Трајни магнети — врсте и својства, облици, интеракција магнета

Шта је трајни магнет

Феромагнетни производ способан да задржи значајну заосталу магнетизацију након уклањања спољашњег магнетног поља назива се трајни магнет.

Трајни магнети се праве од различитих метала као што су кобалт, гвожђе, никл, легуре ретких земаља (за неодимијумске магнете) као и природних минерала као што су магнетити.

Опсег примене трајних магнета данас је веома широк, али је њихова сврха у основи свуда иста — као извор сталног магнетног поља без напајања… Дакле, магнет је тело које има своје магнетно поље.

Сама реч „магнет“ потиче од грчке фразе која се преводи као „Камен Магнезије“, назван по азијском граду у коме су у давна времена откривена налазишта магнетита – магнетне руде гвожђа.… Са физичке тачке гледишта, елементарни магнет је електрон, а магнетна својства магнета су обично одређена магнетним моментима електрона који чине магнетизовани материјал.

Стални магнет је део магнетни системи електричних производа… Уређаји са трајним магнетом су генерално засновани на конверзији енергије:

• механичке до механичке (сепаратори, магнетни конектори, итд.);

• механичке до електромагнетне (електрични генератори, звучници, итд.);

• електромагнетне до механичке (електромотори, звучници, магнетоелектрични системи, итд.);

• механичке на унутрашње (кочни уређаји и сл.).

Следећи захтеви важе за трајне магнете:

• висока специфична магнетна енергија;

• минималне димензије за дату јачину поља;

• одржавање перформанси у широком опсегу радних температура;

• отпорност на спољна магнетна поља; — технологија;

• ниска цена сировина;

• стабилност магнетних параметара током времена.

Разноврсност задатака који се решавају уз помоћ трајних магнета намеће потребу креирања многих облика њихове реализације.Трајни магнети су често у облику потковице (тзв. „потковичасти“ магнети).

На слици су приказани примери облика индустријски произведених перманентних магнета на бази реткоземних елемената са заштитним премазом.

Комерцијално произведени трајни магнети различитих облика: а — диск; довести; ц — паралелепипед; г — цилиндар; д — лопта; е — сектор шупљег цилиндра

Магнети се производе и од легура тврдих магнетних метала и ферита у облику округлих и правоугаоних шипки, као и цевастих, Ц-облика, потковице, у облику правоугаоних плоча итд.

Након што је материјал обликован, он мора бити магнетизован, односно постављен у спољашње магнетно поље, јер магнетни параметри трајних магнета нису одређени само њиховим обликом или материјалом од којег су направљени, већ и смером кретања. магнетизација.

Радни предмети се магнетизују помоћу трајних магнета, ДЦ електромагнета или намотаја за магнетизирање кроз које пролазе струјни импулси. Избор методе магнетизације зависи од материјала и облика трајног магнета.

Као резултат јаког загревања, удара, трајни магнети могу делимично или потпуно изгубити своја магнетна својства (демагнетизација).

Карактеристике секције за демагнетизацију петље магнетне хистерезе материјал од којег је направљен перманентни магнет одређује својства одређеног трајног магнета: што је већа коерцитивна сила Хц и већа је резидуална вредност магнетна индукција Бр — јачи и стабилнији магнет.

Принуде снага (буквално преведено са латинског — „сила држања“) — сила која спречава промену магнетне поларизације феромагнети.

Све док феромагнет није поларизован, односно елементарне струје нису оријентисане, коерцитивна сила спречава оријентацију елементарних струја. Али када је феромагнет већ поларизован, он одржава елементарне струје у оријентисаном положају чак и након уклањања спољашњег магнетизирајућег поља.

Ово објашњава резидуални магнетизам који се види у многим феромагнетима. Што је већа сила принуде, то је јача појава заосталог магнетизма.

Дакле, моћ принуде је јачина магнетног пољапотребна за потпуну демагнетизацију феро- или феримагнетне супстанце. Дакле, што одређени магнет има више принуде, то је отпорнији на демагнетизирајуће факторе.

Јединица мере принудне силе у НЕ — Ампер / метар. А магнетна индукција, као што знате, је векторска величина, која је сила карактеристична за магнетно поље. Карактеристична вредност заостале магнетне индукције трајних магнета је реда величине 1 Тесла.

Магнетна хистереза — присуство ефеката поларизације магнета доводи до тога да се магнетизација и демагнетизација магнетног материјала одвијају неравномерно, пошто магнетизација материјала све време незнатно заостаје за магнетним пољем.

У овом случају, део енергије утрошене на магнетизовање тела се не враћа током демагнетизације, већ се претвара у топлоту. Због тога је вишеструко преокретање магнетизације материјала повезано са приметним губицима енергије и понекад може изазвати снажно загревање магнетизованог тела.

Што је хистереза ​​у материјалу израженија, то је већи губитак у њему када се магнетизација обрне. Због тога се материјали који немају хистерезу користе за магнетна кола са наизменичним магнетним флуксом (видети - Магнетна језгра електричних уређаја).

Магнетна својства трајних магнета могу се променити под утицајем времена и спољашњих фактора, који укључују:

• температура;

• магнетна поља;

• механичка оптерећења;

• зрачење итд.

Промену магнетних својстава карактерише нестабилност трајног магнета, која може бити структурна или магнетна.

Структурна нестабилност је повезана са променама у кристалној структури, фазним трансформацијама, смањењем унутрашњих напона итд. У овом случају, оригинална магнетна својства могу се добити обнављањем структуре (на пример, топлотном обрадом материјала).

Магнетна нестабилност је узрокована променом магнетне структуре магнетне супстанце која током времена и под утицајем спољашњих утицаја тежи термодинамичкој равнотежи. Магнетна нестабилност може бити:

• реверзибилан (повратак на почетне услове враћа оригинална магнетна својства);

• неповратан (повратак првобитних својстава може се постићи само поновљеним магнетизацијом).

Стални магнет или електромагнет - шта је боље?

Коришћење трајних магнета за стварање сталног магнетног поља уместо њихових еквивалентних електромагнета омогућава:

• смањити карактеристике тежине и величине производа;

• искључује употребу додатних извора енергије (што поједностављује дизајн производа, смањује трошкове њихове производње и рада);

• обезбеђују скоро неограничено време за одржавање магнетног поља у радним условима (у зависности од материјала који се користи).

Недостаци трајних магнета су:

• крхкост материјала који се користе у њиховом стварању (ово компликује механичку обраду производа);

• потреба за заштитом од утицаја влаге и плесни (за ферите ГОСТ 24063), као и од утицаја високе влажности и температуре.

Врсте и својства трајних магнета

ферит

Феритни магнети, иако крхки, имају добру отпорност на корозију, што их чини најчешћим по ниској цени. Ови магнети су направљени од легуре гвожђе оксида са баријумом или стронцијум феритом. Овај састав омогућава материјалу да задржи своја магнетна својства у широком температурном опсегу — од -30 ° Ц до + 270 ° Ц.

Магнетни производи у облику феритних прстенова, шипки и потковица имају широку примену како у индустрији тако иу свакодневном животу, у техници и електроници. Користе се у системима звучника, у генераторима, у ДЦ моторима… У аутомобилској индустрији, феритни магнети се уграђују у стартере, прозоре, системе за хлађење и вентилаторе.

Феритни магнети се одликују коерцитивном силом од око 200 кА/м и резидуалном магнетном индукцијом од око 0,4 Тесла. У просеку, феритни магнет може трајати 10 до 30 година.

Алницо (алуминијум-никл-кобалт)

Трајни магнети на бази легуре алуминијума, никла и кобалта одликују се ненадмашном температурном стабилношћу и стабилношћу: они су у стању да одрже своја магнетна својства на температурама до + 550 ° Ц, иако је њихова принудна сила релативно мала. Под утицајем релативно малог магнетног поља, такви магнети ће изгубити своја првобитна магнетна својства.

Процијените сами: типична присилна сила је око 50 кА / м са заосталом магнетизацијом од око 0,7 Тесла. Упркос овој особини, алницо магнети су неопходни за нека научна истраживања.

Типичан садржај компоненти у алник легурама са високим магнетним својствима варира у следећим границама: алуминијум — од 7 до 10%, никл — од 12 до 15%, кобалт — од 18 до 40% и од 3 до 4% бакра.

Што је више кобалта, то је већа индукција засићења и магнетна енергија легуре. Адитиви у облику 2 до 8% титанијума и само 1% ниобијума доприносе добијању веће силе принуде — до 145 кА / м. Додатак од 0,5 до 1% силицијума обезбеђује изотропна магнетна својства.

Самариа

Ако вам је потребна изузетна отпорност на корозију, оксидацију и температуре до + 350 ° Ц, онда је магнетна легура самаријума са кобалтом оно што вам треба.

По одређеној цени, самаријум-кобалтни магнети су скупљи од неодимијумских магнета због оскуднијег и скупљег метала, кобалта. Ипак, препоручљиво је користити их ако је потребно минималне димензије и тежину финалних производа.

Ово је најприкладније у свемирским летелицама, ваздухопловној и компјутерској техници, минијатурним електромоторима и магнетним спојницама, у носивим уређајима и уређајима (сатовима, слушалицама, мобилним телефонима итд.)

Због своје посебне отпорности на корозију, магнети од самаријума се користе у стратешком развоју и војним применама. Електромотори, генератори, системи за подизање, моторна возила - јак магнет од легуре самаријум-кобалта идеалан је за агресивне средине и тешке услове рада. Коерцитивна сила је реда 700 кА/м са заосталом магнетном индукцијом реда величине 1 Тесла.

неодимијум

Неодимијумски магнети су данас веома тражени и чини се да су најперспективнији. Легура неодимијум-гвожђе-бор вам омогућава да креирате супер магнете за разне примене, од брава и играчака до електричних генератора и моћних машина за подизање.

Висока коерцитивна сила од око 1000 кА/м и резидуална магнетизација од око 1,1 Тесла омогућавају да се магнет одржава дуги низ година, током 10 година неодимијумски магнет губи само 1% своје магнетизације ако његова температура у радним условима не прелази + 80 ° Ц (за неке марке до + 200 ° Ц). Дакле, неодимијумски магнети имају само два недостатка — крхкост и ниска радна температура.

Магнетопласти

Магнетни прах заједно са везивом чини мекан, флексибилан и лаган магнет. Везивне компоненте као што су винил, гума, пластика или акрил омогућавају производњу магнета у различитим облицима и величинама.

Магнетна сила је, наравно, мања од чистог магнетног материјала, али су понекад таква решења неопходна да би се оствариле одређене необичне намене магнета: у производњи рекламних производа, у производњи уклоњивих налепница за аутомобиле, као иу производњи разне дописнице и сувенири.

Интеракција магнета

Као што се полови магнета одбијају и за разлику од полова привлаче. Интеракција магнета се објашњава чињеницом да сваки магнет има магнетно поље и ова магнетна поља међусобно делују. На пример, који је разлог магнетизације гвожђа?

Према хипотези француског научника Ампереа, унутар супстанце постоје елементарне електричне струје (Амперске струје), који настају услед кретања електрона око језгара атома и око сопствене осе.

Елементарна магнетна поља настају кретањем електрона.А ако се комад гвожђа унесе у спољашње магнетно поље, онда су сва елементарна магнетна поља у овом гвожђу оријентисана на исти начин у спољашњем магнетном пољу, формирајући сопствено магнетно поље од комада гвожђа. Дакле, ако је примењено спољашње магнетно поље било довољно јако, када га искључите, комад гвожђа би постао трајни магнет.

Познавање облика и магнетизације трајног магнета омогућава да се прорачуни замене еквивалентним системом електричних струја магнетизирања. Таква замена је могућа и при прорачуну карактеристика магнетног поља и при прорачуну сила које делују на магнет из спољашњег поља.

На пример, хајде да израчунамо силу интеракције два трајна магнета. Нека магнети имају облик танких цилиндара, њихови полупречники ће бити означени са р1 и р2, дебљине су х1, х2, осе магнета се поклапају, растојање између магнета ће бити означено са з, претпоставићемо да је је много већа од величине магнета.

Појава силе интеракције између магнета објашњава се на традиционалан начин: један магнет ствара магнетно поље које делује на други магнет.

Да бисмо израчунали силу интеракције, ми ментално заменимо једнолико магнетизоване магнете Ј1 и Ј2 кружним струјама које теку на бочној површини цилиндара. Јачине ових струја биће изражене у смислу магнетизације магнета, а њихови радијуси ће се сматрати једнаким полупречницима магнета.

Разложимо вектор индукције Б магнетног поља који ствара први магнет уместо другог на две компоненте: аксијалну, усмерену дуж осе магнета, и радијалну, окомиту на њу.

Да бисте израчунали укупну силу која делује на прстен, потребно је ментално га поделити на мале елементе Идл и збир Ампераделујући на сваки такав елемент.

Користећи правило са леве стране, лако је показати да аксијална компонента магнетног поља изазива Амперове силе које теже да истегну (или стисну) прстен — векторски збир ових сила је нула.

Присуство радијалне компоненте поља доводи до појаве Амперових сила усмерених дуж осе магнета, односно до њиховог привлачења или одбијања. Остаје да се израчунају силе Ампера — то ће бити силе интеракције између два магнета.

Такође видети:Употреба трајних магнета у електротехници и енергетици