Железо — магнит

Все металлы в той или иной степени способны намагничиваться. Однако наиболее сильно подвержены этому такие металлы, как железо, никель, кобальт и гадолиний. Хорошо намагничиваются многие сплавы этих металлов: сталь, чугун и другие, получившие название ферромагнитных сплавов.

Способность притягиваться магнитом и самому быть магнитом — одно из удивительных свойств железа. Явление магнетизма известно с глубокой древности. Слово магнетизм происходит от названия горы Магнезии в Малой Азии. Здесь существовало богатое месторождение магнитного железняка. Практическое применение магнетизм получил значительно раньше, чем началось его научное исследование. Мореходы издавна пользовались компасом с магнитной стрелкой.

Явление магнетизма с давних пор вызывает интерес. В старинной книге “Зрелище природы и художеств” (1784 год) удивлялись: “Чудно, как магнит сообщает железу оную силу притягивать или подымать другое железо”.

Мыслители древности изучали таинственные свойства магнитного камня. Еще тогда пытались найти ему практическое применение, например для лечения людей.

Научное изучение магнетизма началось с изготовления магнитов. В 1755 году швейцарский ювелир Дитрих впервые изготовил подковообразный магнит. Электромагнит с железным сердечником изобрел в 1823 году самоучка, сын английского сапожника Стерджен. Его магнит состоял из одного слоя голого медного провода, навитого на лакированный железный сердечник. Американец Генри усовершенствовал электромагнит, навив на железный сердечник провод в несколько слоев. Генри изолировал сами провода вместо того, чтобы лакировать сердечник. Навивая на каркас все больше слоев проволоки, Генри делал более мощные электромагниты. В 1831 году он изготовил электромагнит, который мог поднимать 300 килограммов. Широкое практическое применение электромагниты нашли в XX веке. Размеры их, вернее сила притяжения, постоянно увеличивались.

Явление магнетизма широко используется в современной технике, в первую очередь в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике, где из ферромагнитных материалов изготовляют магнитопроводы генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной записи.

Современная металлургия производит самые различные магнитные материалы с особыми магнитными свойствами. Разработаны различные методы изготовления этих материалов подбором химического состава, режимов термообработки и специальных физико-химических методов очистки (отжиг в вакууме, в атмосфере водорода).

В современной промышленности широко используются электромагнитные плиты для перемещения металла в виде слитков, блюмов, чугунного и стального литья. Электромагнитные плиты надежно работают и при перевозке горячего металла. Грузоподъемность плит достигает 65 тонн. Каждый килограмм современного сверхпроводящего магнита создает магнитное поле, равное по силе полю двадцатитонного электромагнита с железным сердечником. Создание сверхустойчивых магнитов — важнейшая задача физиков.

Магнитными “руками” пользуются в самых различных областях техники. Например, в 5–8 раз сокращается вспомогательное время при работе на металлорежущих станках, если для крепления деталей вместо тисков использовать магнитные плиты и патроны.

Но в технике нередко используются детали приборов, изготовленные из немагнитного материала. Ранее для этой цели применяли цветные металлы — латунь, бронзу. Известно, что железо утрачивает магнитные свойства лишь выше точки Кюри (770°С). Это явление открыл Гильберт в 1600 году, обнаружив утрату магнитных свойств у стали при температуре красного каления.

Лишь в 1924 году в Англии был запатентован немагнитный чугун. В США его производили под названием “Номаг” и он явился ценным электротехническим материалом. Сплав имел высокое содержание никеля и марганца и был очень дорог.

Инженер И.А. Одинг, впоследствии академик (завод “Электросила”), в 1930 году запатентовал немагнитный чугун с пониженным содержанием никеля и марганца. Но из-за снижения содержания марганца для получения немагнитных изделий приходилось подвергать их закалке в воде при температуре свыше 1000°С. Усложнение технологии мешало распространению нового чугуна. В результате исследований в одном из институтов нашли оптимальный состав немагнитного чугуна без никеля. Чугун получали простым и дешевым способом.

В 20-х годах XX века была получена немагнитная сталь. Теоретически чистое железо при температуре свыше 910°С перестает быть магнитным. Это связано с переходом железа в состояние гамма-железа. Присутствие углерода ускоряет этот переход и при содержании его в железе около 1% получается сталь, которая теряет свои магнитные свойства при 700°С. Если добавить в сплав третий элемент, способный составить твердый раствор с гамма-железом, то гамма-железо сохранится и при комнатной температуре. Таким элементом является, например, марганец: с добавкой его можно получить немагнитную сталь. В индукционных электропечах из немагнитной стали изготовляют каркас, в котором размещаются индуктор и тигель.