На самом деле люди сначала не научились изготавливать магниты — они научились их находить. Самыми ранними магнитами были природные магнитные камни — lodestone, то есть намагниченный магнетит (Fe₃O₄).
Изобретение компаса
Такой камень сам по себе притягивает железо и «указывает направление». Именно отсюда появился один из самых практичных прорывов человечества — идея компаса. Исторически раннее использование компаса прежде всего связано с Китаем, где с помощью магнитного камня научились определять направление задолго до современной навигации.
Следующим шагом стало понимание того, что железо и сталь можно намагничивать. Сначала это делали довольно просто — металл натирали магнитным камнем или держали в магнитном поле, пока магнитные области внутри металла не выстраивались в одном направлении. Однако эти ранние стальные магниты были нестабильными: тепло, удары и время ослабляли их магнитные свойства.
Промышленный скачок
В XX веке мир магнитов стал по-настоящему промышленным, и производство магнитов развивалось в трёх революционных направлениях.
Алюминиево-никелево-кобальтовые магниты (AlNiCo) обладали большей силой притяжения и были устойчивы к высоким температурам, благодаря чему нашли применение в приборах и механизмах.
Ферритовые, или керамические, магниты позволили вывести магниты в массовое использование. Они дешёвые, устойчивы к коррозии и хорошо подходят, например, для динамиков и простых двигателей. Однако недостатком ферритовых магнитов является их меньшая максимальная магнитная сила.
Современный прорыв произошёл с использованием редкоземельных металлов. Например, магниты на основе самария и кобальта (SmCo) обладают очень высокой магнитной силой и отличной термостойкостью, но стоят очень дорого. Самое широкое распространение получили магниты неодим–железо–бор (NdFeB), особенность которых — очень большая магнитная сила при маленьком размере. Поэтому такие магниты используются повсюду — от наушников до моторов электромобилей.
Основные виды магнитов и их применение:
- Феррит — колонки, простые моторы, магнитные замки, крепления
- AlNiCo — измерительные приборы, сенсоры, двигатели специального назначения
- SmCo — авиация, медицина, решения для высоких температур
- NdFeB — электромобили, ветрогенераторы, жёсткие диски, инструменты, небольшие, но мощные крепления
- Электромагниты (катушка + сердечник) — подъёмные магниты, реле, сепараторы, промышленная сортировка; их преимущество в том, что магнитную силу можно включать и выключать.
Сверхспособности редкоземельных металлов
В современной промышленности очень много говорят о редкоземельных металлах и их важной роли в технологиях. И в магнитах без них тоже не обойтись — именно они придают магнитам настоящие суперспособности.
Например, неодим (Nd) (часто вместе с празеодимом, Pr) — основная сила магнита NdFeB: он обеспечивает высокую намагниченность и позволяет получать большую энергетическую отдачу. Диспрозий (Dy), а иногда и тербий (Tb), добавляют главным образом для того, чтобы магнит не терял свои свойства при нагревании. Это критически важно, например, для электродвигателей и ветряных турбин. Самарий (Sm) является ключевым элементом магнита SmCo, который обеспечивает превосходную термостойкость и стабильность.
Таким образом, история магнитов прошла путь от природного магнитного камня до современного прецизионного материала, в котором прочность, термостойкость и надежность достигаются за счет сплавов, микроструктуры и редкоземельных элементов. И чем больше мир электрифицируется, тем важнее становится невидимая сила магнитов.