Permanentné magnety — druhy a vlastnosti, formy, interakcia magnetov

Čo je permanentný magnet

Feromagnetický produkt, ktorý si po odstránení vonkajšieho magnetického poľa dokáže zachovať významnú zvyškovú magnetizáciu, sa nazýva permanentný magnet.

Permanentné magnety sa vyrábajú z rôznych kovov, ako je kobalt, železo, nikel, zliatiny vzácnych zemín (pre neodýmové magnety), ako aj z prírodných minerálov, ako sú magnetity.

Rozsah použitia permanentných magnetov je dnes veľmi široký, ale ich účel je v podstate všade rovnaký — ako zdroj permanentného magnetického poľa bez napájania... Magnet je teda telo, ktoré má svoje vlastné magnetické pole.

Samotné slovo „magnet“ pochádza z gréckej frázy, ktorá sa prekladá ako "Kameň Magnesia", pomenovaný po ázijskom meste, kde boli v staroveku objavené ložiská magnetitu - magnetickej železnej rudy… Z fyzikálneho hľadiska je elementárny magnet elektrón a magnetické vlastnosti magnetov sú zvyčajne určené magnetickými momentmi elektrónov, ktoré tvoria magnetizovaný materiál.

Permanentný magnet je súčasťou magnetické systémy elektrických výrobkov… Zariadenia s permanentnými magnetmi sú vo všeobecnosti založené na premene energie:

• mechanické na mechanické (oddeľovače, magnetické konektory atď.);

• mechanické až elektromagnetické (elektrické generátory, reproduktory atď.);

• elektromagnetické až mechanické (elektrické motory, reproduktory, magnetoelektrické systémy atď.);

• mechanické na vnútorné (brzdové zariadenia a pod.).

Pre permanentné magnety platia tieto požiadavky:

• vysoká špecifická magnetická energia;

• minimálne rozmery pre danú intenzitu poľa;

• udržiavanie výkonu v širokom rozsahu prevádzkových teplôt;

• odolnosť voči vonkajším magnetickým poliam; — technológie;

• nízke náklady na suroviny;

• stabilita magnetických parametrov v čase.

Rôznorodosť úloh riešených pomocou permanentných magnetov si vyžaduje vytvorenie mnohých foriem ich realizácie.Permanentné magnety majú často tvar podkovy (tzv. „podkovovité“ magnety).

Obrázok ukazuje príklady foriem priemyselne vyrábaných permanentných magnetov na báze prvkov vzácnych zemín s ochranným povlakom.

Komerčne vyrábané permanentné magnety rôznych tvarov: a — disk; b — prsteň; c — rovnobežnosten; g - valec; d — lopta; e — sektor dutého valca

Magnety sa vyrábajú aj z tvrdých magnetických kovových zliatin a feritov vo forme okrúhlych a obdĺžnikových tyčí, ako aj rúrkových, v tvare C, v tvare podkovy, vo forme obdĺžnikových dosiek atď.

Po vytvarovaní je potrebné materiál zmagnetizovať, teda umiestniť do vonkajšieho magnetického poľa, pretože magnetické parametre permanentných magnetov sú určené nielen ich tvarom alebo materiálom, z ktorého sú vyrobené, ale aj smerom magnetizácia.

Obrobky sa magnetizujú pomocou permanentných magnetov, jednosmerných elektromagnetov alebo magnetizačných cievok, ktorými prechádzajú prúdové impulzy. Výber spôsobu magnetizácie závisí od materiálu a tvaru permanentného magnetu.

V dôsledku silného zahrievania, nárazov môžu permanentné magnety čiastočne alebo úplne stratiť svoje magnetické vlastnosti (demagnetizácia).

Charakteristika demagnetizačnej časti magnetické hysterézne slučky materiál, z ktorého je permanentný magnet vyrobený, určuje vlastnosti konkrétneho permanentného magnetu: čím vyššia je koercitívna sila Hc a tým vyššia zostatková hodnota magnetická indukcia Br - silnejší a stabilnejší magnet.

Donucovacia sila (doslova preložené z latinčiny — „prídržná sila“) — sila, ktorá bráni zmene magnetickej polarizácie feromagnetiká.

Pokiaľ feromagnet nie je polarizovaný, to znamená, že elementárne prúdy nie sú orientované, koercitívna sila bráni orientácii elementárnych prúdov. Ale keď je feromagnet už polarizovaný, udržiava elementárne prúdy v orientovanej polohe aj po odstránení vonkajšieho magnetizačného poľa.

To vysvetľuje zvyškový magnetizmus pozorovaný v mnohých feromagnetoch. Čím väčšia je koercitívna sila, tým silnejší je jav zvyškového magnetizmu.

Takže donucovacia sila je sila magnetického poľapotrebný na úplnú demagnetizáciu fero- alebo ferimagnetickej látky. Čím je teda určitý magnet koercitívnejší, tým je odolnejší voči demagnetizačným faktorom.

Jednotka merania donucovacej sily v NE - Ampér / meter. A magnetická indukcia, ako viete, je vektorová veličina, čo je sila charakteristická pre magnetické pole. Charakteristická hodnota zvyškovej magnetickej indukcie permanentných magnetov je rádovo 1 Tesla.

Magnetická hysterézia — prítomnosť účinkov polarizácie magnetov vedie k tomu, že magnetizácia a demagnetizácia magnetického materiálu prebieha nerovnomerne, pretože magnetizácia materiálu neustále mierne zaostáva za magnetizačným poľom.

V tomto prípade sa časť energie vynaloženej na magnetizáciu tela pri demagnetizácii nevracia, ale mení sa na teplo. Opakované obrátenie magnetizácie materiálu je preto spojené s citeľnými stratami energie a niekedy môže spôsobiť silné zahrievanie magnetizovaného telesa.

Čím výraznejšia je hysterézia v materiáli, tým väčšia je strata pri obrátení magnetizácie. Preto sa pre magnetické obvody so striedavým magnetickým tokom používajú materiály, ktoré nemajú hysteréziu (pozri — Magnetické jadrá elektrických zariadení).

Magnetické vlastnosti permanentných magnetov sa môžu meniť pod vplyvom času a vonkajších faktorov, medzi ktoré patria:

• teplota;

• magnetické polia;

• mechanické zaťaženie;

• žiarenie atď.

Zmena magnetických vlastností je charakterizovaná nestabilitou permanentného magnetu, ktorý môže byť štrukturálny alebo magnetický.

Štrukturálna nestabilita je spojená so zmenami v kryštálovej štruktúre, fázovými premenami, znížením vnútorných napätí atď. Pôvodné magnetické vlastnosti možno v tomto prípade získať obnovením štruktúry (napríklad tepelným spracovaním materiálu).

Magnetická nestabilita je spôsobená zmenou magnetickej štruktúry magnetickej látky, ktorá má v priebehu času a vplyvom vonkajších vplyvov tendenciu k termodynamickej rovnováhe. Magnetická nestabilita môže byť:

• reverzibilné (návrat do pôvodných podmienok obnovuje pôvodné magnetické vlastnosti);

• nevratné (návrat pôvodných vlastností možno dosiahnuť len opakovanou magnetizáciou).

Permanentný magnet alebo elektromagnet – čo je lepšie?

Použitie permanentných magnetov na vytvorenie permanentného magnetického poľa namiesto ich ekvivalentných elektromagnetov umožňuje:

• znížiť hmotnostné a veľkostné charakteristiky výrobkov;

• vylučuje použitie dodatočných zdrojov energie (čo zjednodušuje dizajn výrobkov, znižuje náklady na ich výrobu a prevádzku);

• poskytujú takmer neobmedzený čas na udržanie magnetického poľa v pracovných podmienkach (v závislosti od použitého materiálu).

Nevýhody permanentných magnetov sú:

• krehkosť materiálov použitých pri ich tvorbe (to komplikuje mechanické spracovanie výrobkov);

• potreba ochrany pred vplyvom vlhkosti a plesní (pre ferity GOST 24063), ako aj pred vplyvom vysokej vlhkosti a teploty.

Druhy a vlastnosti permanentných magnetov

Ferit

Feritové magnety, aj keď sú krehké, majú dobrú odolnosť proti korózii, vďaka čomu sú najbežnejšie za nízku cenu. Tieto magnety sú vyrobené zo zliatiny oxidu železa s báriom alebo feritom stroncia. Toto zloženie umožňuje materiálu zachovať si svoje magnetické vlastnosti v širokom rozsahu teplôt — od -30 °C do + 270 °C.

Magnetické výrobky vo forme feritových krúžkov, tyčí a podkov sú široko používané v priemysle aj v každodennom živote, v technike a elektronike. Používajú sa v reproduktorových systémoch, v generátoroch, v jednosmerných motoroch… V automobilovom priemysle sa feritové magnety inštalujú do štartérov, okien, chladiacich systémov a ventilátorov.

Feritové magnety sa vyznačujú koercitívnou silou približne 200 kA/m a zvyškovou magnetickou indukciou približne 0,4 Tesla. Feritový magnet vydrží v priemere 10 až 30 rokov.

Alnico (hliník-nikel-kobalt)

Permanentné magnety na báze zliatiny hliníka, niklu a kobaltu sa vyznačujú neprekonateľnou teplotnou stabilitou a stabilitou: sú schopné udržať si svoje magnetické vlastnosti pri teplotách do + 550 °C, hoci ich koercitívna sila je relatívne malá. Vplyvom relatívne malého magnetického poľa takéto magnety stratia svoje pôvodné magnetické vlastnosti.

Posúďte sami: typická donucovacia sila je asi 50 kA/m so zvyškovou magnetizáciou asi 0,7 Tesla. Napriek tejto vlastnosti sú alnico magnety nevyhnutné pre niektoré vedecké výskumy.

Typický obsah zložiek v alnico zliatinách s vysokými magnetickými vlastnosťami sa pohybuje v nasledujúcich limitoch: hliník – od 7 do 10 %, nikel – od 12 do 15 %, kobalt – od 18 do 40 % a od 3 do 4 % medi.

Čím viac kobaltu, tým vyššia je indukcia nasýtenia a magnetická energia zliatiny. Prísady vo forme 2 až 8 % titánu a len 1 % nióbu prispievajú k získaniu vyššej donucovacej sily — až 145 kA/m. Prídavok 0,5 až 1 % kremíka zaisťuje izotropné magnetické vlastnosti.

Samaria

Ak potrebujete výnimočnú odolnosť proti korózii, oxidácii a teplotám do + 350 ° C, potom je potrebná magnetická zliatina samária s kobaltom.

Samáriovo-kobaltové magnety sú pri určitej cene drahšie ako neodýmové magnety kvôli vzácnejšiemu a drahšiemu kovu, kobaltu. Napriek tomu sa odporúča ich použitie, ak je potrebné mať minimálne rozmery a hmotnosť finálnych výrobkov.

To je najvhodnejšie v kozmických lodiach, leteckej a počítačovej technike, miniatúrnych elektromotoroch a magnetických spojkách, v nositeľných zariadeniach a zariadeniach (hodinky, slúchadlá, mobilné telefóny atď.)

Vďaka svojej špeciálnej odolnosti voči korózii sa práve samáriové magnety používajú v strategickom vývoji a vojenských aplikáciách. Elektromotory, generátory, zdvíhacie systémy, motorové vozidlá - silný magnet zo samáriovo-kobaltovej zliatiny je ideálny do agresívneho prostredia a sťažených pracovných podmienok. Koercitívna sila je rádovo 700 kA/m so zvyškovou magnetickou indukciou rádovo 1 Tesla.

Neodym

Neodymové magnety sú dnes veľmi žiadané a zdajú sa byť najsľubnejšie. Zliatina neodýmu, železa a bóru vám umožňuje vytvárať super magnety pre rôzne aplikácie, od zámkov a hračiek až po elektrické generátory a výkonné zdvíhacie stroje.

Vysoká koercitívna sila asi 1000 kA / m a zvyšková magnetizácia asi 1,1 Tesla umožňujú udržať magnet mnoho rokov, po dobu 10 rokov stratí neodýmový magnet iba 1% svojej magnetizácie, ak jeho teplota v prevádzkových podmienkach neprekročí + 80 ° C (u niektorých značiek až + 200 ° C). Neodýmové magnety majú teda iba dve nevýhody — krehkosť a nízku prevádzkovú teplotu.

Magnetoplasty

Magnetický prášok spolu so spojivom tvorí mäkký, pružný a ľahký magnet. Lepenie komponentov ako vinyl, guma, plast alebo akryl umožňuje výrobu magnetov v rôznych tvaroch a veľkostiach.

Magnetická sila je samozrejme nižšia ako čistý magnetický materiál, ale niekedy sú takéto riešenia potrebné na dosiahnutie určitých nezvyčajných účelov magnetov: pri výrobe reklamných produktov, pri výrobe snímateľných nálepiek na autá, ako aj pri výrobe rôzne papiernictvo a suveníry.

Interakcia magnetov

Ako sa póly magnetov odpudzujú a na rozdiel od pólov priťahujú. Interakcia magnetov sa vysvetľuje tým, že každý magnet má magnetické pole a tieto magnetické polia sa navzájom ovplyvňujú. Aký je napríklad dôvod magnetizácie železa?

Podľa hypotézy francúzskeho vedca Ampereho sa vo vnútri látky nachádzajú elementárne elektrické prúdy (Ampérové ​​prúdy), ktoré vznikajú v dôsledku pohybu elektrónov okolo jadier atómov a okolo vlastnej osi.

Elementárne magnetické polia vznikajú pohybom elektrónov.A ak je kus železa vložený do vonkajšieho magnetického poľa, potom všetky elementárne magnetické polia v tomto železe sú orientované rovnakým spôsobom vo vonkajšom magnetickom poli, pričom vytvárajú svoje vlastné magnetické pole z kusu železa. Takže ak bolo aplikované vonkajšie magnetické pole dostatočne silné, po vypnutí by sa kus železa stal permanentným magnetom.

Poznanie tvaru a magnetizácie permanentného magnetu umožňuje nahradiť výpočty ekvivalentným systémom elektrických magnetizačných prúdov. Takáto náhrada je možná tak pri výpočte charakteristík magnetického poľa, ako aj pri výpočte síl pôsobiacich na magnet z vonkajšieho poľa.

Vypočítajme napríklad interakčnú silu dvoch permanentných magnetov. Nech majú magnety tvar tenkých valcov, ich polomery označíme r1 a r2, hrúbky sú h1, h2, osi magnetov sa zhodujú, vzdialenosť medzi magnetmi označíme z, budeme predpokladať, že je oveľa väčšia ako veľkosť magnetov.

Vzhľad sily interakcie medzi magnetmi sa vysvetľuje tradičným spôsobom: jeden magnet vytvára magnetické pole, ktoré pôsobí na druhý magnet.

Na výpočet interakčnej sily mentálne nahradíme rovnomerne magnetizované magnety J1 a J2 kruhovými prúdmi prúdiacimi po bočnom povrchu valcov. Sily týchto prúdov budú vyjadrené v zmysle magnetizácie magnetov a ich polomery sa budú považovať za rovnaké ako polomery magnetov.

Rozložme indukčný vektor B magnetického poľa vytvoreného prvým magnetom namiesto druhého na dve zložky: axiálnu, smerujúcu pozdĺž osi magnetu, a radiálnu, na ňu kolmú.

Na výpočet celkovej sily pôsobiacej na krúžok je potrebné mentálne rozdeliť na malé prvky Idl a súčet Ampérypôsobiace na každý takýto prvok.

Pomocou pravidla vľavo je ľahké ukázať, že axiálna zložka magnetického poľa spôsobuje vznik ampérových síl, ktoré majú tendenciu naťahovať (alebo stláčať) krúžok – vektorový súčet týchto síl je nulový.

Prítomnosť radiálnej zložky poľa vedie k vzniku ampérových síl nasmerovaných pozdĺž osi magnetov, to znamená k ich priťahovaniu alebo odpudzovaniu. Zostáva vypočítať ampérové ​​sily - to budú sily interakcie medzi dvoma magnetmi.

Pozri tiež:Využitie permanentných magnetov v elektrotechnike a energetike