Magneți permanenți — tipuri și proprietăți, forme, interacțiunea magneților

Ce este un magnet permanent

Un produs feromagnetic capabil să rețină magnetizare reziduală semnificativă după îndepărtarea câmpului magnetic extern se numește magnet permanent.

Magneții permanenți sunt fabricați din diferite metale, cum ar fi cobalt, fier, nichel, aliaje de pământuri rare (pentru magneții de neodim), precum și minerale naturale precum magnetitele.

Domeniul de aplicare al magneților permanenți astăzi este foarte larg, dar scopul lor este în esență același peste tot - ca sursă de câmp magnetic permanent fără sursă de alimentare… Astfel, un magnet este un corp care are propriul său corp camp magnetic.

Însuși cuvântul „magnet” provine din expresia greacă care se traduce prin „Piatra Magneziei”, numită după orașul asiatic în care s-au descoperit în antichitate zăcăminte de magnetit – un minereu de fier magnetic.… Din punct de vedere fizic, un magnet elementar este un electron, iar proprietățile magnetice ale magneților sunt de obicei determinate de momentele magnetice ale electronilor care formează materialul magnetizat.

Magnetul permanent este o parte sisteme magnetice ale produselor electrice… Dispozitivele cu magnet permanenți se bazează în general pe conversia energiei:

• mecanic la mecanic (separatoare, conectori magnetici etc.);

• mecanic până la electromagnetic (generatoare electrice, difuzoare etc.);

• electromagnetic până la mecanic (motoare electrice, difuzoare, sisteme magnetoelectrice etc.);

• mecanic la interior (dispozitive de frânare etc.).

Următoarele cerințe se aplică magneților permanenți:

• energie magnetică specifică ridicată;

• dimensiuni minime pentru o anumită intensitate a câmpului;

• menținerea performanței pe o gamă largă de temperaturi de funcționare;

• rezistență la câmpurile magnetice externe; - tehnologie;

• costul scăzut al materiilor prime;

• stabilitatea parametrilor magnetici în timp.

Varietatea sarcinilor rezolvate cu ajutorul magneților permanenți necesită crearea multor forme de implementare a acestora.Magneții permanenți sunt adesea formați ca o potcoavă (așa-numiții magneți „pocoavă”).

Figura prezintă exemple de forme de magneți permanenți produși industrial pe bază de elemente de pământuri rare cu un strat protector.

Magneți permanenți produși comercial de diverse forme: a — disc; aduce; c — paralelipiped; g — cilindru; d — minge; e — sector al unui cilindru gol

Magneții sunt produși și din aliaje metalice magnetice dure și ferite sub formă de tije rotunde și dreptunghiulare, precum și tubulare, în formă de C, în formă de potcoavă, sub formă de plăci dreptunghiulare etc.

După ce materialul este modelat, acesta trebuie magnetizat, adică plasat într-un câmp magnetic extern, deoarece parametrii magnetici ai magneților permanenți sunt determinați nu numai de forma lor sau de materialul din care sunt fabricați, ci și de direcția magnetizare.

Piesele de prelucrat sunt magnetizate folosind magneți permanenți, electromagneți DC sau bobine de magnetizare prin care trec impulsurile de curent. Alegerea metodei de magnetizare depinde de materialul și forma magnetului permanent.

Ca urmare a încălzirii puternice, a impacturilor, magneții permanenți își pot pierde parțial sau complet proprietățile magnetice (demagnetizare).

Caracteristicile secțiunii de demagnetizare bucle de histerezis magnetic materialul din care este realizat un magnet permanent determină proprietățile unui anumit magnet permanent: cu cât forța coercitivă Hc este mai mare și cu atât valoarea reziduală este mai mare inducție magnetică Br — magnetul mai puternic și mai stabil.

Puterea coercitivă (tradus literal din latină — „forță de reținere”) — o forță care împiedică schimbarea polarizării magnetice feromagneți.

Atâta timp cât feromagnetul nu este polarizat, adică curenții elementari nu sunt orientați, forța coercitivă împiedică orientarea curenților elementari. Dar când feromagnetul este deja polarizat, menține curenții elementari într-o poziție orientată chiar și după îndepărtarea câmpului de magnetizare extern.

Acest lucru explică magnetismul rezidual observat la mulți feromagneți. Cu cât forța coercitivă este mai mare, cu atât este mai puternic fenomenul de magnetism rezidual.

Deci puterea coercitivă este intensitatea câmpului magneticnecesare pentru demagnetizarea completă a unei substanțe fero- sau ferimagnetice. Astfel, cu cât are un anumit magnet mai coercitiv, cu atât este mai rezistent la factorii demagnetizanți.

O unitate de măsură a forței coercitive în NE - Amperi / metru. A inducție magneticăDupă cum știți, este o mărime vectorială, care este o forță caracteristică câmpului magnetic. Valoarea caracteristică a inducției magnetice reziduale a magneților permanenți este de ordinul a 1 Tesla.

Histerezis magnetic — prezența efectelor polarizării magneților duce la faptul că magnetizarea și demagnetizarea materialului magnetic se desfășoară neuniform, deoarece magnetizarea materialului în permanență rămâne ușor în urma câmpului de magnetizare.

În acest caz, o parte din energia cheltuită pentru magnetizarea corpului nu este returnată în timpul demagnetizării, ci se transformă în căldură. Prin urmare, inversarea în mod repetat a magnetizării materialului este asociată cu pierderi de energie vizibile și poate provoca uneori încălzirea puternică a corpului magnetizat.

Cu cât histerezisul materialului este mai pronunțat, cu atât este mai mare pierderea în acesta atunci când magnetizarea este inversată. Prin urmare, materialele care nu au histerezis sunt utilizate pentru circuite magnetice cu flux magnetic alternativ (vezi — Miezuri magnetice ale dispozitivelor electrice).

Proprietățile magnetice ale magneților permanenți se pot modifica sub influența timpului și a factorilor externi, care includ:

• temperatura;

• campuri magnetice;

• sarcini mecanice;

• radiatii etc.

Modificarea proprietăților magnetice este caracterizată de instabilitatea magnetului permanent, care poate fi structural sau magnetic.

Instabilitatea structurală este asociată cu modificări ale structurii cristaline, transformări de fază, reducerea tensiunilor interne etc. În acest caz, proprietățile magnetice originale pot fi obținute prin refacerea structurii (de exemplu, prin tratarea termică a materialului).

Instabilitatea magnetică este cauzată de o modificare a structurii magnetice a substanței magnetice, care tinde spre echilibrul termodinamic în timp și sub influența influențelor externe. Instabilitatea magnetică poate fi:

• reversibil (revenirea la condițiile inițiale restabilește proprietățile magnetice originale);

• ireversibilă (revenirea proprietăților originale poate fi realizată numai prin magnetizare repetată).

Magnet permanent sau electromagnet - care este mai bine?

Utilizarea magneților permanenți pentru a crea un câmp magnetic permanent în locul electromagneților echivalenti ai acestora permite:

• pentru a reduce caracteristicile de greutate și dimensiune ale produselor;

• exclude utilizarea surselor de energie suplimentare (care simplifică proiectarea produselor, reduce costul producției și exploatării acestora);

• asigura un timp aproape nelimitat pentru mentinerea campului magnetic in conditii de lucru (in functie de materialul folosit).

Dezavantajele magneților permanenți sunt:

• fragilitatea materialelor utilizate la crearea lor (acest lucru complică prelucrarea mecanică a produselor);

• nevoia de protecție împotriva influenței umidității și mucegaiului (pentru ferite GOST 24063), precum și împotriva influenței umidității și temperaturii ridicate.

Tipuri și proprietăți ale magneților permanenți

Ferită

Magneții de ferită, deși fragili, au o rezistență bună la coroziune, făcându-i cei mai obișnuiți la costuri reduse. Acești magneți sunt fabricați dintr-un aliaj de oxid de fier cu ferită de bariu sau stronțiu. Această compoziție permite materialului să-și păstreze proprietățile magnetice într-un interval larg de temperatură - de la -30 ° C la + 270 ° C.

Produsele magnetice sub formă de inele de ferită, tije și potcoave sunt utilizate pe scară largă atât în ​​industrie, cât și în viața de zi cu zi, în tehnologie și electronică. Sunt utilizate în sistemele de difuzoare, în generatoare, în motoarele de curent continuu… În industria auto, magneții de ferită sunt instalați în demaroare, ferestre, sisteme de răcire și ventilatoare.

Magneții de ferită sunt caracterizați printr-o forță coercitivă de aproximativ 200 kA/m și o inducție magnetică reziduală de aproximativ 0,4 Tesla. În medie, un magnet de ferită poate dura 10 până la 30 de ani.

Alnico (aluminiu-nichel-cobalt)

Magneții permanenți bazați pe un aliaj de aluminiu, nichel și cobalt se caracterizează printr-o stabilitate și stabilitate de temperatură de neegalat: își pot menține proprietățile magnetice la temperaturi de până la + 550 ° C, deși forța lor coercitivă este relativ mică. Sub influența unui câmp magnetic relativ mic, astfel de magneți își vor pierde proprietățile magnetice originale.

Judecați singuri: o forță coercitivă tipică este de aproximativ 50 kA / m cu o magnetizare reziduală de aproximativ 0,7 Tesla. În ciuda acestei caracteristici, magneții alnico sunt indispensabili pentru unele cercetări științifice.

Conținutul tipic al componentelor din aliajele de alnico cu proprietăți magnetice ridicate variază în următoarele limite: aluminiu - de la 7 la 10%, nichel - de la 12 la 15%, cobalt - de la 18 la 40% și de la 3 la 4% cupru.

Cu cât mai mult cobalt, cu atât este mai mare inducția de saturație și energia magnetică a aliajului. Aditivii sub formă de 2 până la 8% titan și doar 1% niobiu contribuie la obținerea unei forțe coercitive mai mari - până la 145 kA / m. Adăugarea de 0,5 până la 1% siliciu asigură proprietăți magnetice izotrope.

Samaria

Dacă aveți nevoie de rezistență excepțională la coroziune, oxidare și temperaturi de până la + 350 ° C, atunci un aliaj magnetic de samariu cu cobalt este ceea ce aveți nevoie.

La un anumit preț, magneții de samariu-cobalt sunt mai scumpi decât magneții de neodim din cauza metalului mai rar și mai scump, cobaltul. Cu toate acestea, se recomandă utilizarea acestora dacă este necesar să existe dimensiuni și greutate minime ale produselor finale.

Acest lucru este cel mai potrivit pentru nave spațiale, aviație și tehnologia computerizată, motoare electrice miniaturale și cuplaje magnetice, în purtabile și dispozitive (ceasuri, căști, telefoane mobile etc.)

Datorită rezistenței sale speciale la coroziune, magneții de samariu sunt utilizați în dezvoltarea strategică și aplicațiile militare. Motoare electrice, generatoare, sisteme de ridicare, autovehicule - un magnet puternic din aliaj de samariu-cobalt este ideal pentru medii agresive si conditii dificile de lucru. Forța coercitivă este de ordinul a 700 kA/m cu o inducție magnetică reziduală de ordinul a 1 Tesla.

Neodim

Magneții de neodim sunt la mare căutare astăzi și par a fi cei mai promițători. Aliajul neodim-fier-bor vă permite să creați super magneți pentru o varietate de aplicații, de la încuietori și jucării până la generatoare electrice și mașini puternice de ridicare.

O forță coercitivă mare de aproximativ 1000 kA/m și o magnetizare reziduală de aproximativ 1,1 Tesla permit menținerea magnetului timp de mulți ani, timp de 10 ani un magnet de neodim își pierde doar 1% din magnetizare dacă temperatura sa în condiții de funcționare nu depășește + 80 ° C (pentru unele mărci până la + 200 ° C). Astfel, există doar două dezavantaje ale magneților de neodim - fragilitatea și temperatura scăzută de funcționare.

Magnetoplaste

Pulberea magnetică împreună cu liantul formează un magnet moale, flexibil și ușor. Componentele de lipire precum vinilul, cauciucul, plasticul sau acrilul permit producerea magneților într-o varietate de forme și dimensiuni.

Forța magnetică este, desigur, mai mică decât materialul magnetic pur, dar uneori astfel de soluții sunt necesare pentru a atinge anumite scopuri neobișnuite pentru magneți: în producția de produse publicitare, în producția de autocolante detașabile pentru mașini, precum și în producția de diverse articole de papetărie și suveniruri.

Interacțiunea magneților

La fel ca polii magneților se resping și spre deosebire de polii se atrag. Interacțiunea magneților se explică prin faptul că fiecare magnet are un câmp magnetic și aceste câmpuri magnetice interacționează între ele. De exemplu, care este motivul magnetizării fierului?

Conform ipotezei omului de știință francez Ampere, în interiorul substanței există curenți electrici elementari (Curenți de amperi), care se formează datorită mișcării electronilor în jurul nucleelor ​​atomilor și în jurul propriei axe.

Câmpurile magnetice elementare apar din mișcarea electronilor.Și dacă o bucată de fier este introdusă într-un câmp magnetic exterior, atunci toate câmpurile magnetice elementare din acest fier sunt orientate în același mod într-un câmp magnetic extern, formând propriul câmp magnetic dintr-o bucată de fier. Deci, dacă câmpul magnetic extern aplicat ar fi suficient de puternic, odată ce l-ați oprit, bucata de fier ar deveni un magnet permanent.

Cunoașterea formei și magnetizării unui magnet permanent permite înlocuirea calculelor cu un sistem echivalent de curenți electrici de magnetizare. O astfel de înlocuire este posibilă atât la calcularea caracteristicilor câmpului magnetic, cât și la calcularea forțelor care acționează asupra magnetului din câmpul exterior.

De exemplu, să calculăm forța de interacțiune a doi magneți permanenți. Fie ca magneții să aibă formă de cilindri subțiri, razele lor vor fi notate cu r1 și r2, grosimile sunt h1, h2, axele magneților coincid, distanța dintre magneți se va nota cu z, vom presupune că este mult mai mare decât dimensiunea magneților.

Apariția forței de interacțiune între magneți este explicată în mod tradițional: un magnet creează un câmp magnetic care acționează asupra celui de-al doilea magnet.

Pentru a calcula forța de interacțiune, înlocuim mental magneții J1 și J2 magnetizați uniform cu curenți circulari care curg pe suprafața laterală a cilindrilor. Puterile acestor curenți vor fi exprimate în termeni de magnetizare a magneților, iar razele lor vor fi considerate egale cu razele magneților.

Să descompunăm vectorul de inducție B al câmpului magnetic creat de primul magnet în locul celui de-al doilea în două componente: axială, îndreptată de-a lungul axei magnetului, și radială, perpendiculară pe acesta.

Pentru a calcula forța totală care acționează asupra inelului, este necesar să o împărțim mental în elemente mici Idl și suma Amperiacţionând asupra fiecărui astfel de element.

Folosind regula din stânga, este ușor de arătat că componenta axială a câmpului magnetic dă naștere la forțe Ampere care tind să întindă (sau să comprime) inelul - suma vectorială a acestor forțe este zero.

Prezența componentei radiale a câmpului duce la apariția forțelor Ampere direcționate de-a lungul axei magneților, adică la atracția sau respingerea acestora. Rămâne de calculat forțele Ampere - acestea vor fi forțele de interacțiune dintre cei doi magneți.

Vezi si:Utilizarea magneților permanenți în inginerie electrică și energie