Tartalomjegyzék 1. Problémafelvetés ........................................................................................... 2 2. Történeti áttekintés ....................................................................................... 3 3. Eddigi példák ................................................................................................. 3 4. A mágnes és a mágnesesség ......................................................................... 4 5. Kísérlet ......................................................................................................... 14 5.1. Ferrit mágnesfólia erejének mérése ....................................................................................... 14
6. Modellezés mágnesekkel ............................................................................. 16 6.1. Építési szabályok .................................................................................................................... 16 6.2. Tönkremenetelek szemléltetése ............................................................................................. 17
7. Mágneses kapcsolatok ................................................................................ 20 7.1. Mágneses kapcsolatok elvi fajtái ............................................................................................ 20 7.2. Ki-be kapcsolható mágnesek .................................................................................................. 22 7.3. Léptékfüggés .......................................................................................................................... 23 7.4. Anyagfüggés ........................................................................................................................... 23 7.5. Előnyök, hátrányok ................................................................................................................. 23
8. Ideiglenes épületek és mágneskapcsolatok ................................................ 24 8.1. Beltéri pavilonok .................................................................................................................... 24 8.2. Sátortechnológiás szerkezetek ............................................................................................... 25 8.3. Kültéri pavilonok .................................................................................................................... 26
9. Vízszigetelés mechanikai rögzítése mágnessel............................................ 27 9.1. Fémlemezes szigetelés leszorítás ............................................................................................ 27 9.2. Mágnesfóliával kasírozott vízszigetelés ................................................................................... 28
10. Lehetséges kutatási irányok ...................................................................... 29 10.1. Betonvibrálás mágneses térrel ............................................................................................. 29 10.2. Belsőépítészeti felhasználás ................................................................................................. 29
11. Végső konklúzió ......................................................................................... 30 Irodalomjegyzék .............................................................................................. 31 Melléklet .......................................................................................................... 32
1
1. Problémafelvetés Mindennapjaink során sokszor találkozunk mágnesekkel, legyen az egy egyszerű játék, hűtő mágnes vagy valamilyen digitális eszköz elengedhetetlen tartozéka. Bennem is egy mágneses játékkal való több órás bíbelődés után merült fel a kérdés, hogy vajon, ha olyan sok helyen már bevált a mágnes használata, akkor az építészetben, illetve az építőiparban nem lenne-e létjogosultsága? Először utánajártam, hogy van-e már ennek az újszerű anyagnak a felhasználására példa vagy bevett szokás. A kutatásból kiderült, hogy néhol egy-két egyedi megoldásnál használták már, például szerviz nyílások lezárására vagy fém oszlopokon akasztóként, de ez megérzésem szerint még csak a felszín kapargatása. A mágnesek fejlődése már nagyrészt a 20. sz-ban végbe ment, de mostanra jutott el oda a technológiai és gazdasági környezet, hogy nagy tömegekhez is el tudnak jutni a legerősebb mágnesek, igaz még elég drágán, de már megfizethető áron. Ezek léptékét mutatja, hogy egy 5cm x 5cm x 5cm nagyságú ritkaföldfém mágneskocka akár 200 kg terhet is képes megtartani. Ezen információk birtokában kezdődött meg az ötletelés az építészeti felhasználásokat illetően. Több érdekes elképzelés vetődött fel, amelyek közül sok a fantázia szintjén nyert csak értelmet, de több is kidolgozásra érdemes lett. Eközben sok kérdés merült fel magával a mágnesességgel kapcsolatban: Milyen hatásai vannak pontosan? Milyen anyagokat vonz és melyeket nem? Mi az a mágnes egyáltalán? A TDK első részében bemutatom mi az a mágnes és mágnesesség, tisztázva többek között a fenti kérdéseket is, majd pedig ötleteket vetek fel a használatára az építészetben, elemezve az addig használt módozatokkal szembeni előnyeit és hátrányait. Végül pedig megvizsgálom ezen új szerkezetek és technológiák használatának realitását a való életben.
2
2. Történeti áttekintés Az emberiség a mágnessel először mágnesvaskő formájában találkozott. Magnesiában találtak először ilyet, így innen nevezték el. I.u. 69-ben Plinius már értelmezi a pólusok közötti különbséget, leírja, hogy az azonos pólusok taszítják, az ellenkezők pedig vonzzák egymást. Feltételezése szerint a mágnesvaskő ezt a tulajdonságát a Föld mágnesességétől kapta. Az állandómágnes első és egyetlen alkalmazása sokáig az iránytű volt. A mágnesesség tudományát William Gilbert 1600-ban kiadott könyve alapozta meg, ahol bevezette a mágneses tér fogalmát és értelmezte az erővonalakat. A mágneses tulajdonságok mennyiségi vizsgálata 1785-ben Coulomb kísérleteivel kezdődött, aki az elektromos töltésekre megalkotott elméletének analógiájára felfedezte a mágneses pólusok közötti erőhatás törvényét. Később Maxwell egyesítette az elektromosságot és a mágnesességet az elektromágnesesség elméletében, végül a szilárdtestfizika rohamos fejlődése az 1950-es évekre alkotta meg ma is elfogadott teóriáit a mágnesekről. A mai mágnesek már kétszázszor akkora energia tartalommal rendelkeznek, mint az első darabok.
3. Eddigi példák A modern technológia nagymértékben támaszkodik a mágnesességre, hiszen minden villanymotor, merevlemez vagy akár transzformátor ezt használja ki. Mindenki szeme előtt ott lebeg az a kép is, ahogy a mesékben a bontóban a daru egy jó nagy elektromágnessel emelgeti a kocsikat. Mindennapi életünk során állandómágnessel a hűtő mágneseknél, kisebb irat leszorító mágneseknél vagy mágneses játékoknál szoktunk találkozni. Kevésbé szembetűnő a bútorok ajtóiban és a csavarhúzó fejében lévő mágnesek. Építészethez közelebb álló példa az időszakos szervizelemek rögzítése mágnesekkel. Ilyen például a fürdőkád alatti szerviz csempe, ami gyakorlatilag egy egyszerű csempére ragasztott mágnes, ami rögzíti a kádhoz az elemet és ha gond van, könnyen kivehető. Létezik még olyan hogy mágnesfesték, ami fényképek, poszterek és kisebb apróságok felrakására biztosít elegendő tapadási erőt a falon. Napi szinten talán nem is lehet többet említeni, de a mágneses szakirodalomban találni egykét régebbi építészeti felhasználást. Tesznek említést állandómágnesekkel rögzített zsaluzatokról és mágneses álfödémekről. [1;247] „Franciaországban a mágneses építkezés már elég előre haladott és jelentős sikereket ért el. Hogy csak néhány példát említsünk Marseillben a városházán és Besanconban már több millió m2 alapterületű mágneses födémet építettek be” Ezt a megállapítást 1975-ben írta a szerző, viszont azóta valami oknál fogva nem igen hallani erről, de azt mindenképp alátámasztja ez, hogy talán nem is olyan ördögtől való ötlet maga a témafelvetés.
3
4. A mágnes és a mágnesesség Mi az állandómágnes? Az állandómágnesek olyan anyagok, amelyek mágneses tere egyszeri felmágnesezés után tartósan megmarad és csak erős lemágnesező hatással szüntethető meg. Mitől van mágnesesség? [1;39] Az anyagok mágneses sajátosságait atomjaik elektronszerkezete határozza meg. Az atommag körül mozgó elektronokra mechanikai nyomatékok mellett mágneses nyomatékok is hatnak, hiszen a mozgó töltés mágneses teret generál. E két nyomatékvektor egymáshoz viszonyított helyzete határozza meg az atom mágneses viselkedését. Egy atom összes mágneses nyomatéka az elektronok pálya- és spinnyomatékainak, valamint az atommag mágneses nyomatékának vektoriális összege. Milyen fajtái vannak a mágnesességnek? [1;40] Diamágnesesség Diamágnes tulajdonságúak azok az atomok melyek mágneses atomnyomatéka nulla. Minden lezárt elektronhájú elem ilyen, pl: nemesgázok, réz, ezüst Paramágnesesség Ha egy atom mágneses nyomatéka nullánál nagyobb, akkor az atom paramágneses tulajdonságú. Páratlan elektronszámú elem csak ilyen lehet. Ferromágnesesség A ferromágneses anyagok mágneses nyomatéka nullánál nagyobb és spontán oszlanak föl mágneses tartományokra azaz doménekre, mert számukra ez az alacsonyabb energiájú elrendeződés. A domének mérete kicsi: 10-2 – 10-5 cm
Ferri és antiferro mágnesesség Hasonlóak a tulajdonságai a ferromágneséhez azzal a különbséggel, hogy a domének nem egy irányba állnak hanem kettőbe. Az antiferromágnesnél pontosan ugyannyi áll mindkét ellentétes irányba, így kioltják egymást, a ferrimágnesnél pedig az egyik irányba több, így az eredő nem nulla.
4.1. ábra: A mágnesesség fajtái
4
Mi az a mágneses tér? A mozgó töltéshordozók a környezetükben lévő teret különleges, energiával töltött állapotba hozzák, amelyet mágneses erőtérnek nevezünk. A mágneses teret erővonalakkal ábrázoljuk, melyek iránya az áram irányától függ. A mágneses erővonalak önmagukban záródó erővonalak, amelyek sem nem keresztezhetik, sem nem érinthetik egymást. Több vezető körül kialakult, mágneses terek átfedik egymást és eredő mágneses teret hoznak létre. A mágneses tér poláris, az ellentétes pólusok vonzzák, az azonosak taszítják egymást. Az egyik pólust északinak, a másikat déli pólusnak nevezzük. Fontos különbség a mágnesesség és az elektromosság között, hogy az elektromos töltéseket szét lehet választani, a mágneses mező pólusait azonban nem.
Milyen hatásai vannak egy mágnesnek? Mechanikai: A ferromágneses anyagokat vonzzák a mágnesek, illetve két azonos pólus taszítja, két ellentétes vonzza egymást. Példa: hűtőmágnes. Elektromos: A változó mágneses tér a vezetőkben elektromos áramot indukál. Példa: transzformátor Hőtani: A megfelelően változó mágneses tér, képes örvényáramokat kelteni a vezetőkben, amik felmelegítik az adott testet. Példa: indukciós főzőlap. Kémiai: Bizonyos anyagok mágneses hatásra megváltoztatják térfogatukat, ez a megnetostrikció. Példa: ritkaföldfémek. Biológiai: Tudósok feltételezése szerint több állatfaj is a Föld mágneses terét használja tájékozódásra, például a madarak és a méhek. Pontosan azonban nem tudni, hogy milyen hatással van az élő szervezetekre, annyi bizonyos, hogy a hiánya káros. Egereket zártak el a Föld mágneses tere elől és azt tapasztalták, hogy különféle betegségek miatt sokkal előbb pusztulnak el mint társaik. Máskülönben bolygónk mágneses terén kívül huzamosabb időt eltöltő űrhajósoknál is észleltek negatív hatásokat, úgymint a fáradtság vagy a szem ideghártyájának csökkenő adaptációs képessége a fényre.
Milyen mágnesek vannak? Hogyan készülnek? [4] A mágnes anyaga szerint lehet: 1. AlNi, AlNiCo mágnes avagy öntött mágnes 2. Ferrit mágnes avagy kerámia mágnes 3. Szamárium-kobalt mágnes avagy ritkaföldfém mágnes 4. Neodimium-vas-bór mágnes avagy ritkaföldfém mágnes 5. Műanyagkötésű mágnesek
5
1. AlNi, AlNiCo avagy öntött mágnes Az első izotróp AlNi mágnesek a 30-as évek elején jelentek meg. Aluminium, nikkel és vas ötvözetéből állították elő hagyományos öntészeti technológiával. Néhány évvel később már anizotrop öntött mágneseket is készítettek, amelyek már Al, Ni, Co, Cu, Fe ötvözetéből állnak. A korábban használt hajlított acélmágneseket váltotta fel. Sokkal kedvezőbb mágneses paraméterei miatt jelentős méretcsökkenést tettek lehetővé. (pl. villanyóra fékmágnese, Deprez-műszer) Előállítás: A tiszta alapanyagokat megfelelő arányban előírt technológiai sorrendben összeolvasztják és a kívánt mágnes alakjának megfelelő héjformába öntik, ahol a folyékony fémkeverék megszilárdul. A megfelelő mágneses paraméterek hőkezeléssel érhetők el. 910°C -on edzik, majd mágneses térben, adott sebességgel hűtik le. Így kialakul a kívánt irányítottság, a mágneses anizotrópia. Készülhet AlNiCo mágnes szintereléssel is, ahol a finom por alapú alapanyagokból préseléssel állítják elő a kívánt alakot, amit aztán védőgázas kemencében szinterelnek, végül hőkezelnek. A szintermágnesek jelentős szerszámozási költségei és technológiai igénye miatt áruk magasabb, mint az öntött mágneseké. Csak nagy szériák esetén gazdaságos. Mágneses jellemzők: Mágneses tulajdonságát a magas remanens indukció és viszonylag kis koercitív erő szabja meg. A mágneskör tervezésnél ezt mindig szem előtt kell tartani. Előnyeit a hosszú rudaknál (3-4 < L/D aránynál) ill. szűk légrésű mágnesköröknél lehet kihasználni. Egyes esetekben a felmágnesezés a mágneskör összeszerelése után történik (mágnesasztal, kuplung, hangszóró, stb.) Az szakirodalom szerint stabilitására jellemző, hogy 15 év alatt kb. 5%-ot csökken a mágnesezettsége, amit újramágnesezéssel vissza lehet állítani. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol még ilyen mértékű változás sem megengedett, ott –mesterséges öregítéssel- kell beállítani a stabil állapotot. (árammérő óra, járműipari felhasználás, stb.) Külső ellenterekkel szemben az ellenálló képessége kicsi. Az összes létező mágnesfajtával összehasonlítva messze a legjobb a hőmérséklettűrő képessége. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 550°C. Mechanikai jellemzők: Az öntött mágnesek természetes tulajdonsága a nagy keménység, a porozitás és a rideg kristályos szerkezet ezért megmunkálni köszörüléssel szokták. Az 50% körüli vastartalom miatt a korrózióra való hajlam a vaséhoz hasonló. Nem igényel külön galvanikus bevonatot. Alkalmazási terület: Hangszóró, motor, jeladó, mágnesasztal, kuplung.
2. Ferrit mágnes avagy kerámia mágnes 1952-ben szabadalmaztatták az izotróp- , majd 1954-ben az anizotróp ferrit mágneseket. Gyártástechnológiájuk és fizikai tulajdonságuk alapján gyakran említik kerámia mágnesekként is. Az olcsó és korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagoknak köszönhetően áruk a legalacsonyabb. Ugyanakkor a kedvező mágneses jellemző miatt a legjobb ár/érték arányt mutatják.
6
Előállítás: Gyártási folyamat a 80 % vasoxid és a 20 % stroncium- vagy báriumkarbonát keverék összeőrlésével kezdődik. Ezt követi a keverék kiégetése (ferritizálás), aminek az eredményekét kapjuk az oxidkerámiát (stoncimferrit vagy báriumferrit). Az újabb őrlés egészen egykristályos méretig (mikronos szemcseméret) tart. Itt már elemi mágnes kristályokat kapunk. Az őrölt porból száraz vagy nedves préseléssel állítják elő a kívánt alakú mágneseket. A préselt mágneseket magas hőfokon alagútkemencékben szinterelik. Ekkor a méretek kb. 17 %-ot zsugorodnak. A pólusméreteken általában ennél szigorúbb tűrést írnak elő, ezért a végső méretet köszörüléssel állítják be. Mágneses jellemzők: Az izotróp mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és közel azonos mágneses jellemzőket mutatnak a különböző irányokban. Az anizotróp mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntetett, un. könnyű mágnesezési irány. Ebben az irányban sokkal kedvezőbb jellemzői vannak, mint a többi irányban. A kerámia mágnesek nagy kristály anizotrópiájának köszönhetően nagy koercitív erővel rendelkeznek, ami a külső, gyöngítő terekkel szemben ellenállóvá teszi és biztosítja hosszú idejű stabilitást. A viszonylag alacsony remanens indukció miatt nagyobb pólusfelülettel kell tervezni. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 250°C. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehet. Rendkívül ellenállóak a korrózióval, savakkal, sókkal, olajakkal és gázokkal szemben. Alkalmazási terület: Hangszóró, motor, szeparátor, rögzítők
Szamárium-kobalt avagy ritkaföldfém mágnes A 60-as évek elején jelent meg a szamárium-kobalt mágnesek első generációja, melyet az SmCo5 képlettel jelölnek. Hagyományos mágnesötvözők (vas, kobalt) mellett ritkaföldfémet, szamáriumot is tartalmaz. A korábbi mágnes anyagokkal összehasonlítva sokkal kedvezőbb paraméterekkel rendelkeznek. A második generációt jelentő Sm2Co17 mágnesekre a még nagyobb koercitív erő és (BxH) max. érték a jellemző. Kiváló mágneses tulajdonságaik ellenére a viszonylag magas áruk korlátozza széleskörű felhasználásukat. Előállítás: Először elkészítik a kívánt összetételű elő-ötvözetet, amelyből őrléssel finom port állítanak elő. Ebből mágneses térben történő préseléssel készül az anizotrop mágnes, vagy izo-statikus préseléssel az izotróp mágnes. Sok esetben először nagyobb hasábokat préselnek és később ezekből gyémántszemcsés tárcsákkal vágják ki a kisebb méretű hasábokat. A préselt darabokat magas hőfokon szinterelik, majd köszörülik, vágják méretre. Mágneses jellemzők: Az izotróp mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és közel azonos mágneses jellemzőket mutatnak a különböző irányokban. Az anizotrop mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntetett, un. könnyű mágnesezési irány. Ebben az irányban sokkal kedvezőbb jellemzői vannak, mint a többi irányban. Szamárium-kobalt mágnesek a korábbi mágnes anyagoknál nagyobb koercitív erővel 7
rendelkeznek, ami a külső-, gyöngítő terekkel szemben ellenállóvá teszi és biztosítja hosszú idejű stabilitást. Remanens indukciója alig kisebb mint az AlNiCo-nak, de több mint duplája a ferritének. Maximális BxH szorzata 5-6- szor nagyobb, mint a korábbi mágnes anyagoknak. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 250°C. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Keménységüknek köszönhetően a legtörékenyebb mágnesek. Normál körülmények között nem korrodálnak, ezért külön galvanikus védelmet nem igényelnek. Alkalmazási terület: Mikromotor, autóipari érzékelők, jeladók
Neodimium-vas-bór avagy ritkaföldfém mágnes A Neodimium-vas-bór mágneseket 1980-ban fedezték fel. Jelenleg ez a legmodernebb mágnesfajta. A szamárium-kobalt mágnesekkel együtt a ritkaföldfém mágnesek csoportjába tartoznak. Gyártási technológiájuk is sok hasonlóságot mutat. Előállítás: Először elkészítik a kívánt összetételű elő-ötvözetet, amelyből őrléssel finom port állítanak elő. Ebből mágneses térben történő préseléssel készül az anizotróp mágnes, vagy izo-statikus préseléssel az izotróp mágnes. Sok estben először nagyobb hasábokat préselnek és később ezekből gyémántszemcsés tárcsákkal vágják ki a kisebb méretű hasábokat. A préselt darabokat magas hőfokon szinterelik, majd köszörülik, vágják méretre. A korrózió megelőzése érdekében galvanikus bevonat (nikkel, zink,..) szükséges. Fő előnyük a szamárium-kobalttal szemben a jobb mágneses tulajdonságok és a jóval alacsonyabb ár. Mágneses jellemzők: Neodimium-vas-bór mágnesek a szamárium-kobalt mágneseknél is nagyobb koercitív erővel rendelkeznek. Remanens indukciója megegyezik az AlNiCo-éval. Maximális BxH szorzata kb. másfélszerese a szamárium-kobalt mágnesének. A legnagyobb problémát a korrózió és a viszonylag alacsony maximális megengedett külső hőmérséklet jelenti. Tmax 80-180 °C. anyagminőségtől függően. Mechanikai jellemzők: Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Nagy keménységük és erős mágneses terük miatt könnyen törnek vagy sérülnek, amikor egy másik mágnessel összecsapódnak. Nagyobb méretek esetén ez komoly balesetet is okozhat. Normál körülmények között korrodálnak, ezért galvanikus védelmet igényelnek. Alkalmazási terület: Hangszórók, motorok, jeladók, rögzítők, kuplungok.
Műanyagkötésű mágnesek A fóliák tartós mágnesezésű stroncium vagy bárium vagy ferrit alapanyagból készülnek általában, elasztikus és hőplasztikus kötőanyag hozzáadásával, így a savnak, lúgnak és egyéb oldó-szereknek is ellenáll. Szállítása tekercsben vagy ívben történik. Üzemi hőmérséklete 20 °C és + 85°C között mozog. 8
Előállítás: Préselés: Ennél a folyamatnál a NdFeB mágneses por össze van keverve műanyag alapanyaggal, speciális formában préselik ki a kívánt alakot, utána jön a mágnes hő kezelése és mágnesezése. Ez a folyamat lehetővé teszi összetett alakú mágnesek gyártását, a mágnesek további megmunkálása nem szükséges. Ezek a mágnesek gyengébbek mint a szinterezett neodymek, préseléses technológiával maximálisan kb. 80 kJ/m3 energia szorzatot lehet elérni. Fröccsöntés: Neodym por és műanyag keveréke fröccsöntőgépben van előállítva. A folyamat előnye, hogy rendkívül összetett alakokat lehet gyártani, hátránya a mágnesek kisseb energiája - maximálisan kb. 40 kJ/m3. Extrudálás: Ez a gyártási folyamat főleg rugalmas mágnesek gyártásánál használt, amikor a terméket extrudergéppel állítják elő. A maximális energia szorzat ennél a folyamatnál kb. 48 kJ/m3. Alkalmazási terület: Hűtőmágnesek, reklámipari plakátok
Mik egy mágnes jellemzői? [6][4] Egy mágnesnek a tulajdonságait anyaga és geometriája határozza meg. Ezt a kettőt úgy kell megválasztani, hogy a célnak a legmegfelelőbb legyen. Hasonló, mint amikor egy tartószerkezetet méretezünk, úgy választjuk össze a szilárdsági jellemzőit és a keresztmetszetet, hogy ideális legyen az adott igénybevételre. Remanens indukció: A felmágnesező gerjesztés megszüntetése után, a ferromágneses anyagban visszamaradó indukció. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy a mágnes egységnyi felületén hány darab erővonal megy keresztül. A legmeghatározóbb a mágnes teherbírása szempontjából. Jele: Br Mértékegysége: Tesla vagy Gauss. Koercitív térerősség: Az a térerősség, amely az anyagban a mágneses indukciót nullára csökkenti. Nagyobb koercitív erő esetén ugyanakkora hatáshoz rövidebb mágnes is elegendő. Jele: Hc Mértékegysége: amper/méter vagy Oersted Érdekesség: A múlt századfordulón a telefonkagylók nem azért voltak olyan hosszúak, mert olyan volt a korstílus, hanem azért mert nem tudtak elég nagy koercitív erővel rendelkező mágneseket beépíteni a készülékekbe.
Maximális energia tartalom: Az adott anyag munkapontjában lévő indukciójának és koercitív erejének szorzata. (munkapont: ahol az indukció és a térerősség is a lehető legnagyobb) A gyakorlatban a mágneses anyagok összehasonlítására szolgál, adott erőhatáshoz szükséges térfogat alapján. Minél nagyobb, annál kisebb térfogatban lehet adott erőhatást megoldani. Jele: (BxH)max Mértékegysége: kiloJoule/köbméter 9
Maximális üzemi hőmérséklet: Az a hőmérséklet, ami felett a mágneses tulajdonságok elkezdenek romlani. Curie-hőmérséklet: Curie-hőmérséklet fölötti hőmérsékleten anyagok elvesztik mágnesességüket és paramágnessé válnak.
az
egyébként mágneses
Öregedés: Adott idő alatt hány százalékot veszít mágnesezettségéből a mágnes. Telítési indukció: Ferromágneses anyagban létrehozható legnagyobb mágneses indukció.
4.2. ábra: Jellemző pontok a hiszterézis görbén
4.3. ábra: Neodímium mágnesek tulajdonságai
10
Hogy működik pontosan a vonzás és hogyan lehet számolni vele? A mágneses erőhatást az erővonalakkal lehet jól szemléltetni. Ezek az erővonalak a ferromágneses anyagokon tudnak a lehető legkisebb ellenállással keresztül menni, minden más anyagban ugyan eltérő mértékben, de nő ez az ellenállás. Az erővonalak a lehető legkisebb ellenállású úton akarnak záródni, vagyis az energia minimumra törekednek. Ha levegőben van egy mágnes, akkor a kialakult fluxus kép az adott legkisebb energiájú elrendeződést mutatja. (4.4.a ábra) Ha ekkor egy ferromágneses anyagot közelítünk, akkor ezek a vonalak belépnek az anyagba, majd kilépnek miközben erőhatást fejtenek ki rá. Minél több erővonalnak biztosít kisebb ellenállású utat a ferromágneses anyag, annál nagyobb vonzerő hat rá. (4.4.b ábra) Ebből következik, ha a két anyag között nincs légrés, vagyis összeérnek a felületek, akkor kapunk maximális erőt. (4.4.c ábra) Ebben az esetben a tapadóerő számításának módja két ideálisan sima felületet feltételezve:
A a mágnes felülete B a mágnes pólusfelületén mért indukció (ideális esetben ez közel Bremanens) a vákuum mágneses permeabilitása (4π* )
a.
b.
c.
4.4. ábra: A mágneses erővonalak viselkedése
Az látszik, hogy az összes erővonal hosszuknak nagy részét még mindig a levegőben teszi meg nagy ellenállást leküzdve. Ezért szoktunk általában mágneskörökben gondolkodni az ilyen rendszerek kapcsán. Egy mágneskör azt jelenti, hogy a fluxusokat lágyvasakkal vezetjük a kívánt helyre, és amikor az adott vonzandó tárgy a helyére kerül, rövidre zárja az összes erővonalat, ezzel a lehető legnagyobb erőt kifejtve. (4.5. ábra)
4.5. ábra: Nagy pólusosztású tapadórendszer elvi vázlata
11
Ezen elv alapján működik az emelőmágnes is. Ezzel a módszerrel akár meg lehet háromszorozni a vonzerőt. (4.6. ábra) *1;238+
4.6. ábra: Emelőmágnes
Ekkor azonban már olyan nagy fluxussűrűségek jöhetnek létre, hogy ha nem elég vastag a vonzandó elem, akkor telítődik és a maradék erővonal kilép a levegőbe, ezáltal kimaradva az erőjátékból. Ilyenkor több kisebb mágnest és póluslemezeket szoktak felváltva sorolni, hogy egy nagy helyett, több kisebb keresztmetszeten fejtsék ki hatásukat a mágnesek. (4.7. ábra)
4.7. ábra: Kis pólusosztású tapadórendszer elvi vázlata
Le lehet árnyékolni a mágnest? Igen, de nem Faraday kalitkával ahogy azt gondolhatnánk, mivel azzal csak az elektromágneses sugárzást lehet. Mágneses árnyékolást a gyakorlatban vastagabb fémlemezekkel lehet megoldani a visszaverődési szabállyal kalkulálva, vagy pedig egy mágneskört kell megvalósítani, elvezetve az erővonalakat olyan helyre, ahol nem okoznak zavart. Lehet egy anyag szilárdságát megnövelni felmágnesezéssel? Lehet, részben legalábbis. A felmágnesezett anyagban keletkezik egy feszültség, ami a pólustengelyre merőleges irányban húzó, a pólustengely irányában pedig nyomófeszültséget eredményez. Így például egy felmágnesezett fémkábelnek megnő a húzószilárdsága, de ez sajnos nagyságrendekkel kisebb az anyag szilárdságánál, így elhanyagolható.
12
Mitől öregedik a mágnes? A mágnesek öregedése két egymástól független öregedési folyamat következménye. Szerkezeti öregedés Ez abból következik, hogy a mágnesezett anyagszerkezet nem tekinthető az anyag egyensúlyi állapotának és vissza akar alakulni. A hőmérséklet növelésével egyre gyorsul a folyamat. Jelentős szerkezeti öregedést csak az edzett acélmágnesek szenvednek el. Nem visszafordítható a jelenség. Mágneses öregedés Ennek során a telítésig való felmágnesezés után a mágnes saját lemágnesező terének hatására fokozatosan veszít mágnesezettségéből. Ez a hatás a felmágnesezés után a legnagyobb és az idő múlásával egyre csökken. Ismételt felmágnesezzésel vissza lehet állítani az eredeti állapotot.
13
5. Kísérlet 5.1. Ferrit mágnesfólia erejének mérése Ezeket a fóliákat úgy mágnesezik be, hogy sok kis mágneses sáv legyen rajta. Ez azért jó, mert így nem lép fel túl nagy fluxussűrűség és mindegyik erővonal a lemezben záródik, még ha csak pár milliméteres is a lemez. (5.1 ábra)
5.1. ábra: Mágnesfólia mágnesképe
Egy 10x10cm nagyságú, 2mm vastagságú mágnesfóliát teljes felületen felragasztottam egy kicsit nagyobb fadarabra (5.2.b ábra) és ezt helyeztem alulról egy fémlemezre, ami a létra tetején volt. (5.2. ábra) Egy kötelet erősítettem a fadarabra és a másik végén pedig rákötöttem egy üveget, amibe finoman adagolva töltöttem a vizet. (5.2.c ábra) Amikor elértem a maximális terhelést, a mágnes elengedte a lemezt és leesett, csak úgy, mint az üveg. Ezt követően lemértem a mágnes által tartott súlyokat és kiszámoltam a maximális teherbírást. Minden mérést 3-szor végeztem el és az átlagát vettem az eredményeknek.
5.2.a ábra: A kész mérés
5.2.b ábra: A lemezre tapasztott mágnes
5.2.c ábra: Víz töltése a flakonba
14
Második lépésben papírlapokat helyeztem a mágnes és a lemez közé, hogy megnézzem, mennyivel csökken az erő adott távolág esetén. Ezt szemlélteti az alábbi táblázat és a grafikon.
5.3. táblázat: Mérés eredmények
Papír rétegszám Papír vastagság Lelógó tömeg Teherbírás 0 réteg 0 mm 2130 g 20,90 N 1 réteg 0,2 mm 1768 g 17,34 N 2 réteg 0,4 mm 1384 g 13,58 N 3 réteg 0,6 mm 1047 g 10,27 N
Teherbírás(N)
25,0
20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 0
0,2
0,4
0,6
vastagság (mm)
5.4. diagram: 100x100mm -es 2mm vtg fólia teherbírási grafikonja, adott távolságok esetén
Meg lehet állapítani, hogy a távolság növekedésével egyenes arányban csökken a vonzerő. Ez megállapítás erre a bizonyos mágnesre vonatkozik csak. A kísérletek tanulsága, hogy nagyon fontos a központos terhelés és az egyenes felületek találkozása. Amikor véletlenül az egyik részét jobban húztuk a mágnesnek vagy amikor valami szennyeződés került a két felület közé és ezért kicsit elállt a mágnes, sokkal kisebb volt a maximális teherbírás. Létezik műanyagkötésű neodímium fólia is, amiről van teherbírásiadat. Ebből az 5mm vastag 50x10mm-es felületen 22,54 N erőt képes megtartani. Ez 100x100mm-es felületre vetítve 450,8 N erőt jelent. Ez nagyjából a 10 szerese a ferrites fóliának.
15
6. Modellezés mágnesekkel Van egy mágnesgolyós játék, aminél a golyók belsejében egy-egy neodimium-vas-bór ritkaföldfém gömbmágnes található, amit egy réz korrózióvédő bevonat és egy mechanikai védelmet nyújtó nikkel réteg vesz körül.
6.0.1. ábra: Mágnesgolyó felépítése
Különböző formákat, testeket, alakzatokat és poliédereket is lehet építeni belőle. (6.0.2. ábra) A sok szabályos test építése során átérzi az ember a geometria lényegét, hogy egy-egy alakzat mennyire stabil, hol vannak a gyenge pontjai. Át kell gondolnia, hogy mi-mit vonz vagy taszít, és mindezt 3D-ben kell hogy tegye, kialakítva így egy térbeli szemléletmódot. Ezzel a játékkal jól modellezhetők geometriák viselkedései különböző irányú erőkre, továbbá tönkremeneteli módokat is jól lehet vele szemléltetni.
6.0.2. ábra: Mágnesgolyókból épített kocka és tetraéder
6.1. Építési szabályok Két golyó vonzereje a kettejük pólustengelye által bezárt szögtől függ. (6.1.1. ábra) A legerősebb vonzerő akkor lép fel, amikor a két mágnes pólustengelye megegyezik, vagyis a bezárt szög nulla. Amint növeljük ezt a szöget csökken a vonzerő és növekszik a taszítóerő, mígnem 180foknál már tiszta taszítóerő lesz jelen.
6.1.1. ábra: Pólustengelyek által bezárt szög
16
A golyók mindig az energia minimumra törekednek, így ezeket a szögeket csökkenteni próbálják, ami a golyóra ható forgatónyomaték formájában jelenik meg. Tehát gyakorlatilag, ha el akarom forgatni az egyik golyót, az vissza akarja forgatni magát. Többsoros láncokat kétféleképpen építhetünk: párhuzamos sorolással (6.1.2.1. ábra) vagy pedig eltolásossal. (6.1.2.2. ábra) Az első típus előnye, hogy a szélek egyenesek, viszont a második elrendezés erősebb kötést eredményez, mivel 4 helyen érintkeznek a golyók és közelebb is vannak egymáshoz. Ezeket a láncokat még térben is sorolhatjuk, akár a két típus vegyítésével is és ennek eredményeképpen a legkülönbözőbb tulajdonságú elrendezéseket kaphatjuk meg. Például egy látszólag szimmetrikus elrendezés teherbírása az egyik irányba nagyobb lehet, mint a másikba vagy két látszólag ugyanolyan elrendezés is máshogy viselkedhet.
6.1.2. ábra: Elrendezési típusok
6.2. Tönkremenetelek szemléltetése Hajlítási tönkremenetel A hajlításból a felső övben egy nyomás az alsóban pedig egy húzás alakult ki. Az előzőt a golyó anyaga veszi fel, a másikat a mágneses vonzóerő ami jóval kisebb, ezért erre is megy tönkre. (6.2.1. ábra)
6.2.1. ábra: A húzott rész szétválása
Kifordulási tönkremenetel Itt azt lehet könnyen szemléltetni, hogy egy karcsú szerkezetnek a csavarási ellenállása milyen pici és a kifordulás milyen könnyen fel tud lépni. Elvileg központos terhelés alatt, egy elvileg egyenes rúdban nem kellett volna ilyenre számítani. De nem csak hogy megjelent ez a jelenség, de erre is ment tönkre a szerkezet. (6.2.2. ábra)
17
6.2.2. ábra: Kifordulás
Nyírási tönkremenetel A nyíróerő hatására a két öv között fellép egy csúsztató erő, ami miatt a két sor elcsúszik egymáson és az eddig egymást vonzott golyók taszító helyzetbe kerülnek, minek eredményeképpen kettéválik a szerkezet. Azért nem húzásra vagy nyomásra megy tönkre, mert az építésből fakadóan a sor elemei között ható erő nagyobb mint a két sor közötti és ebben a méretben ez bizonyult a gyenge pontnak. Hogy miért pont ott ment tönkre ahol? Erra pedig az a válasz, hogy a szélein ahol kilépnek az erővonalak a kisgolyók alkotta mágnesből, ott már kicsit be vannak fordulva a golyók az erővonalak iránya szerint, így ezen a helyen volt a két sor közötti legkisebb vonzás. (6.2.3. ábra)
6.2.3. ábra: A nyírásból származó csúsztató erők megjelenése
Nyírási alakváltozás A nyíróerő hatására bekövetkezett alakváltozást jól szemlélteti az alábbi példa, ahol a síkok merőlegesek maradtak a tengely irányra, így elfordulás nem, csak eltolódás következett be. (6.2.4. ábra)
6.2.4. ábra: A nyíróerő miatt eltolódnak a keresztmetszetek elfordulás nélkül
18
Héjszerkezet átszúródása A héjszerkezet koncentrált erővel való terhelése esetén először elhajlik a szerkezet majd a további növelésre lokálisan megy tönkre, átszúródik. Ilyenkor a két sor közötti húzóerő nem elég nagy, ezért kitérnek a „szálak” nem pedig elszakadnak, ráadásul mivel mindkét oldalról egy-egy másik támasztja meg őket, ezért a harmadik síkba térnek ki. A ceruza kivétele után a szerkezet visszaáll mintha semmi sem történt volna. (6.2.5. ábra)
6.2.5. ábra: Héj átszúródása a szálak kitérésével
19
7. Mágneses kapcsolatok A mágneses kapcsolatok egy újfajta alternatívát kínálhatnak a szegecsek, csavarok illetve a hegesztés kiváltására. A mágnesesség úgy tud két anyag között kapcsolatot létesíteni, hogy bizonyos vastagság erejéig bármilyen nem mágnesezhető anyag lehet közöttük. Ezekre a kapcsolatokra az a jellemző, hogy a húzó és nyomóerőt gond nélkül felveszik, de a nyíróerő könnyen oldja a kapcsolatot, mivel csak a két felület közötti súrlódási ellenállás hat ellene. Ezt a problémát ki lehet kerülni vagy meg is lehet oldani. Ennek alapján két féle elvet lehet elképzelni ezeknél a kapcsolatoknál. Az egyik, amikor a mágneses erő terhet hord, a másik pedig amikor csak rögzíti a teherhordó elemet, illetve ezek kombinációja is lehetséges, vagyis amikor bizonyos irányú erőt a mágnes vesz fel, bizonyos irányút pedig egy másik része a kapcsolatnak. 7.1. Mágneses kapcsolatok elvi fajtái A mágnes teljes mértékű teherviselése (7.1.1. ábra) A húzó, nyomó és mindkét irányú nyíróerőt a mágnes veszi fel. Ebben az esetben a gyenge pont a nyíróerők felvétele, hiszen két fém felület között a tapadási súrlódási tényező olyan 0,1-0,2 körül mozog. [9] Viszont ha beteszünk a két felület közé egy vékony gumi réteget, akkor a húzó teherbírást csak kis mértékben csökkentettük a nyírót viszont jelentősen megnöveltük, akár háromszorosára is. Acél és gumi között körülbelül 0,6-0,7 tapadási súrlódási tényezőt lehet elérni.
7.1.1. ábra: A mágnes teljes mértékű teherviselésének elvi sémája
20
A mágnes rögzíti a teherhordó elemet (7.1.2 ábra) A mágnes csak a helyén tartja a fő teherhordó elemet.
7.1.2. ábra: A mágnes rögzítő funkciójának egy elvi sémája
Az előző kettő kombinációja (7.1.3. ábra) A húzó, nyomó és az egyik irányú nyíróerőt veszi fel a mágnes, a másik irányút pedig egy másik szerkezeti elem. Ezt esetenként kell mérlegelni, hogy mikor kellene már akkora mágnes a nyírás miatt, ami a szükséges húzást már sokszorosan túlteljesíti és ezért nem hatékony. Valószínűleg ezzel a kapcsolati elvvel lehet a legoptimálisabb mágneskapcsolatokat létrehozni.
7.1.3. ábra: A két elv kombinációjának elvi sémája
21
7.2. Ki-be kapcsolható mágnesek [1;243]
Egy felvetődő probléma ezeknél a kapcsolatoknál, hogy ha olyan erős a mágnes, hogy az kellő mértékben összetartja az elemeket, hogy lehet úgy összerakni, hogy ne törjön szét összekapcsoláskor, illetve a szétszedés miképpen lehetséges zökkenőmentesen. Erre is van két megoldás. Az egyik, hogy a kapcsolatról lecsúsztatjuk, kihasználva a kis nyíróerő elleni ellenállását. A másik megoldás, hogy vannak olyan mágneskör konstrukciók, amikben ki és be lehet kapcsolni a mágneses hatást (nem elektromágnesekről van szó) Ezek lényege, hogy a mágnest úgy mozdítják el a befoglaló lágyvas köpenyben, hogy az egyik állásban az erővonalak a rendszeren belül záródnak (kikapcsolt állapot), a másik állásban pedig kijutnak a felszínre (bekapcsolt állapot).
Az egyik ilyen konstrukció: Vannak páratlan sorokban mágnesek, meg páros sorokban is, de ott egy fél egységgel eltolva. Ezekből az egyik sor mozgatható a másik fix. Betolva, a mágnesek egymás mellett vannak ellentétes pólusukkal szembe fordítva, így egy mágnesként működve tapadóerejük összeadódik. (7.2.1.b ábra) Kihúzva pedig az azonos pólusok kerülnek egymással szembe, kioltva egymás erejét. (7.2.1.a ábra) a.
b.
7.2.1. ábra: Csúsztatható ki-be kapcsolható mágnes
A másik ilyen konstrukció: Itt egy mágnes két nemmágnesezhető betéttel elszigetelt lágyvas fegyverzet között helyezkedik el. A mágnest el lehet forgatni és az egyik állásban a megfogott elem zárja az erővonalakat, a másikban pedig a lágyvasban záródnak, nem jutva ki a környezetbe.
7.2.2. ábra: Forgatható ki-be kapcsolható mágnes
22
7.3. Léptékfüggés A kapcsolatoknak az alkalmazása erősen léptékfüggő. Kisméretben például egy csomópont tökéletes megoldás lehet, mely viszont egy csarnokszerkezetnél már egyáltalán nem lenne megvalósítható. Ez fokozottan igaz a mágnesekre. Nagyobb léptékben már akkora mágnesek kellenének, hogy egymaga annyiba kerülne, mint az egész szerkezet. A makettezés léptékében kiválóan alkalmazhatóak és nem is drágák. Az új generációs neodímium mágneseknek a kisebb ideiglenes építményeknél is van létjogosultsága, de itt már érdemes költséget kalkulálni. Egy családi ház kategóriában már kérdéses a dolog, e felett pedig már gyakorlatilag szóba sem jöhet, mivel az ennél nagyobb épületek már hosszútávra készülnek, és pont az ilyen kapcsolat előnyei szorulnának háttérbe, mint a gyorsan és egyszerűen építhetőség, illetve a gyakori változtatások lehetősége, így nem lenne értelme ezt a fajta kapcsolatot alkalmazni. 7.4. Anyagfüggés Bár a mágnes miatt csak ferromágneses anyagban gondolkodunk, nem feltétlen kell a szerkezetek minden elemének fémnek lennie. Lehet egy fa deszka, vagy egy fa gerenda is amire rá van erősítve egy fém lemez, amit viszont már vonz a mágnes. Illetve a burkolatoknak sem kell fémből lenniük, lehetnek azok fa vagy műanyaglapok, amikre valamilyen módszerrel, lehet az ragasztás vagy csavarozás is, fel van applikálva a mágnes. Ezek által mind a változatosság, mind a költség terén lehet plusz előnyökre szert tenni.
7.5. Előnyök, hátrányok Előnyök Csak oda kell vinni az építés helyszínére az elemeket és összeilleszteni azokat, különösebb szakértelem nélkül. Nem kell hozzá semmilyen eszköz, nincsenek csavarok, szögek amik elvesznek vagy elkopnak. Nem kell fúrni vagy beütni az elemeket, amik nem csak roncsolnák az anyagot, hanem még plusz kivitelezési kockázatot is jelentenének. A szétszedés pedig ugyanolyan egyszerű és gyors, mint az összeszerelés.
Hátrányok Ezek a kapcsolatok drágák, egyrészt azért mert maguk az anyagok is drágák, mind a fémek és mind a mágnesek is, másrészt pedig azért, mert ezek előregyártott szerkezetek és az üzemi összeszerelésük is pénzbe kerül. A legerősebb mágneseknél szélsőséges viszonyok között számításba kell venni a hőmérsékletfüggésüket is. Tűzben a mágnesek pillanatok alatt elveszítik képességüket.
23
8. Ideiglenes épületek és mágneskapcsolatok Az ideiglenes építményeknél mind a könnyű és gyors összeszerelés és a minél többszöri újrafelhasználás nagyon fontos. Ezek az igények gyakorlatilag lefedik a mágneskapcsolatok nyújtotta előnyöket, így van létjogosultsága ezek továbbgondolásának.
8.1. Beltéri pavilonok Lényege: Modulban épül fel, egy bizonyos számú alapelemkészletből, a változatos igények kielégítésére. A lehető leggyorsabban szét és összeszerelhető. Tervezett fennállási időtartam: nap-napok-hét-hetek Részletek A függőleges teherhordó elem egyenlő közönként bordázott. Ezek a bordák veszik fel a függőleges nyíróerőt, és azért van több, hogy szabadon választható legyen, hogy melyik magasságba szeretnénk rakni a vízszintes elemet. A mágnesek a „gerendák” végein helyezkednek el. Ezek kapcsolható mágnesek lennének, biztosítva ezzel a könnyű összeszerelést. Erre a vázra pedig oldalról lehetne feltenni a burkolatot egyszerű mágnesekkel.
8.1.1. ábra: Beltéri pavilon szerkezeti sémája
24
8.2. Sátortechnológiás szerkezetek
Lényege: Rudakból és csomópontokból épül fel. Csak egy külső héjat biztosít a nap, a szél és az eső ellen. A lehető leggyorsabban szét és összeszerelhető. Tervezett fennállási időtartam: órák-nap Részletek A rudak végében vannak a mágnesek, amik a csomópontba csúsztatva hozzátapadnak egy merőleges laplezáráshoz. A csomópontok 3 vagy 4 rudat lennének képesek fogadni akár többféle szögben is. Ez a szerkezet egy ponyvát tartana.
8.2.1. ábra: Kapcsolati metszet
8.2.2. ábra: Csomópont kapcsolódási sémája
25
8.3. Kültéri pavilonok Lényege: A mágneses és egyéb gyorsan szerelhető technológiák egyesítése. Sínek, egymásba csúszó elemek és mágneskapcsolatok. Itt már nem csak a nap, szél és víz elleni védelem, hanem akár a hideg elleni és a vagyon védelem is biztosítható. Tervezett fennállási időtartam: hét-hetek-hónap Részletek Az alapszerkezet hasonló lenne a beltéri pavilonokhoz, azzal a különbséggel, hogy itt a tetőn a csapadékszigetelés is megoldott. Mágnesfóliák átlapolva vannak felhelyezve a fém tartószerkezetre. A belső oldalra akár hőszigetelés is kerülhet sínekbe csúsztatva, az utolsó elemet mágnes segítségével lezárva.
8.3.1. ábra: Kültéri pavilon tetőszerkezeti sémája
A falak szintén elemekből állnak, úgy hogy az alsó tartón oldalt lenne egy sín, amibe be-billenthető a burkoló elem, a tetején pedig egy mágnes szorítja a felső tartóhoz. Ez az elem lehet kisebb, nagyobb vagy hőszigetelt is akár. A sarkoknál sarok elemekkel történik a lezárás hasonlóképpen.
8.3.2. ábra: Fal szerkezeti sémája
26
9. Vízszigetelés mechanikai rögzítése mágnessel A vízszigetelés mechanikai rögzítése esetén átszúrjuk a vízszigetelést, ezért utólagos javítási tevékenységekre kényszerülünk, ami nem csak plusz munka, hanem egy újabb kockázati tényező is. Ezt a problémát lehetne orvosolni a szigetelés mágneses leszorításával, ami többféle módon is elképzelhető. 9.1. Fémlemezes szigetelés leszorítás
9.1.1. ábra: Fémlemezes szigetelés leszorítás
9.1.2. ábra: Mágnestetejű tárcsa
Ez a rendszer alapvetően úgy működne, ahogy a rendes mechanikai rögzítés, vagyis egy csavar rögzíti a tartószerkezethez az egészet, azzal a különbséggel, hogy itt csak a hőszigetelésig ér fel és a tetején van egy mágnes, ami a szigetelésen keresztül lefog egy fémet, így a szigetelést is. Innentől két lehetőség nyílik, pontszerű lefogás vagy vonal menti. Az egyiknél mágnes nagyságú fémlapok, a másiknál hosszú keskeny fémlemezek biztosítják a leszorítást. Ezek közül a gazdaságossági ok döntheti el, hogy melyik az előnyösebb. A hőszigetelés roskadása miatt teleszkópos hőszigetelést tartó tárcsákat érdemes alkalmazni, hogy ha rálépnek, a süllyedés után ne szakítsa át a szigetelést a csavar. Erre lenne felülről rögzítve egy lyukas hengeres mágnes. A szélteherre méretezésnél 8m magasságig 450-1300-2250 Newton/m2 leszorító erő szükséges a biztonságos szigetelésrögzítéshez. [10] Az alábbi táblázatban lehetséges megoldások szerepelnek az előbb említett követelményekre. 9.1.3. táblázat: Egy m2-e eső mágnesek száma, adott terhelések esetén
Mértékadó teher 450 N/m2 1300 N/m2 2250 N/m2
Mágnes átmérő Mágnes magasság 40 mm 8 mm 50 mm 10 mm 57 mm 10,5 mm
teherbírás/mágnes 125 N 220 N 280N
darab/m2 4 db 6 db 8 db
Itt kísérleti adatok híján nem számoltam bele, hogy 1-1,5 mm távolság van a mágnes és a fém között, de azt így is jól szemlélteti, hogy meglepően kevés mágnes is elég.
27
9.2. Mágnesfóliával kasírozott vízszigetelés Egy másik megközelítés, hogy a mágnes a vízszigeteléssel van összeépítve és a fémlemez helyezkedik el alul. Ezt úgyis el lehet képzelni, hogy mágnesfóliával kasírozzák a szigetelés széleit, vagy magába a szigetelésbe van beépítve a mágnes.
9.2.1. ábra: Mágnesfóliával kasírozott vízszigetelés
A szélteherre méretezésnél 8m magasságig 450-1300-2250 Newton/m2 leszorító erő szükséges a biztonságos szigetelésrögzítéshez. Az alábbi táblázatokban a mérés alkalmával megismert fóliával és a lehető legerősebb fóliával próbáltam teljesíteni a követelményeket. A mért fóliával nem teljesíthető a feladat, a neodímiummal viszont könnyedén. 9.2.2. táblázatok: Ferrit és Neodímium fólia összehasonlítása
mért Ferrit fólia szükséges mértékadó mágnesfólia teher terület 450 N/m2 215311 mm2 1300 N/m2 622009 mm2 2250 N/m2 1076555 mm2
Neodímium fólia szükséges mértékadó mágnesfólia teher terület 2 450 N/m 9359 mm2 1300 N/m2 27038 mm2 2250 N/m2 46797 mm2
összfelület hány százaléka 21 % 62 % 107 %
összfelület hány százaléka 0,9 % 2,7 % 4,6 %
Konklúzió Ezeknél a megoldásoknál általános reakció, hogy biztosan túl drága. Az bizonyos, hogy egy ilyen mágnes drágább mint egy csavar, de ez így nem jó összehasonlítás. Bele kell számolni, hogy adott esetben kevesebb munka van vele, gyorsabb az építés, nem kell felhordani a leterhelést és így összességében már versenyezhet a hagyományos technológiákkal.
28
10. Lehetséges kutatási irányok 10.1. Betonvibrálás mágneses térrel A vegyészek laborokban használnak bizonyos mágneses keverő berendezéseket, amik úgy működnek hogy a talapzatba egy forgó mágnest építenek be, erre ráteszik az edényt folyadékkal töltve és beleraknak egy kapszulát amiben egy mágnes van. Amikor elkezdik forgatni a mágneses teret, elkezd a kapszula is forogni és összekeveredik az anyag. Ilyesmi megoldást lehetne alkalmazni a beton vibrálása során is, vagyis lenne egy külső, változó mágneses teret keltő szerkezet, ami rezgésbe hoz egy betonba kevert testet vagy testeket, ami átadja mozgását a betonnak, így kivibrálva a levegőbuborékokat. A változó mágneses teret keltő szerkezet egy elektromágnes lenne, a betonba pedig lehetne fém vagy mágnesgolyókat keverni. Az egyik működési mód szerint a golyók egyenletesen el lennének keverve és vibrálás után bent maradnak a betonba. A másik működési variáció, hogy a golyókat a vibrálás végén kivontatnánk a közegből és újrafelhasználnánk. De akár az is elképzelhető, hogy a vasbeton vasalatait is bevonnánk a vibrálásba. 10.1.1. ábra: Mágneses betonvibrálás Ennek a módszernek az előnye abban rejlene, hogy a sűrű hozzá nem férhető vasalású helyeken is alkalmazható lenne, illetve a zsaluzaton keresztül is működne. Ha tudjuk, hogy mennyi vibrálást igényel ideális esetben az adott beton, ezzel a technikával mérhető lenne az is, hogy mennyi energiát emészt fel a vibrálás, így csak annyi energiát fektetnénk bele amennyi szükséges, elkerülve a túlzott vagy az elégtelen vibrálás mennyiséget.
10.2. Belsőépítészeti felhasználás Olyan helyeken ahol időszakonként le szokták cserélni a design-t mint például kirakatokban, kávézókban és egyéb boltokban, ott célszerű könnyen le és felhelyezhető elemeket alkalmazni, hogy a csere egyszerű, könnyű és a legfontosabb, olcsó legyen. Ezért a felrakandó dolgokat, ami lehet burkolat, dísz vagy akármilyen design-elem, mágnessel lehetne rögzíteni a falhoz. Létezik olyan hogy mágnesfesték de az csak fényképek, poszterek, kisebb apróságok felrakására elegendő, ráadásul a színek terén is erősen korlátozott. Ezért mindenképp először olyan anyagot kell a falba vagy a falra helyezni amihez tapad a mágnes. Ezt lehetne úgy, hogy egy vastagabb fém hálót helyezünk a vakolatba, vagy dűbeleket a falba egy bizonyos raszterben, és ferromágneses végű csavarokat csavarunk beléjük. Ez történhetne úgy, hogy egy síkban van a festékkel, de lehet azt is, hogy a festékréteg elhalad felette és nem látszanak ki. Illetve az is megoldható, hogy esztétikus fém csíkokat helyezünk fel a falra, majd azokra rögzítjük mágnessel a tárgyakat.
29
11. Végső konklúzió Ezen TDK keretein belül a véleményem szerinti fő csapásirányokat jelöltem meg. Elvileg közelítettem meg a mágnesesség kérdését az építészetben úgy, hogy minden lehetséges használhatósági lehetőséget próbáltam sorra venni. Nem volt célom ebben a dolgozatban maximális részletességig kutatni a témákat, inkább ki akartam bővíteni az alaphalmazt, hogy ha van egy műszaki, építészeti feladvány akkor mérlegeljük, hátha megéri segítségül hívni a mágneseket. Végigjárva a témát, azt a megállapítást kell tennem, hogy mindenképpen érdemes tovább gondolni a felvetett ötleteket, mert van létjogosultsága ezeknek a konstrukcióknak. Ha van egy új anyag, azt merni kell használni és tovább kell gondolni, hogyan lehetne még jobban vagy másképp hasznosítani. Nem szabad egyből elutasítani, hogy minek ez, ott a csavar, minek ez ott a hagyományos, jól bevált technológia. A mágneses kapcsolatokra pont manapság van a valaha volt legnagyobb szükség. Napjainkban kell mindig minél gyorsabban felépíteni dolgokat, aztán leszerelni és felépíteni újra egy másik helyen. Mostanában változik gyakran egy épület arculata, egy belső tér designja, és ezeket az igényeket lehetne a legjobban kielégíteni a mágnesességgel. Végezetül pedig minden építésznek adnék egy mágnesgolyós játékot, hogy játsszon vele, építgessen mindenfélét, mert biztos vagyok benne, hogy felszabadítja a benne lakozó kreativitást és közelebb kerül a kreatív építés lényegéhez.
30
Irodalomjegyzék Könyv [1] Bokor Ferenc – Szeless László: Állandómágnesek és alkalmazásaik Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1975. *2+ dr. Benkó Sándor:
Állandómágneses körök számítása Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983.
Honlap Az alább felsorolt honlapokat 2011 szeptemberében tekintettem meg. [3] Wikipédia: Mágnes. http://hu.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1gnes [4] Wikipédia: Mágneses mező. http://hu.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1gneses_mez%C5%91 [5] Angol honlap: A mágnes tulajdonságai. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/ferro.html [6] Euromagnet cég honlapja: Mágnes fogalomtár és kereskedelmi forgalomban kapható mágnesek. http://www.euromagnet.hu/ [7] Selos cég honlapja: Kereskedelmi forgalomban kapható mágnesek. http://www.magnesek.hu [8] Kislexikon http://www.kislexikon.hu/index.php *9+ Wikipédia: Súrlódási tényező. http://hu.wikipedia.org/wiki/S%C3%BArl%C3%B3d%C3%A1s
Jegyzet *10+ Horváth Sándor:
Tetőszigetelések Előadás ábraanyag – ÉSZ4.
31
Melléklet Neodímium mágneshasábok adatai ideális körülmények között Hosszméret 40 mm 60 mm 80 mm 50 mm 80 mm
Szélesség Magasság Teherbírás 18 mm 30 mm 40 mm 50 mm 80 mm
10 mm 15 mm 20 mm 50 mm 20 mm
250 N 1250 N 2000 N 2300 N 4000 N
Köszönetnyilvánítás Szeretném megköszönni az alább felsorolt embereknek a segítőkészségét és tanácsait, amivel előrelendítették a kutatásom és hozzájárultak a dolgozatom létrejöttéhez.
Sajtos István Kohári Zalán Kovács József Horváth Sándor Neszmélyi László Dr. Józsa Zsuzsanna
Készült 2011 őszi félévében, Budapesten. 32
