Trajni magneti — vrste in lastnosti, oblike, interakcija magnetov

Kaj je trajni magnet

Feromagnetni izdelek, ki lahko obdrži znatno preostalo magnetizacijo po odstranitvi zunanjega magnetnega polja, se imenuje trajni magnet.

Trajni magneti so narejeni iz različnih kovin, kot so kobalt, železo, nikelj, zlitine redkih zemelj (za neodimove magnete) ter naravnih mineralov, kot so magnetiti.

Področje uporabe trajnih magnetov je danes zelo široko, njihov namen pa je v osnovi povsod enak — kot vir trajnega magnetnega polja brez napajanja… Tako je magnet telo, ki ima svojo magnetno polje.

Sama beseda "magnet" izhaja iz grškega izraza, ki se prevaja kot "Magnezijev kamen", imenovan po azijskem mestu, kjer so v starih časih odkrili nahajališča magnetita - magnetne železove rude.… S fizikalnega vidika je elementarni magnet elektron, magnetne lastnosti magnetov pa običajno določajo magnetni momenti elektronov, ki sestavljajo magnetiziran material.

Trajni magnet je del magnetni sistemi električnih izdelkov… Naprave s trajnim magnetom na splošno temeljijo na pretvorbi energije:

• mehansko v mehansko (separatorji, magnetni konektorji itd.);

• mehanske do elektromagnetne (električni generatorji, zvočniki itd.);

• elektromagnetno v mehansko (elektromotorji, zvočniki, magnetoelektrični sistemi itd.);

• mehanske v notranje (zavorne naprave itd.).

Za trajne magnete veljajo naslednje zahteve:

• visoka specifična magnetna energija;

• minimalne dimenzije za dano poljsko jakost;

• ohranjanje zmogljivosti v širokem razponu delovnih temperatur;

• odpornost na zunanja magnetna polja; — tehnologija;

• nizki stroški surovin;

• stabilnost magnetnih parametrov skozi čas.

Raznolikost nalog, ki se rešujejo s pomočjo trajnih magnetov, zahteva ustvarjanje številnih oblik njihove izvedbe.Trajni magneti so pogosto v obliki podkve (tako imenovani "podkvasti" magneti).

Slika prikazuje primere oblik industrijsko izdelanih trajnih magnetov na osnovi elementov redkih zemelj z zaščitno prevleko.

Komercialno proizvedeni trajni magneti različnih oblik: a — disk; b - obroč; c - paralelepiped; g - valj; d - krogla; e - sektor votlega valja

Magneti se proizvajajo tudi iz trdomagnetnih kovinskih zlitin in feritov v obliki okroglih in pravokotnih palic, pa tudi cevastih, C-oblik, podkvastih, v obliki pravokotnih plošč itd.

Ko je material oblikovan, ga je treba magnetizirati, to je postaviti v zunanje magnetno polje, saj magnetne parametre trajnih magnetov ne določa le njihova oblika ali material, iz katerega so izdelani, ampak tudi smer magnetizacija.

Obdelovanci se magnetizirajo s trajnimi magneti, enosmernimi elektromagneti ali magnetizacijskimi tuljavami, skozi katere prehajajo tokovni impulzi. Izbira metode magnetizacije je odvisna od materiala in oblike trajnega magneta.

Zaradi močnega segrevanja, udarcev lahko trajni magneti delno ali popolnoma izgubijo svoje magnetne lastnosti (razmagnetenje).

Značilnosti odseka za razmagnetenje magnetne histerezne zanke material, iz katerega je izdelan trajni magnet, določa lastnosti določenega trajnega magneta: višja je koercitivna sila Hc in večja je rezidualna vrednost magnetna indukcija Br — močnejši in stabilnejši magnet.

Prisilna moč (dobesedno prevedeno iz latinščine - "zadrževalna sila") - sila, ki preprečuje spremembo magnetne polarizacije feromagneti.

Dokler feromagnet ni polariziran, to pomeni, da elementarni tokovi niso orientirani, koercitivna sila preprečuje orientacijo elementarnih tokov. Ko pa je feromagnet že polariziran, ohranja osnovne tokove v usmerjenem položaju tudi po odstranitvi zunanjega magnetnega polja.

To pojasnjuje preostali magnetizem, ki ga vidimo v mnogih feromagnetih. Večja ko je prisilna sila, močnejši je pojav preostalega magnetizma.

Prisilna moč je torej jakost magnetnega poljapotreben za popolno razmagnetenje fero- ali ferimagnetne snovi. Torej, večjo koercitivnost ima določen magnet, bolj je odporen na razmagnetne dejavnike.

Merska enota prisilne sile v SV — Amper / meter. A magnetna indukcija, kot veste, je vektorska količina, ki je značilnost sile magnetnega polja. Značilna vrednost rezidualne magnetne indukcije trajnih magnetov je reda 1 Tesla.

Magnetna histereza — prisotnost učinkov polarizacije magnetov vodi do dejstva, da magnetizacija in demagnetizacija magnetnega materiala poteka neenakomerno, saj magnetizacija materiala ves čas nekoliko zaostaja za magnetnim poljem.

V tem primeru se del energije, porabljene za magnetiziranje telesa, med demagnetizacijo ne vrne, ampak se spremeni v toploto. Zato je ponavljajoče se obračanje magnetizacije materiala povezano z opaznimi izgubami energije in lahko včasih povzroči močno segrevanje magnetiziranega telesa.

Bolj kot je histereza v materialu izrazita, večja je izguba v njem, ko se magnetizacija obrne. Zato se za magnetna vezja z izmeničnim magnetnim tokom uporabljajo materiali, ki nimajo histereze (glej — Magnetna jedra električnih naprav).

Magnetne lastnosti trajnih magnetov se lahko spremenijo pod vplivom časa in zunanjih dejavnikov, ki vključujejo:

• temperatura;

• magnetna polja;

• mehanske obremenitve;

• sevanje itd.

Za spremembo magnetnih lastnosti je značilna nestabilnost trajnega magneta, ki je lahko strukturna ali magnetna.

Strukturna nestabilnost je povezana s spremembami kristalne strukture, faznimi transformacijami, zmanjšanjem notranjih napetosti itd. V tem primeru lahko prvotne magnetne lastnosti pridobimo z obnovo strukture (na primer s toplotno obdelavo materiala).

Magnetna nestabilnost nastane zaradi spremembe magnetne strukture magnetne snovi, ki s časom in pod vplivom zunanjih vplivov teži k termodinamičnemu ravnovesju. Magnetna nestabilnost je lahko:

• reverzibilen (vrnitev na začetne pogoje obnovi prvotne magnetne lastnosti);

• ireverzibilen (vrnitev prvotnih lastnosti je mogoče doseči le s ponavljajočo se magnetizacijo).

Stalni magnet ali elektromagnet - kaj je bolje?

Uporaba trajnih magnetov za ustvarjanje trajnega magnetnega polja namesto enakovrednih elektromagnetov omogoča:

• zmanjšati težo in velikostne značilnosti izdelkov;

• izključuje uporabo dodatnih virov energije (kar poenostavi oblikovanje izdelkov, zmanjša stroške njihove proizvodnje in delovanja);

• zagotavljajo skoraj neomejen čas za vzdrževanje magnetnega polja v delovnih pogojih (odvisno od uporabljenega materiala).

Slabosti trajnih magnetov so:

• krhkost materialov, uporabljenih pri njihovem ustvarjanju (to otežuje mehansko obdelavo izdelkov);

• potreba po zaščiti pred vplivom vlage in plesni (za ferite GOST 24063), pa tudi pred vplivom visoke vlažnosti in temperature.

Vrste in lastnosti trajnih magnetov

Ferit

Feritni magneti, čeprav so krhki, imajo dobro odpornost proti koroziji, zaradi česar so najpogostejši po nizki ceni. Ti magneti so narejeni iz zlitine železovega oksida z barijevim ali stroncijevim feritom. Ta sestava omogoča, da material ohrani svoje magnetne lastnosti v širokem temperaturnem območju — od -30 ° C do + 270 ° C.

Magnetni izdelki v obliki feritnih obročev, palic in podkev se pogosto uporabljajo tako v industriji kot v vsakdanjem življenju, v tehniki in elektroniki. Uporabljajo se v zvočniških sistemih, v generatorjih, v enosmernih motorjih… V avtomobilski industriji se feritni magneti vgrajujejo v zaganjalnike, okna, hladilne sisteme in ventilatorje.

Za feritne magnete je značilna prisilna sila približno 200 kA/m in preostala magnetna indukcija približno 0,4 Tesla. V povprečju lahko feritni magnet zdrži od 10 do 30 let.

Alnico (aluminij-nikelj-kobalt)

Za trajne magnete na osnovi zlitine aluminija, niklja in kobalta je značilna neprekosljiva temperaturna stabilnost in stabilnost: lahko ohranijo svoje magnetne lastnosti pri temperaturah do + 550 ° C, čeprav je njihova prisilna sila relativno majhna. Pod vplivom relativno majhnega magnetnega polja bodo takšni magneti izgubili svoje prvotne magnetne lastnosti.

Presodite sami: tipična prisilna sila je približno 50 kA / m s preostalo magnetizacijo približno 0,7 Tesla. Kljub tej lastnosti so alnico magneti nepogrešljivi za nekatere znanstvene raziskave.

Tipična vsebnost komponent v alnico zlitinah z visokimi magnetnimi lastnostmi se giblje v naslednjih mejah: aluminij - od 7 do 10%, nikelj - od 12 do 15%, kobalt - od 18 do 40% in od 3 do 4% bakra.

Več kot je kobalta, večja je indukcija nasičenosti in magnetna energija zlitine. Dodatki v obliki 2 do 8% titana in samo 1% niobija prispevajo k doseganju višje prisilne sile - do 145 kA / m. Dodatek 0,5 do 1 % silicija zagotavlja izotropne magnetne lastnosti.

Samarija

Če potrebujete izjemno odpornost proti koroziji, oksidaciji in temperaturam do + 350 ° C, potem je magnetna zlitina samarija s kobaltom tisto, kar potrebujete.

Po določeni ceni so samarijevo-kobaltni magneti dražji od neodimovih magnetov zaradi redkejše in dražje kovine, kobalta. Kljub temu jih je priporočljivo uporabiti, če so potrebne minimalne dimenzije in teža končnih izdelkov.

To je najbolj primerno v vesoljskih plovilih, letalski in računalniški tehnologiji, miniaturnih elektromotorjih in magnetnih sklopkah, v nosljivih materialih in napravah (ure, slušalke, mobilni telefoni itd.)

Zaradi svoje posebne odpornosti proti koroziji se prav samarijevi magneti uporabljajo v strateškem razvoju in vojaških aplikacijah. Elektromotorji, generatorji, dvižni sistemi, motorna vozila - močan magnet iz samarijevo-kobaltove zlitine je idealen za agresivna okolja in težke delovne pogoje. Koercitivna sila je reda 700 kA/m s preostalo magnetno indukcijo reda 1 Tesla.

Neodim

Neodimovi magneti so danes v velikem povpraševanju in se zdijo najbolj obetavni. Zlitina neodima, železa in bora vam omogoča ustvarjanje super magnetov za različne namene, od ključavnic in igrač do električnih generatorjev in močnih dvižnih strojev.

Visoka prisilna sila približno 1000 kA / m in preostala magnetizacija približno 1,1 Tesla omogočata, da se magnet ohrani več let, 10 let neodimski magnet izgubi le 1% svoje magnetizacije, če njegova temperatura v delovnih pogojih ne presega + 80 ° C (pri nekaterih znamkah do + 200 ° C). Tako obstajata samo dve pomanjkljivosti neodimovih magnetov - krhkost in nizka delovna temperatura.

Magnetoplasti

Magnetni prah skupaj z vezivom tvori mehak, prožen in lahek magnet. Komponente za lepljenje, kot so vinil, guma, plastika ali akril, omogočajo izdelavo magnetov v različnih oblikah in velikostih.

Magnetna sila je seveda manjša od čistega magnetnega materiala, vendar so včasih takšne rešitve potrebne za doseganje določenih neobičajnih namenov magnetov: pri izdelavi reklamnih izdelkov, pri izdelavi odstranljivih avtomobilskih nalepk, pa tudi pri izdelavi različne pisalne potrebščine in spominke.

Interakcija magnetov

Tako kot poli magnetov se odbijajo in za razliko od polov privlačijo. Interakcija magnetov je razložena z dejstvom, da ima vsak magnet magnetno polje in ta magnetna polja medsebojno delujejo. Na primer, kaj je razlog za magnetizacijo železa?

Po hipotezi francoskega znanstvenika Ampereja znotraj snovi potekajo osnovni električni tokovi (Amperski tokovi), ki nastanejo zaradi gibanja elektronov okoli jeder atomov in okoli lastne osi.

Elementarna magnetna polja nastanejo zaradi gibanja elektronov.In če kos železa vnesemo v zunanje magnetno polje, potem so vsa osnovna magnetna polja v tem železu usmerjena na enak način v zunanjem magnetnem polju in tvorijo lastno magnetno polje iz kosa železa. Torej, če bi bilo uporabljeno zunanje magnetno polje dovolj močno, ko bi ga izklopili, bi kos železa postal trajni magnet.

Poznavanje oblike in magnetizacije trajnega magneta omogoča, da se izračuni nadomestijo z enakovrednim sistemom električnih magnetizirajočih tokov. Takšna zamenjava je možna tako pri izračunu značilnosti magnetnega polja kot pri izračunu sil, ki delujejo na magnet iz zunanjega polja.

Na primer, izračunajmo interakcijsko silo dveh trajnih magnetov. Naj imajo magneti obliko tankih valjev, njuna polmera označimo z r1 in r2, debelini h1, h2, osi magnetov sovpadata, razdaljo med magnetoma označimo z z, predpostavimo, da je je veliko večja od velikosti magnetov.

Pojav sile interakcije med magneti je razložen na tradicionalen način: en magnet ustvari magnetno polje, ki deluje na drugi magnet.

Za izračun interakcijske sile miselno zamenjamo enakomerno namagnetena magneta J1 in J2 s krožnimi tokovi, ki tečejo po stranski površini valjev. Moči teh tokov bodo izražene z magnetizacijo magnetov, njihovi polmeri pa bodo enaki polmerom magnetov.

Indukcijski vektor B magnetnega polja, ki ga ustvari prvi magnet namesto drugega, razdelimo na dve komponenti: aksialno, usmerjeno vzdolž osi magneta, in radialno, pravokotno nanjo.

Za izračun skupne sile, ki deluje na obroč, jo je treba mentalno razdeliti na majhne elemente Idl in vsoto amperovki deluje na vsak tak element.

Z uporabo pravila na levi je enostavno pokazati, da aksialna komponenta magnetnega polja povzroča Amperove sile, ki težijo k raztezanju (ali stiskanju) obroča - vektorska vsota teh sil je nič.

Prisotnost radialne komponente polja vodi do pojava Amperovih sil, usmerjenih vzdolž osi magnetov, to je do njihove privlačnosti ali odbijanja. Ostaja še izračun Amperovih sil - to bodo sile interakcije med obema magnetoma.

Poglej tudi:Uporaba trajnih magnetov v elektrotehniki in energetiki