Permanenta magneter — typer och egenskaper, former, interaktion mellan magneter

Vad är en permanentmagnet

En ferromagnetisk produkt som kan bibehålla betydande restmagnetisering efter avlägsnande av det externa magnetfältet kallas permanentmagnet.

Permanenta magneter är gjorda av olika metaller som kobolt, järn, nickel, sällsynta jordartsmetaller (för neodymmagneter) samt naturliga mineraler som magnetiter.

Användningsområdet för permanentmagneter idag är mycket brett, men deras syfte är i princip detsamma överallt — som en permanent magnetfältkälla utan strömförsörjning… En magnet är alltså en kropp som har sin egen magnetiskt fält.

Själva ordet "magnet" kommer från den grekiska frasen som översätts som "Stone of Magnesia", uppkallad efter den asiatiska staden där avlagringar av magnetit - en magnetisk järnmalm - upptäcktes i antiken… Ur en fysisk synvinkel är en elementär magnet en elektron, och magneternas magnetiska egenskaper bestäms vanligtvis av de magnetiska momenten hos elektronerna som utgör det magnetiserade materialet.

Permanentmagneten är en del magnetiska system för elektriska produkter… Permanenta magnetenheter är i allmänhet baserade på energiomvandling:

• mekanisk till mekanisk (separatorer, magnetiska kontakter, etc.);

• mekanisk till elektromagnetisk (elektriska generatorer, högtalare, etc.);

• elektromagnetiska till mekaniska (elektriska motorer, högtalare, magnetoelektriska system, etc.);

• mekanisk till intern (bromsanordningar, etc.).

Följande krav gäller för permanentmagneter:

• hög specifik magnetisk energi;

• minimimått för en given fältstyrka;

• bibehålla prestanda över ett brett område av driftstemperaturer;

• motstånd mot externa magnetfält; — Teknik.

• låg kostnad för råvaror;

• magnetiska parametrars stabilitet över tid.

Mångfalden av uppgifter som löses med hjälp av permanentmagneter kräver skapandet av många former av deras implementering.Permanentmagneter är ofta formade som en hästsko (de så kallade "hästsko"-magneterna).

Figuren visar exempel på former av industriellt framställda permanentmagneter baserade på sällsynta jordartsmetaller med en skyddande beläggning.

Kommersiellt tillverkade permanentmagneter av olika former: a — skiva; b — ring; c — parallellepiped; g — cylinder; d — boll; e — sektor av en ihålig cylinder

Magneter tillverkas även av hårdmagnetiska metallegeringar och ferriter i form av runda och rektangulära stavar, samt rörformade, C-formade, hästskoformade, i form av rektangulära plattor etc.

Efter att materialet har formats måste det magnetiseras, det vill säga placeras i ett externt magnetfält, eftersom de magnetiska parametrarna för permanentmagneter bestäms inte bara av deras form eller materialet från vilket de är gjorda, utan också av riktningen av magnetisering.

Arbetsstyckena magnetiseras med hjälp av permanentmagneter, DC-elektromagneter eller magnetiseringsspolar genom vilka strömpulser passerar. Valet av magnetiseringsmetod beror på permanentmagnetens material och form.

Som ett resultat av stark uppvärmning, stötar, kan permanentmagneter helt eller delvis förlora sina magnetiska egenskaper (avmagnetisering).

Egenskaper för avmagnetiseringssektionen magnetiska hysteresöglor materialet som en permanentmagnet är gjord av bestämmer egenskaperna hos en viss permanentmagnet: ju högre koercitivkraften Hc och desto högre restvärde magnetisk induktion Br — den starkare och stabilare magneten.

Tvingande makt (bokstavligen översatt från latin - "hållkraft") - en kraft som förhindrar en förändring i magnetisk polarisation ferromagneter.

Så länge som ferromagneten inte är polariserad, det vill säga att elementärströmmarna inte är orienterade, förhindrar koercitivkraften orienteringen av elementärströmmarna. Men när ferromagneten redan är polariserad, bibehåller den de elementära strömmarna i ett orienterat läge även efter att det externa magnetiseringsfältet har avlägsnats.

Detta förklarar den kvarvarande magnetismen som ses i många ferromagneter. Ju större tvångskraften är, desto starkare är kvarvarande magnetismfenomen.

Så tvångsmakt är det magnetisk fältstyrkakrävs för fullständig avmagnetisering av ett ferro- eller ferrimagnetiskt ämne. Således, ju mer tvång en viss magnet har, desto mer motståndskraftig är den mot avmagnetiserande faktorer.

En måttenhet för tvångskraft i NE — Ampere/meter. A magnetisk induktion, som du vet, är en vektorkvantitet, som är en kraft som är karakteristisk för magnetfältet. Det karakteristiska värdet för den kvarvarande magnetiska induktionen av permanentmagneter är i storleksordningen 1 Tesla.

Magnetisk hysteres — förekomsten av effekterna av magneternas polarisering leder till att magnetiseringen och avmagnetiseringen av det magnetiska materialet fortskrider ojämnt, eftersom magnetiseringen av materialet hela tiden ligger något efter magnetiseringsfältet.

I det här fallet återförs inte en del av energin som spenderas på att magnetisera kroppen under avmagnetiseringen, utan omvandlas till värme. Att upprepade gånger vända magnetiseringen av materialet är därför förknippat med märkbara energiförluster och kan ibland orsaka kraftig uppvärmning av den magnetiserade kroppen.

Ju mer uttalad hysteres är i materialet, desto större blir förlusten i det när magnetiseringen vänds. Därför används material som inte har hysteres för magnetiska kretsar med alternerande magnetiskt flöde (se — Magnetiska kärnor av elektriska apparater).

De magnetiska egenskaperna hos permanentmagneter kan förändras under påverkan av tid och yttre faktorer, som inkluderar:

• temperatur;

• magnetiska fält;

• mekaniska belastningar;

• strålning etc.

Förändringen i magnetiska egenskaper kännetecknas av permanentmagnetens instabilitet, som kan vara strukturell eller magnetisk.

Strukturell instabilitet är förknippad med förändringar i kristallstrukturen, fasomvandlingar, minskning av inre spänningar etc. I detta fall kan de ursprungliga magnetiska egenskaperna erhållas genom att återställa strukturen (till exempel genom värmebehandling av materialet).

Magnetisk instabilitet orsakas av en förändring i den magnetiska strukturen hos det magnetiska ämnet, som tenderar till termodynamisk jämvikt över tid och under påverkan av yttre påverkan. Magnetisk instabilitet kan vara:

• reversibel (återgå till initiala förhållanden återställer ursprungliga magnetiska egenskaper);

• irreversibel (återgången av de ursprungliga egenskaperna kan endast uppnås genom upprepad magnetisering).

Permanent magnet eller elektromagnet - vilket är bättre?

Att använda permanentmagneter för att skapa ett permanent magnetfält istället för motsvarande elektromagneter tillåter:

• för att minska produkternas vikt och storleksegenskaper;

• utesluter användningen av ytterligare energikällor (vilket förenklar designen av produkter, minskar kostnaderna för deras produktion och drift);

• ge en nästan obegränsad tid för att bibehålla magnetfältet under arbetsförhållanden (beroende på vilket material som används).

Nackdelarna med permanentmagneter är:

• bräcklighet hos materialen som används i deras skapelse (detta komplicerar den mekaniska bearbetningen av produkterna);

• behovet av skydd mot påverkan av fukt och mögel (för ferriter GOST 24063), såväl som mot påverkan av hög luftfuktighet och temperatur.

Typer och egenskaper hos permanentmagneter

Ferrit

Ferritmagneter, även om de är ömtåliga, har god korrosionsbeständighet, vilket gör dem till de vanligaste till låg kostnad. Dessa magneter är gjorda av en legering av järnoxid med barium eller strontiumferrit. Denna sammansättning tillåter materialet att behålla sina magnetiska egenskaper i ett brett temperaturområde - från -30 ° C till + 270 ° C.

Magnetiska produkter i form av ferritringar, stavar och hästskor används flitigt både inom industrin och i vardagen, inom teknik och elektronik. De används i högtalarsystem, i generatorer, i DC-motorer… Inom bilindustrin installeras ferritmagneter i startmotorer, fönster, kylsystem och fläktar.

Ferritmagneter kännetecknas av en koercitiv kraft på cirka 200 kA/m och en restmagnetisk induktion på cirka 0,4 Tesla. I genomsnitt kan en ferritmagnet hålla i 10 till 30 år.

Alnico (aluminium-nickel-kobolt)

Permanenta magneter baserade på en legering av aluminium, nickel och kobolt kännetecknas av oöverträffad temperaturstabilitet och stabilitet: de kan bibehålla sina magnetiska egenskaper vid temperaturer upp till + 550 ° C, även om deras tvångskraft är relativt liten. Under påverkan av ett relativt litet magnetfält kommer sådana magneter att förlora sina ursprungliga magnetiska egenskaper.

Bedöm själv: en typisk tvångskraft är cirka 50 kA/m med en restmagnetisering på cirka 0,7 Tesla. Trots denna funktion är alnico-magneter oumbärliga för viss vetenskaplig forskning.

Det typiska innehållet av komponenter i alnico-legeringar med höga magnetiska egenskaper varierar inom följande gränser: aluminium - från 7 till 10%, nickel - från 12 till 15%, kobolt - från 18 till 40% och från 3 till 4% koppar.

Ju mer kobolt, desto högre mättnadsinduktion och magnetisk energi hos legeringen. Tillsatser i form av 2 till 8% titan och endast 1% niob bidrar till att erhålla en högre tvångskraft — upp till 145 kA/m. Tillsatsen av 0,5 till 1 % kisel säkerställer isotropiska magnetiska egenskaper.

Samaria

Om du behöver exceptionell motståndskraft mot korrosion, oxidation och temperaturer upp till + 350 ° C, då är en magnetisk legering av samarium med kobolt vad du behöver.

Till ett visst pris är samarium-koboltmagneter dyrare än neodymmagneter på grund av den knappare och dyrare metallen, kobolt. Ändå rekommenderas det att använda dem om det är nödvändigt att ha minimimått och vikt för slutprodukterna.

Detta är mest lämpligt inom rymdfarkoster, flyg- och datorteknik, elmotorer i miniatyr och magnetiska kopplingar, i wearables och enheter (klockor, hörlurar, mobiltelefoner, etc.)

På grund av dess speciella motståndskraft mot korrosion är det samariummagneter som används i strategisk utveckling och militära tillämpningar. Elmotorer, generatorer, lyftsystem, motorfordon - en stark magnet gjord av samarium-koboltlegering är idealisk för aggressiva miljöer och svåra arbetsförhållanden. Koercitivkraften är av storleksordningen 700 kA/m med en restmagnetisk induktion av storleksordningen 1 Tesla.

Neodym

Neodymmagneter är mycket efterfrågade idag och verkar vara de mest lovande. Neodymium-järn-bor-legeringen gör att du kan skapa supermagneter för en mängd olika applikationer, från lås och leksaker till elektriska generatorer och kraftfulla lyftmaskiner.

En hög koercitivkraft på ca 1000 kA/m och en restmagnetisering på ca 1,1 Tesla gör att magneten kan bibehållas i många år, under 10 år förlorar en neodymmagnet endast 1% av sin magnetisering om dess temperatur under driftsförhållanden inte överstiger + 80 ° C (för vissa märken upp till + 200 ° C). Således finns det bara två nackdelar med neodymmagneter - bräcklighet och låg driftstemperatur.

Magnetoplaster

Det magnetiska pulvret bildar tillsammans med bindemedlet en mjuk, smidig och lätt magnet. Limningskomponenter som vinyl, gummi, plast eller akryl gör att magneter kan tillverkas i en mängd olika former och storlekar.

Den magnetiska kraften är naturligtvis lägre än rent magnetiskt material, men ibland är sådana lösningar nödvändiga för att uppnå vissa ovanliga syften för magneter: vid tillverkning av reklamprodukter, vid tillverkning av avtagbara bilklistermärken, såväl som vid tillverkning av olika pappersvaror och souvenirer.

Interaktion mellan magneter

Liksom polerna av magneter stöter bort och till skillnad från polerna attraherar. Samspelet mellan magneter förklaras av det faktum att varje magnet har ett magnetfält och dessa magnetfält interagerar med varandra. Vad är till exempel orsaken till magnetiseringen av järn?

Enligt hypotesen från den franska forskaren Ampere, inuti ämnet finns elementära elektriska strömmar (Ampere strömmar), som bildas på grund av att elektroner rör sig runt atomkärnorna och runt sin egen axel.

Elementära magnetfält uppstår från elektroners rörelse.Och om en bit järn förs in i ett externt magnetfält, så är alla elementära magnetfält i detta järn orienterade på samma sätt i ett externt magnetfält och bildar sitt eget magnetfält från en bit järn. Så om det applicerade externa magnetfältet var tillräckligt starkt, när du väl stängde av det, skulle järnbiten bli en permanentmagnet.

Att känna till formen och magnetiseringen av en permanentmagnet gör att beräkningarna kan ersättas av ett likvärdigt system av elektriska magnetiseringsströmmar. En sådan ersättning är möjlig både vid beräkning av magnetfältets egenskaper och vid beräkning av krafterna som verkar på magneten från det yttre fältet.

Låt oss till exempel beräkna interaktionskraften för två permanentmagneter. Låt magneterna ha formen av tunna cylindrar, deras radier kommer att betecknas med r1 och r2, tjocklekarna är h1, h2, magneternas axlar sammanfaller, avståndet mellan magneterna kommer att betecknas med z, vi kommer att anta att det är mycket större än storleken på magneterna.

Utseendet på kraften av interaktion mellan magneter förklaras på traditionellt sätt: en magnet skapar ett magnetfält som verkar på den andra magneten.

För att beräkna interaktionskraften ersätter vi mentalt de likformigt magnetiserade magneterna J1 och J2 med cirkulära strömmar som flyter på cylindrarnas sidoyta. Styrkan hos dessa strömmar kommer att uttryckas i termer av magneternas magnetisering, och deras radier kommer att anses vara lika med magneternas radier.

Låt oss sönderdela induktionsvektorn B för magnetfältet som skapas av den första magneten i stället för den andra i två komponenter: axiell, riktad längs magnetens axel, och radiell, vinkelrät mot den.

För att beräkna den totala kraften som verkar på ringen är det nödvändigt att mentalt dela upp den i små element Idl och summa ampereverkar på varje sådant element.

Med hjälp av regeln till vänster är det lätt att visa att magnetfältets axiella komponent ger upphov till amperekrafter som tenderar att sträcka (eller komprimera) ringen — vektorsumman av dessa krafter är noll.

Närvaron av den radiella komponenten av fältet leder till utseendet av Ampere-krafter riktade längs magneternas axel, det vill säga till deras attraktion eller avstötning. Det återstår att beräkna amperekrafterna - dessa kommer att vara krafterna för interaktion mellan de två magneterna.

Se även:Användningen av permanentmagneter inom elektroteknik och energi