Permanente magneter - typer og egenskaper, former, interaksjon av magneter

Hva er en permanent magnet

Et ferromagnetisk produkt som er i stand til å beholde betydelig gjenværende magnetisering etter fjerning av det eksterne magnetfeltet kalles en permanent magnet.

Permanente magneter er laget av forskjellige metaller som kobolt, jern, nikkel, sjeldne jordarters legeringer (for neodymmagneter) samt naturlige mineraler som magnetitter.

Anvendelsesområdet for permanente magneter i dag er veldig bredt, men deres formål er fundamentalt det samme overalt - som en permanent magnetfeltkilde uten strømforsyning… En magnet er altså en kropp som har sin egen magnetfelt.

Selve ordet "magnet" kommer fra den greske setningen som oversettes som "Stone of Magnesia", oppkalt etter den asiatiske byen der forekomster av magnetitt - en magnetisk jernmalm - ble oppdaget i antikken… Fra et fysisk synspunkt er en elementær magnet et elektron, og de magnetiske egenskapene til magneter bestemmes vanligvis av de magnetiske momentene til elektronene som utgjør det magnetiserte materialet.

Den permanente magneten er en del magnetiske systemer av elektriske produkter… Permanente magnetenheter er generelt basert på energikonvertering:

• mekanisk til mekanisk (separatorer, magnetiske kontakter, etc.);

• mekanisk til elektromagnetisk (elektriske generatorer, høyttalere, etc.);

• elektromagnetisk til mekanisk (elektriske motorer, høyttalere, magnetoelektriske systemer, etc.);

• mekanisk til intern (bremseanordninger, etc.).

Følgende krav gjelder for permanente magneter:

• høy spesifikk magnetisk energi;

• minimumsdimensjoner for en gitt feltstyrke;

• opprettholde ytelsen over et bredt spekter av driftstemperaturer;

• motstand mot eksterne magnetiske felt; — teknologi;

• lave kostnader for råvarer;

• stabilitet av magnetiske parametere over tid.

Variasjonen av oppgaver som løses ved hjelp av permanente magneter nødvendiggjør etableringen av mange former for implementering.Permanente magneter er ofte formet som en hestesko (de såkalte "hestesko"-magneter).

Figuren viser eksempler på former for industrielt produserte permanentmagneter basert på sjeldne jordartsmetaller med et beskyttende belegg.

Kommersielt produserte permanente magneter av forskjellige former: a — disk; b — ring; c — parallellepipedum; g - sylinder; d — ball; e — sektor av en hul sylinder

Magneter produseres også av hardmagnetiske metallegeringer og ferritter i form av runde og rektangulære stenger, samt rørformede, C-formede, hesteskoformede, i form av rektangulære plater, etc.

Etter at materialet er formet, må det magnetiseres, det vil si plasseres i et eksternt magnetfelt, fordi de magnetiske parametrene til permanente magneter bestemmes ikke bare av deres form eller materialet de er laget av, men også av retningen til magnetisering.

Arbeidsstykkene magnetiseres ved hjelp av permanente magneter, DC-elektromagneter eller magnetiseringsspoler som strømpulser passerer gjennom. Valget av magnetiseringsmetode avhenger av materialet og formen på den permanente magneten.

Som et resultat av sterk oppvarming, støt, kan permanente magneter delvis eller fullstendig miste sine magnetiske egenskaper (avmagnetisering).

Kjennetegn ved avmagnetiseringsseksjonen magnetiske hystereseløkker materialet som en permanent magnet er laget av bestemmer egenskapene til en bestemt permanent magnet: jo høyere tvangskraften Hc og jo høyere restverdi magnetisk induksjon Br — den sterkere og mer stabile magneten.

Tvangsmakt (bokstavelig talt oversatt fra latin - "holdekraft") - en kraft som forhindrer en endring i magnetisk polarisering ferromagneter.

Så lenge ferromagneten ikke er polarisert, det vil si at elementærstrømmene ikke er orientert, forhindrer tvangskraften orienteringen av elementærstrømmene. Men når ferromagneten allerede er polarisert, opprettholder den elementærstrømmene i en orientert posisjon selv etter at det eksterne magnetiseringsfeltet er fjernet.

Dette forklarer restmagnetismen som sees i mange ferromagneter. Jo større tvangskraft, jo sterkere er gjenværende magnetisme-fenomen.

Så tvangsmakt er det magnetisk feltstyrkenødvendig for fullstendig avmagnetisering av et ferro- eller ferrimagnetisk stoff. Jo mer tvangskraft en bestemt magnet har, jo mer motstandsdyktig er den mot demagnetiserende faktorer.

En måleenhet for tvangskraft i NE — Ampere / meter. EN magnetisk induksjon, som du vet, er en vektormengde, som er en kraft som er karakteristisk for magnetfeltet. Den karakteristiske verdien av den gjenværende magnetiske induksjonen til permanente magneter er i størrelsesorden 1 Tesla.

Magnetisk hysterese — Tilstedeværelsen av effektene av polarisasjonen av magneter fører til at magnetiseringen og demagnetiseringen av det magnetiske materialet fortsetter ujevnt, siden magnetiseringen av materialet hele tiden henger litt etter magnetiseringsfeltet.

I dette tilfellet returneres ikke en del av energien som brukes på magnetisering av kroppen under avmagnetisering, men blir til varme. Derfor er gjentatt reversering av magnetiseringen av materialet assosiert med merkbare energitap og kan noen ganger forårsake sterk oppvarming av det magnetiserte legemet.

Jo mer uttalt hysteresen er i materialet, desto større er tapet i det når magnetiseringen reverseres. Derfor brukes materialer som ikke har hysterese for magnetiske kretser med vekslende magnetisk fluks (se - Magnetiske kjerner av elektriske enheter).

De magnetiske egenskapene til permanente magneter kan endres under påvirkning av tid og eksterne faktorer, som inkluderer:

• temperatur;

• magnetiske felt;

• mekaniske belastninger;

• stråling etc.

Endringen i magnetiske egenskaper er preget av ustabiliteten til den permanente magneten, som kan være strukturell eller magnetisk.

Strukturell ustabilitet er forbundet med endringer i krystallstrukturen, fasetransformasjoner, reduksjon av indre spenninger osv. I dette tilfellet kan de opprinnelige magnetiske egenskapene oppnås ved å gjenopprette strukturen (for eksempel ved varmebehandling av materialet).

Magnetisk ustabilitet er forårsaket av en endring i den magnetiske strukturen til det magnetiske stoffet, som har en tendens til termodynamisk likevekt over tid og under påvirkning av ytre påvirkninger. Magnetisk ustabilitet kan være:

• reversibel (gå tilbake til startforholdene gjenoppretter originale magnetiske egenskaper);

• irreversibel (retur av de opprinnelige egenskapene kan kun oppnås ved gjentatt magnetisering).

Permanent magnet eller elektromagnet - hva er bedre?

Bruk av permanente magneter for å skape et permanent magnetfelt i stedet for deres tilsvarende elektromagneter tillater:

• å redusere vekt- og størrelsesegenskapene til produktene;

• utelukker bruk av ekstra energikilder (som forenkler utformingen av produkter, reduserer kostnadene ved produksjon og drift);

• gi en nesten ubegrenset tid til å opprettholde magnetfeltet under arbeidsforhold (avhengig av materialet som brukes).

Ulempene med permanente magneter er:

• skjørheten til materialene som ble brukt i deres skapelse (dette kompliserer den mekaniske behandlingen av produktene);

• behovet for beskyttelse mot påvirkning av fuktighet og mugg (for ferritter GOST 24063), samt mot påvirkning av høy luftfuktighet og temperatur.

Typer og egenskaper til permanente magneter

Ferritt

Ferrittmagneter, selv om de er skjøre, har god korrosjonsmotstand, noe som gjør dem til de vanligste til en lav pris. Disse magnetene er laget av en legering av jernoksid med barium eller strontiumferritt. Denne sammensetningen lar materialet beholde sine magnetiske egenskaper i et bredt temperaturområde - fra -30 ° C til + 270 ° C.

Magnetiske produkter i form av ferrittringer, stenger og hestesko er mye brukt både i industrien og i hverdagen, innen teknologi og elektronikk. De brukes i høyttalersystemer, i generatorer, i DC-motorer… I bilindustrien er ferrittmagneter installert i startere, vinduer, kjølesystemer og vifter.

Ferrittmagneter er karakterisert ved en tvangskraft på ca. 200 kA/m og en gjenværende magnetisk induksjon på ca. 0,4 Tesla. I gjennomsnitt kan en ferrittmagnet vare i 10 til 30 år.

Alnico (aluminium-nikkel-kobolt)

Permanente magneter basert på en legering av aluminium, nikkel og kobolt er preget av uovertruffen temperaturstabilitet og stabilitet: de er i stand til å opprettholde sine magnetiske egenskaper ved temperaturer opp til + 550 ° C, selv om deres tvangskraft er relativt liten. Under påvirkning av et relativt lite magnetfelt vil slike magneter miste sine opprinnelige magnetiske egenskaper.

Døm selv: en typisk tvangskraft er omtrent 50 kA/m med en restmagnetisering på omtrent 0,7 Tesla. Til tross for denne funksjonen er alnico-magneter uunnværlige for en del vitenskapelig forskning.

Det typiske innholdet av komponenter i alnico-legeringer med høye magnetiske egenskaper varierer innenfor følgende grenser: aluminium - fra 7 til 10%, nikkel - fra 12 til 15%, kobolt - fra 18 til 40% og fra 3 til 4% kobber.

Jo mer kobolt, jo høyere er metningsinduksjonen og den magnetiske energien til legeringen. Tilsetningsstoffer i form av 2 til 8 % titan og kun 1 % niob bidrar til å oppnå en høyere tvangskraft — opptil 145 kA/m. Tilsetning av 0,5 til 1 % silisium sikrer isotropiske magnetiske egenskaper.

Samaria

Hvis du trenger eksepsjonell motstand mot korrosjon, oksidasjon og temperaturer opp til + 350 ° C, er en magnetisk legering av samarium med kobolt det du trenger.

Til en viss pris er samarium-koboltmagneter dyrere enn neodymmagneter på grunn av det knappere og dyrere metallet, kobolt. Det anbefales likevel å bruke dem hvis det er nødvendig å ha minimumsdimensjoner og vekt på sluttproduktene.

Dette er mest hensiktsmessig i romfartøy, luftfart og datateknologi, elektriske miniatyrmotorer og magnetiske koblinger, i wearables og enheter (klokker, hodetelefoner, mobiltelefoner, etc.)

På grunn av sin spesielle motstand mot korrosjon, er det samariummagneter som brukes i strategisk utvikling og militære applikasjoner. Elektriske motorer, generatorer, løftesystemer, motorkjøretøyer - en sterk magnet laget av samarium-koboltlegering er ideell for aggressive miljøer og vanskelige arbeidsforhold. Tvangskraften er i størrelsesorden 700 kA/m med en gjenværende magnetisk induksjon i størrelsesorden 1 Tesla.

Neodym

Neodymmagneter er etterspurt i dag og ser ut til å være de mest lovende. Neodym-jern-bor-legeringen lar deg lage supermagneter for en rekke bruksområder, fra låser og leker til elektriske generatorer og kraftige løftemaskiner.

En høy tvangskraft på ca. 1000 kA/m og en restmagnetisering på ca. 1,1 Tesla gjør at magneten kan opprettholdes i mange år, i 10 år mister en neodymmagnet kun 1 % av magnetiseringen hvis temperaturen under driftsforhold ikke overstiger + 80 ° C (for noen merker opp til + 200 ° C). Dermed er det bare to ulemper med neodymmagneter - skjørhet og lav driftstemperatur.

Magnetoplaster

Det magnetiske pulveret danner sammen med bindemiddelet en myk, fleksibel og lett magnet. Limingskomponenter som vinyl, gummi, plast eller akryl gjør at magneter kan produseres i en rekke former og størrelser.

Den magnetiske kraften er selvfølgelig lavere enn rent magnetisk materiale, men noen ganger er slike løsninger nødvendige for å oppnå visse uvanlige formål for magneter: i produksjon av reklameprodukter, i produksjon av flyttbare bilklistremerker, så vel som i produksjon av diverse skrivesaker og suvenirer.

Samspill mellom magneter

Som polene til magneter frastøter og i motsetning til polene tiltrekker seg. Samspillet mellom magneter forklares ved at hver magnet har et magnetfelt og disse magnetfeltene samhandler med hverandre. Hva er for eksempel årsaken til magnetiseringen av jern?

I følge hypotesen til den franske forskeren Ampere, inne i stoffet er det elementære elektriske strømmer (Ampere strømmer), som dannes på grunn av bevegelse av elektroner rundt atomkjernene og rundt deres egen akse.

Elementære magnetiske felt oppstår fra bevegelse av elektroner.Og hvis et stykke jern blir introdusert i et eksternt magnetfelt, er alle de elementære magnetfeltene i dette jernet orientert på samme måte i et eksternt magnetfelt, og danner sitt eget magnetfelt fra et jernstykke. Så hvis det påførte eksterne magnetfeltet var sterkt nok, ville jernstykket bli en permanent magnet når du slo det av.

Å kjenne formen og magnetiseringen til en permanent magnet gjør at beregningene kan erstattes av et ekvivalent system med elektriske magnetiseringsstrømmer. En slik erstatning er mulig både når man beregner egenskapene til magnetfeltet og når man beregner kreftene som virker på magneten fra det ytre feltet.

La oss for eksempel beregne interaksjonskraften til to permanentmagneter. La magnetene ha form av tynne sylindre, deres radier vil bli betegnet med r1 og r2, tykkelsene er h1, h2, aksene til magnetene faller sammen, avstanden mellom magnetene vil bli betegnet med z, vi vil anta at det er mye større enn størrelsen på magnetene.

Utseendet til vekselvirkningskraften mellom magneter er forklart på tradisjonell måte: en magnet skaper et magnetfelt som virker på den andre magneten.

For å beregne vekselvirkningskraften, erstatter vi mentalt de jevnt magnetiserte magnetene J1 og J2 med sirkulære strømmer som flyter på sideflaten av sylindrene. Styrkene til disse strømmene vil bli uttrykt i form av magnetiseringen til magnetene, og deres radier vil bli betraktet som lik radiene til magnetene.

La oss dekomponere induksjonsvektoren B til magnetfeltet skapt av den første magneten i stedet for den andre i to komponenter: aksial, rettet langs magnetens akse, og radial, vinkelrett på den.

For å beregne den totale kraften som virker på ringen, er det nødvendig å mentalt dele den inn i små elementer Idl og sum amperesom virker på hvert slikt element.

Ved å bruke regelen til venstre er det lett å vise at den aksiale komponenten av magnetfeltet gir opphav til amperekrefter som har en tendens til å strekke (eller komprimere) ringen – vektorsummen av disse kreftene er null.

Tilstedeværelsen av den radielle komponenten av feltet fører til utseendet av Ampere-krefter rettet langs magnetens akse, det vil si til deres tiltrekning eller frastøting. Det gjenstår å beregne Ampere-kreftene - disse vil være kreftene for samspillet mellom de to magnetene.

Se også:Bruk av permanente magneter i elektroteknikk og energi