводных аппаратах и буях, где всегда есть океанские волны и магнитное поле Земли.

Здесь надо сделать еще одно замечание: частоты колебаний, встречающиеся в естественных условиях, невелики — герцы, максимум десятки герц. Это означает, с одной стороны, малую мощность, вырабатываемую агрегатом (мощность пропорциональна кубу частоты), с другой стороны — совсем не микроскопические размеры устройств, способных вибрировать на этих низких частотах. В результате зарядные устройства дают лишь микроватт в пересчете на кубический сантиметр. Лучших результатов ожидают от использования других видов колебательного движения: человеческого тела при ходьбе (расположенные в ботинке пьезоэлементы (рис. 9б) уже позволяют получать до 1 мВт/см3) и еще более высокочастотных вибраций мотора автомобиля — до 30 мВт/см3. Но в любом случае о замене аккумуляторов в сотовых телефонах речь пока не идет. Сам сбор урожая даровой энергии («energy harvesting

») напоминает известный процесс «по сусекам поскрести, по амбарам помести», и это объясняет, почему в таких случаях часто используют другой термин: «
energy scavenging
» (
scavenging
— уборка, утилизация мусора).

Проблема взаимосвязи магнитных и электрических явлений в твердом теле чрезвычайно многогранна, и в этой статье показаны лишь некоторые ее стороны. Эта область науки сейчас активно развивается, остается много непонятного, и неизвестные эффекты ждут своих первооткрывателей.

Литература:

1. Смоленский Г.А., Чупис И.Е. Сегнето-магнетики. «Успехи физических наук», 1982, 137, 415–448. 2. Eerenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials. «Nature», 2006, 442, 7104, 759–765, doi:10.1038/nature05023. 3. Пятаков А.П., Звездин А.К. Магнитоэлектрические материалы и мульти-ферроики. «Успехи физических наук», 2012, 182, 593–620.

В чем кроется особенность акриловых магнитов?

С каждым днем на холодильниках у многих людей все чаще можно увидеть акриловые магниты. Они достаточно красивые и оригинальные. Поэтому их популярность вполне объяснима. К тому же изготовление акриловых магнитов не слишком сложное. Они состоят всего лишь из двух частей:

1. Корпус, который служит заготовкой. В качестве материала используется прозрачный пластик – акрил.
2. Полиграфическая вставка.

В ходе создания магнита изображение просто вставляется в изготовленный ранее корпус и защелкивается. С помощью уже имеющихся в наличии заготовленных корпусов производство магнитиков из акрила происходит быстрыми темпами.