Биполярное устройство: что могут тонкопленочные магниты

Фото Corbis
Вся современная электроника строится на магнитных металлических стеклах, открытых в конце XX века

Материаловедение делит свойства металлов на физические и механические. Физические свойства — это те, при измерении которых образец не деформируется: не разрушается, не изгибается, не меняет своего размера и формы. Если образец подвергают деформации, то речь идет уже о механических свойствах.

Металлы, как говорил Ломоносов, — «светлые тела, которые ковать можно». Их физические свойства определяются тем, что у них есть свободные электроны. От этого металлы блестят, от этого они пластичны и хорошо проводят электрический ток. И, что очень важно, от этого некоторые из них обладают интересными магнитными свойствами, во многом определяющими лицо нашей электротехники, электроники и приборостроения.

Например, электрический ток у нас в розетках получается в результате преобразования высокого напряжения в низкое — это достигается благодаря магнитным свойствам железа. Магнитные стрелки, компасы и ориентирующие приборы — все это основано на действии постоянного магнитного поля.

Магнитные металлы могут быть противоположны друг другу по своим характеристикам. Одни из них очень легко перемагничиваются — с частотой 50 герц (они применяются в электротехнике), или даже с частотой в мегагерцы (это особые материалы для преобразования электрических сигналов, которые используются в радиотехнике).

Вторые же, наоборот, никакими силами не перемагничиваются и потому служат в качестве постоянных магнитов. Они известны очень давно, начиная с Древнего Китая. Постоянные магниты приводят в действие многие электрические машины, электромоторы и генераторы, используются для изготовления магнитных стрелок, чувствительных частей навигационных приборов и т. д.

До начала XX века магниты делались из стали, и их делали обязательно длинными, потому что, чем длиннее магнит, тем слабее его собственное размагничивающее поле. А еще лучше, если магнит загнут в подкову, чтобы сблизить полюса. Когда же в 80–90-е годы XX века открыли некоторые соединения редкоземельных металлов с железом и кобальтом, тогда появились первые магниты, у которых полюса можно сближать еще сильнее. Были изготовлены тонкопленочные магниты, у которых север и юг расположены очень близко. И тогда появилась возможность сделать печатный плоский электродвигатель. Такой электродвигатель, кстати, был сконструирован в нашей стране: его длина составила 2 миллиметра, а диаметр, по-моему, 2 сантиметра.

Кроме того, появились возможность сделать электродвигатель не круглым, а линейным. Впервые эту идею высказал еще в 1940 году английский инженер Польгрин, но до сих пор она была реализована только в Шанхае. Там германская фирма Siemens построила железную дорогу на магнитной подвеске, где рельсы сделаны из постоянных магнитов, ориентированных северным полюсом вверх. А на нижней стороны вагона установлены такие же магниты, который своим севером смотрят вниз. Благодаря силам отталкивания одинаковых полюсов магнита, вагон висит в воздухе и движется с огромной скоростью. При этом все совершенно справедливо восхищаются тем, что нет никакого трения, но мало кто обращает внимание на то, что мотором здесь является сам вагон.

Под вагоном стоит толстая медная шина, к которой приложено небольшое, но постоянное электрическое напряжение. И по известному со школы правилу правой руки, или правилу буравчика, магнитное поле направлено вверх, электрический ток течет под брюхом вагона поперек вагона, соответственно, возникает перпендикулярная сила, которая тащит вагон вперед. То есть вагон сам себя тащит — надо лишь пропускать электрический ток по этой медной шине. А для остановки достаточно снять с шины напряжение.

В принципе, можно сделать такие же маленькие линейные двигатели, которые будут бегать по микросхеме и её переключать. Там не будет никаких подшипников и будет очень удобно управлять. К сожалению, в нашей стране по понятным причинам эти работы в свое время прекратились и до сих пор не возобновились.

Общий вес магнитов, которые выпускаются за год по всему миру, очень мал по сравнению со сталью, — в тысячу раз меньше, — но их количество и значение огромно. Например, в стеклоподъемниках автомобиля, в устройствах для определения степени обжарки курицы в микроволновой печи, в пластиковых банковских картах — везде используются магниты.

До 80-х годов XX века в качестве самых лучших магнитомягких материалов — тех, которые легко перемагничиваются, — использовались сплавы железа с никелем. Но у них есть серьезный недостаток: они очень нежные, очень мягкие сами по себе. Поэтому их магнитные свойства очень легко испортить: если уронить магнитный сердечник на пол, даже на ковер, он уже испортится.

И вот в 80-е годы XX века нашли такие материалы — ферромагнитные, которые удивительным образом сочетают в себе свойства магнитной мягкости (то есть могут перемагничиваться при частотах внешнего поля в мегагерцах и при радиочастотах) и механические свойства высокопрочных сталей: их сломать вообще невозможно. Они изготавливаются на основе железа. Они непрозрачные, выглядят как хороший металл, очень хорошо блестят и плохо ржавеют. При этом у них нет кристаллической решетки, из-за чего их назвали «металлическими стеклами». Они получаются очень простым способом — закалкой металлической жидкости. Жидкий сплав на основе железа или кобальта выливают на быстро вращающийся медный барабан, и получается ленточка, которая имеет высокую прочность и, самое главное, высокие магнитные свойства.

Вся современная электроника строится именно на металлических стеклах, на этих ленточках. Это одно из достижений конца XX века, которое сейчас широко используется, и продолжает развиваться. Такое уникальное сочетание высокой механической прочности и низкой прочности магнитной, способность перемагничиваться наблюдается только в металлических стеклах.

Если рискнуть и немного заглянуть в будущее магнитных материалов, то можно предположить, что широкое распространение получат тонкопленочные магниты, а на их основе возникнет новая отрасль микроэлектротехники - с микророботами, грубо говоря, бегающими у нас по письменному или обеденному столу и выполняющими нужные нам действия. Можно предположить также создание совершенно новых гибких материалов для постоянных магнитов — тогда у микророботов и просто роботов появятся мышцы.

Вообще же, человечество использует магнитные свойства далеко не полностью, и тут многое еще впереди.

рейтинги forbes
Закрыть
Уведомление в браузере
Будь в курсе самого главного.
Новости и идеи для бизнеса -
не чаще двух раз в день.
Подписаться