Permanentni magneti — vrste i svojstva, oblici, međudjelovanje magneta

Što je stalni magnet

Feromagnetski proizvod koji može zadržati značajnu zaostalu magnetizaciju nakon uklanjanja vanjskog magnetskog polja naziva se trajni magnet.

Trajni magneti izrađeni su od raznih metala poput kobalta, željeza, nikla, slitina rijetkih zemalja (za neodimijske magnete) kao i prirodnih minerala poput magnetita.

Opseg primjene trajnih magneta danas je vrlo širok, ali je njihova svrha u osnovi svugdje ista — kao stalni izvor magnetskog polja bez napajanja… Tako je magnet tijelo koje ima svoje magnetsko polje.

Sama riječ "magnet" dolazi od grčke fraze koja se prevodi kao "Kamen od magnezija", nazvan po azijskom gradu u kojem su u davnim vremenima otkrivene naslage magnetita - magnetske željezne rude… S fizičkog gledišta, elementarni magnet je elektron, a magnetska svojstva magneta obično su određena magnetskim momentima elektrona koji čine magnetizirani materijal.

Trajni magnet je dio magnetski sustavi električnih proizvoda… Uređaji s trajnim magnetima općenito se temelje na pretvorbi energije:

• mehanički u mehanički (separatori, magnetski konektori, itd.);

• mehanički u elektromagnetski (električni generatori, zvučnici itd.);

• elektromagnetski u mehanički (elektromotori, zvučnici, magnetoelektrični sustavi itd.);

• mehanički u unutarnji (kočni uređaji i sl.).

Za trajne magnete vrijede sljedeći zahtjevi:

• visoka specifična magnetska energija;

• minimalne dimenzije za danu jakost polja;

• održavanje performansi u širokom rasponu radnih temperatura;

• otpornost na vanjska magnetska polja; — tehnologija;

• niske cijene sirovina;

• stabilnost magnetskih parametara tijekom vremena.

Raznolikost zadataka koji se rješavaju uz pomoć permanentnih magneta zahtijevaju stvaranje mnogih oblika njihove primjene.Trajni magneti često imaju oblik potkove (tzv. "potkovasti" magneti).

Na slici su prikazani primjeri oblika industrijski proizvedenih permanentnih magneta na bazi elemenata rijetkih zemalja sa zaštitnim premazom.

Komercijalno proizvedeni trajni magneti raznih oblika: a — disk; b - prsten; c — paralelopiped; g — cilindar; d - lopta; e — isječak šupljeg valjka

Magneti se proizvode i od tvrdih magnetskih metalnih legura i ferita u obliku okruglih i pravokutnih šipki, kao i cjevastih, C-oblika, potkovastih, u obliku pravokutnih ploča itd.

Nakon što je materijal oblikovan potrebno ga je magnetizirati, odnosno staviti u vanjsko magnetsko polje, jer magnetske parametre permanentnih magneta određuju ne samo njihov oblik ili materijal od kojeg su izrađeni, već i smjer kretanja magnetizacija.

Radni komadi se magnetiziraju pomoću permanentnih magneta, istosmjernih elektromagneta ili zavojnica za magnetiziranje kroz koje prolaze strujni impulsi. Izbor metode magnetiziranja ovisi o materijalu i obliku trajnog magneta.

Kao posljedica jakog zagrijavanja, udaraca, trajni magneti mogu djelomično ili potpuno izgubiti svoja magnetska svojstva (demagnetizacija).

Karakteristike sekcije za demagnetiziranje petlje magnetske histereze materijal od kojeg je napravljen permanentni magnet određuje svojstva određenog permanentnog magneta: što je veća koercitivna sila Hc i veća je rezidualna vrijednost magnetska indukcija Br — jači i stabilniji magnet.

Prisilna moć (doslovno prevedeno s latinskog — "sila zadržavanja") — sila koja sprječava promjenu magnetske polarizacije feromagneti.

Sve dok feromagnet nije polariziran, odnosno elementarne struje nisu orijentirane, koercitivna sila sprječava orijentaciju elementarnih struja. Ali kada je feromagnet već polariziran, on održava elementarne struje u usmjerenom položaju čak i nakon uklanjanja vanjskog polja magnetiziranja.

Ovo objašnjava rezidualni magnetizam koji se vidi u mnogim feromagnetima. Što je veća koercitivna sila, to je jači fenomen zaostalog magnetizma.

Dakle, prisilna moć je jakost magnetskog poljapotreban za potpunu demagnetizaciju fero- ili ferimagnetske tvari. Dakle, što određeni magnet ima veću koercitivnost, to je otporniji na demagnetizirajuće faktore.

Mjerna jedinica sile prisile u NE — Amper / metar. A magnetska indukcija, kao što znate, je vektorska veličina, koja je karakteristika sile magnetskog polja. Karakteristična vrijednost rezidualne magnetske indukcije permanentnih magneta je reda veličine 1 Tesla.

Magnetska histereza — prisutnost učinaka polarizacije magneta dovodi do činjenice da se magnetizacija i demagnetizacija magnetskog materijala odvija neravnomjerno, budući da magnetizacija materijala cijelo vrijeme malo zaostaje za poljem magnetiziranja.

U tom se slučaju dio energije utrošen na magnetiziranje tijela ne vraća tijekom demagnetizacije, već se pretvara u toplinu. Stoga je opetovano mijenjanje magnetizacije materijala povezano s primjetnim gubicima energije i ponekad može uzrokovati jako zagrijavanje magnetiziranog tijela.

Što je histereza u materijalu izraženija, to je veći gubitak u njemu kada je magnetizacija obrnuta. Stoga se za magnetske krugove s izmjeničnim magnetskim tokom koriste materijali koji nemaju histerezu (vidi — Magnetske jezgre električnih uređaja).

Magnetska svojstva permanentnih magneta mogu se promijeniti pod utjecajem vremena i vanjskih čimbenika, koji uključuju:

• temperatura;

• magnetska polja;

• mehanička opterećenja;

• zračenje itd.

Promjenu magnetskih svojstava karakterizira nestabilnost permanentnog magneta, koja može biti strukturna i magnetska.

Strukturna nestabilnost povezana je s promjenama kristalne strukture, faznim transformacijama, smanjenjem unutarnjih naprezanja itd. U ovom slučaju, izvorna magnetska svojstva mogu se dobiti obnavljanjem strukture (na primjer, toplinskom obradom materijala).

Magnetska nestabilnost uzrokovana je promjenom magnetske strukture magnetske tvari koja tijekom vremena i pod utjecajem vanjskih utjecaja teži termodinamičkoj ravnoteži. Magnetska nestabilnost može biti:

• reverzibilan (povratak na početne uvjete vraća izvorna magnetska svojstva);

• ireverzibilan (povratak izvornih svojstava može se postići samo ponovnim magnetiziranjem).

Stalni magnet ili elektromagnet — što je bolje?

Korištenje permanentnih magneta za stvaranje trajnog magnetskog polja umjesto njihovih ekvivalentnih elektromagneta omogućuje:

• smanjiti karakteristike težine i veličine proizvoda;

• isključuje korištenje dodatnih izvora energije (što pojednostavljuje dizajn proizvoda, smanjuje troškove njihove proizvodnje i rada);

• pružaju gotovo neograničeno vrijeme održavanja magnetskog polja u radnim uvjetima (ovisno o korištenom materijalu).

Nedostaci permanentnih magneta su:

• krhkost materijala korištenih u njihovom stvaranju (to komplicira mehaničku obradu proizvoda);

• potreba za zaštitom od utjecaja vlage i plijesni (za ferite GOST 24063), kao i od utjecaja visoke vlažnosti i temperature.

Vrste i svojstva permanentnih magneta

Ferit

Feritni magneti, iako krhki, imaju dobru otpornost na koroziju, što ih čini najčešćim po niskoj cijeni. Ovi magneti izrađeni su od legure željeznog oksida s barijevim ili stroncijevim feritom. Ovaj sastav omogućuje materijalu da zadrži svoja magnetska svojstva u širokom temperaturnom rasponu — od -30 ° C do + 270 ° C.

Magnetski proizvodi u obliku feritnih prstenova, šipki i potkova naširoko se koriste kako u industriji tako iu svakodnevnom životu, u tehnologiji i elektronici. Koriste se u sustavima zvučnika, u generatorima, kod istosmjernih motora… U automobilskoj industriji feritni magneti se ugrađuju u elektropokretače, prozore, rashladne sustave i ventilatore.

Feritne magnete karakterizira koercitivna sila od oko 200 kA/m i rezidualna magnetska indukcija od oko 0,4 Tesla. U prosjeku, feritni magnet može trajati 10 do 30 godina.

Alnico (aluminij-nikal-kobalt)

Trajni magneti na bazi legure aluminija, nikla i kobalta odlikuju se nenadmašnom temperaturnom stabilnošću i stabilnošću: sposobni su zadržati svoja magnetska svojstva na temperaturama do + 550 ° C, iako je njihova prisilna sila relativno mala. Pod utjecajem relativno malog magnetskog polja takvi će magneti izgubiti svoja izvorna magnetska svojstva.

Prosudite sami: tipična prisilna sila je oko 50 kA / m s preostalom magnetizacijom od oko 0,7 Tesla. Unatoč ovoj značajci, alnico magneti su nezamjenjivi za neka znanstvena istraživanja.

Tipični sadržaj komponenti u alnico legurama s visokim magnetskim svojstvima varira u sljedećim granicama: aluminij - od 7 do 10%, nikal - od 12 do 15%, kobalt - od 18 do 40% i od 3 do 4% bakra.

Što je više kobalta, veća je indukcija zasićenja i magnetska energija legure. Dodaci u obliku 2 do 8% titana i samo 1% niobija doprinose postizanju veće sile prisile - do 145 kA / m. Dodatak 0,5 do 1% silicija osigurava izotropna magnetska svojstva.

Samarija

Ako vam je potrebna iznimna otpornost na koroziju, oksidaciju i temperature do +350 °C, tada je magnetska legura samarija s kobaltom ono što vam je potrebno.

Samarij-kobalt magneti su po određenoj cijeni skuplji od neodimijumskih magneta zbog oskudnijeg i skupljeg metala, kobalta. Ipak, preporuča se koristiti ih ako je potrebno imati minimalne dimenzije i težinu gotovih proizvoda.

Ovo je najprikladnije u svemirskim letjelicama, zrakoplovstvu i računalnoj tehnologiji, minijaturnim električnim motorima i magnetskim spojnicama, u nosivim uređajima i uređajima (satovi, slušalice, mobilni telefoni itd.)

Zbog posebne otpornosti na koroziju, upravo se samarijevi magneti koriste u strateškom razvoju i vojnim aplikacijama. Elektromotori, generatori, podizni sustavi, motorna vozila - jaki magnet od legure samarija i kobalta idealan je za agresivna okruženja i teške uvjete rada. Koercitivna sila je reda veličine 700 kA/m s rezidualnom magnetskom indukcijom reda veličine 1 Tesla.

Neodimijski

Neodimijski magneti su danas u velikoj potražnji i čini se da najviše obećavaju. Legura neodima, željeza i bora omogućuje vam stvaranje super magneta za razne primjene, od brava i igračaka do električnih generatora i snažnih strojeva za podizanje.

Visoka koercitivna sila od oko 1000 kA / m i preostala magnetizacija od oko 1,1 Tesla omogućuju održavanje magneta dugi niz godina, tijekom 10 godina neodimijski magnet gubi samo 1% svoje magnetizacije ako njegova temperatura u radnim uvjetima ne prelazi + 80 ° C (za neke marke do + 200 ° C). Dakle, postoje samo dva nedostatka neodimskih magneta - krhkost i niska radna temperatura.

Magnetoplasti

Magnetski prah zajedno s vezivom čini mekan, savitljiv i lagan magnet. Komponente za lijepljenje kao što su vinil, guma, plastika ili akril omogućuju proizvodnju magneta u različitim oblicima i veličinama.

Magnetska sila je, naravno, manja od čistog magnetskog materijala, ali ponekad su takva rješenja potrebna za postizanje određenih neobičnih namjena magneta: u proizvodnji reklamnih proizvoda, u proizvodnji uklonjivih naljepnica za automobile, kao iu proizvodnji razne dopisnice i suveniri.

Međudjelovanje magneta

Kao što se polovi magneta odbijaju, a za razliku od polova privlače. Interakcija magneta objašnjava se činjenicom da svaki magnet ima magnetsko polje i ta magnetska polja međusobno djeluju. Na primjer, koji je razlog magnetiziranja željeza?

Prema hipotezi francuskog znanstvenika Amperea, unutar tvari postoje elementarne električne struje (Amperske struje), koji nastaju zbog kretanja elektrona oko jezgri atoma i oko vlastite osi.

Elementarna magnetska polja nastaju kretanjem elektrona.A ako se komad željeza uvede u vanjsko magnetsko polje, tada su sva elementarna magnetska polja u tom željezu usmjerena na isti način u vanjskom magnetskom polju, tvoreći vlastito magnetsko polje od komada željeza. Dakle, ako je primijenjeno vanjsko magnetsko polje bilo dovoljno jako, nakon što ste ga isključili, komad željeza bi postao trajni magnet.

Poznavanje oblika i magnetizacije trajnog magneta omogućuje da se izračuni zamijene ekvivalentnim sustavom struja električnog magnetiziranja. Takva je zamjena moguća i pri proračunu karakteristika magnetskog polja i pri proračunu sila koje djeluju na magnet iz vanjskog polja.

Na primjer, izračunajmo međudjelovanje dvaju stalnih magneta. Neka magneti imaju oblik tankih cilindara, njihove radijuse označit ćemo s r1 i r2, debljine su h1, h2, osi magneta se poklapaju, udaljenost između magneta označit ćemo s z, pretpostavit ćemo da je je mnogo veća od veličine magneta.

Pojava sile međudjelovanja između magneta objašnjava se na tradicionalan način: jedan magnet stvara magnetsko polje koje djeluje na drugi magnet.

Da bismo izračunali silu međudjelovanja, mentalno zamijenimo jednoliko magnetizirane magnete J1 i J2 s kružnim strujama koje teku na bočnoj površini cilindara. Jakost tih struja izrazit će se preko magnetizacije magneta, a njihovi polumjeri će se smatrati jednakima polumjerima magneta.

Rastavimo vektor indukcije B magnetskog polja koji stvara prvi magnet umjesto drugog na dvije komponente: aksijalnu, usmjerenu duž osi magneta, i radijalnu, okomitu na nju.

Da bi se izračunala ukupna sila koja djeluje na prsten, potrebno ju je mentalno podijeliti na male elemente Idl i zbroj amperadjelujući na svaki takav element.

Koristeći pravilo s lijeve strane, lako je pokazati da aksijalna komponenta magnetskog polja uzrokuje Amperove sile koje nastoje rastegnuti (ili stisnuti) prsten — vektorski zbroj tih sila je nula.

Prisutnost radijalne komponente polja dovodi do pojave Amperovih sila usmjerenih duž osi magneta, odnosno do njihovog privlačenja ili odbijanja. Ostaje izračunati Amperove sile - to će biti sile interakcije između dva magneta.

Vidi također:Primjena permanentnih magneta u elektrotehnici i energetici