Pastāvīgie magnēti — magnētu veidi un īpašības, formas, mijiedarbība

Kas ir pastāvīgais magnēts

Feromagnētisku izstrādājumu, kas spēj saglabāt ievērojamu atlikušo magnetizāciju pēc ārējā magnētiskā lauka noņemšanas, sauc par pastāvīgo magnētu.

Pastāvīgie magnēti ir izgatavoti no dažādiem metāliem, piemēram, kobalta, dzelzs, niķeļa, retzemju sakausējumiem (neodīma magnētiem), kā arī dabīgiem minerāliem, piemēram, magnetītiem.

Pastāvīgo magnētu pielietojuma joma mūsdienās ir ļoti plaša, taču to mērķis būtībā visur ir vienāds — kā pastāvīgs magnētiskā lauka avots bez barošanas avota… Tādējādi magnēts ir ķermenis, kuram ir savs magnētiskais lauks.

Pats vārds "magnēts" cēlies no grieķu frāzes, kas tulko kā "Magnēzijas akmens", nosaukts pēc Āzijas pilsētas, kurā senatnē tika atklātas magnetīta - magnētiskās dzelzsrūdas - atradnes.… No fiziskā viedokļa elementārais magnēts ir elektrons, un magnētu magnētiskās īpašības parasti nosaka elektronu magnētiskie momenti, kas veido magnetizēto materiālu.

Pastāvīgais magnēts ir daļa elektrisko izstrādājumu magnētiskās sistēmas… Pastāvīgo magnētu ierīces parasti ir balstītas uz enerģijas pārveidošanu:

• mehāniski mehāniski (separatori, magnētiskie savienotāji utt.);

• no mehāniskiem līdz elektromagnētiskiem (elektriskie ģeneratori, skaļruņi utt.);

• no elektromagnētiskiem līdz mehāniskiem (elektromotori, skaļruņi, magnetoelektriskās sistēmas utt.);

• mehāniski uz iekšējiem (bremžu ierīces utt.).

Uz pastāvīgajiem magnētiem attiecas šādas prasības:

• augsta īpatnējā magnētiskā enerģija;

• minimālie izmēri noteiktai lauka intensitātei;

• veiktspējas uzturēšana plašā darba temperatūru diapazonā;

• izturība pret ārējiem magnētiskajiem laukiem; — tehnoloģija;

• zemas izejvielu izmaksas;

• magnētisko parametru stabilitāte laika gaitā.

Ar pastāvīgo magnētu palīdzību risināmo uzdevumu daudzveidība rada nepieciešamību izveidot daudzveidīgas to realizācijas formas.Pastāvīgo magnētu formas bieži veido pakavs (tā saucamie "pakava" magnēti).

Attēlā parādīti rūpnieciski ražotu pastāvīgo magnētu formu piemēri, kuru pamatā ir retzemju elementi ar aizsargpārklājumu.

Komerciāli ražoti dažādu formu pastāvīgie magnēti: a — disks; atnest; c — paralēlskaldnis; g — cilindrs; d — bumba; e — doba cilindra sektors

Magnēti tiek ražoti arī no cietiem magnētiskiem metālu sakausējumiem un ferītiem apaļu un taisnstūrveida stieņu veidā, kā arī cauruļveida, C formas, pakava formas, taisnstūra plākšņu veidā utt.

Pēc materiāla noformēšanas tas ir jāmagnetizē, tas ir, jānovieto ārējā magnētiskajā laukā, jo pastāvīgo magnētu magnētiskos parametrus nosaka ne tikai to forma vai materiāls, no kura tie izgatavoti, bet arī virziens. magnetizācija.

Sagataves tiek magnetizētas, izmantojot pastāvīgos magnētus, līdzstrāvas elektromagnētus vai magnetizēšanas spoles, caur kurām iziet strāvas impulsi. Magnetizācijas metodes izvēle ir atkarīga no pastāvīgā magnēta materiāla un formas.

Spēcīgas sildīšanas, triecienu rezultātā pastāvīgie magnēti var daļēji vai pilnībā zaudēt savas magnētiskās īpašības (demagnetizācija).

Degausēšanas sekcijas raksturojums magnētiskās histerēzes cilpas materiāls, no kura izgatavots pastāvīgais magnēts, nosaka konkrētā pastāvīgā magnēta īpašības: jo lielāks piespiedu spēks Hc un lielāka atlikušā vērtība magnētiskā indukcija Br - spēcīgāks un stabilāks magnēts.

Piespiedu spēks (burtiski tulkots no latīņu valodas - "turēšanas spēks") - spēks, kas novērš magnētiskās polarizācijas izmaiņas feromagnēti.

Kamēr feromagnēts nav polarizēts, tas ir, elementārās strāvas nav orientētas, piespiedu spēks novērš elementāro strāvu orientāciju. Bet, kad feromagnēts jau ir polarizēts, tas saglabā elementārās strāvas orientētā stāvoklī pat pēc ārējā magnetizējošā lauka noņemšanas.

Tas izskaidro daudzos feromagnētos redzamo atlikušo magnētismu. Jo lielāks piespiedu spēks, jo spēcīgāka ir atlikušā magnētisma parādība.

Tātad piespiedu spēks ir magnētiskā lauka stiprumsnepieciešami fero- vai ferimagnētiskas vielas pilnīgai atmagnetizēšanai. Tādējādi, jo spēcīgāks ir noteikts magnēts, jo izturīgāks tas ir pret demagnetizējošiem faktoriem.

Piespiedu spēka mērvienība ZA - ampēri / metrs. A magnētiskā indukcija, kā zināms, ir vektora lielums, kas ir magnētiskajam laukam raksturīgs spēks. Pastāvīgo magnētu atlikušās magnētiskās indukcijas raksturīgā vērtība ir 1 Tesla.

Magnētiskā histerēze — magnētu polarizācijas efektu klātbūtne noved pie tā, ka magnētiskā materiāla magnetizācija un demagnetizācija norit nevienmērīgi, jo materiāla magnetizācija visu laiku nedaudz atpaliek no magnetizējošā lauka.

Šajā gadījumā daļa no enerģijas, kas iztērēta ķermeņa magnetizēšanai, netiek atgriezta demagnetizācijas laikā, bet gan pārvēršas siltumā. Tāpēc atkārtota materiāla magnetizācijas maiņa ir saistīta ar ievērojamiem enerģijas zudumiem un dažkārt var izraisīt spēcīgu magnetizētā ķermeņa uzkaršanu.

Jo izteiktāka histerēze materiālā, jo lielāks ir zudums tajā, mainot magnetizāciju. Tāpēc magnētiskajām ķēdēm ar mainīgu magnētisko plūsmu tiek izmantoti materiāli, kuriem nav histerēzes (sk. Elektrisko ierīču magnētiskie serdeņi).

Pastāvīgo magnētu magnētiskās īpašības var mainīties laika un ārējo faktoru ietekmē, tostarp:

• temperatūra;

• magnētiskie lauki;

• mehāniskās slodzes;

• starojums utt.

Magnētisko īpašību izmaiņas raksturo pastāvīgā magnēta nestabilitāte, kas var būt strukturāla vai magnētiska.

Struktūras nestabilitāte ir saistīta ar kristāla struktūras izmaiņām, fāzu pārvērtībām, iekšējo spriegumu samazināšanos u.c.. Šajā gadījumā sākotnējās magnētiskās īpašības var iegūt, atjaunojot struktūru (piemēram, termiski apstrādājot materiālu).

Magnētisko nestabilitāti izraisa magnētiskās vielas magnētiskās struktūras izmaiņas, kas laika gaitā un ārējās ietekmes ietekmē tiecas uz termodinamisko līdzsvaru. Magnētiskā nestabilitāte var būt:

• atgriezenisks (atgriešanās sākotnējos apstākļos atjauno sākotnējās magnētiskās īpašības);

• neatgriezenisks (sākotnējo īpašību atgriešanos var panākt tikai ar atkārtotu magnetizāciju).

Pastāvīgais magnēts vai elektromagnēts — kas ir labāks?

Pastāvīgo magnētu izmantošana, lai radītu pastāvīgu magnētisko lauku to ekvivalento elektromagnētu vietā, ļauj:

• samazināt produktu svara un izmēra īpašības;

• izslēdz papildu enerģijas avotu izmantošanu (kas vienkāršo izstrādājumu projektēšanu, samazina to ražošanas un ekspluatācijas izmaksas);

• nodrošina gandrīz neierobežotu laiku magnētiskā lauka uzturēšanai darba apstākļos (atkarībā no izmantotā materiāla).

Pastāvīgo magnētu trūkumi ir šādi:

• to izveidē izmantoto materiālu trauslums (tas apgrūtina izstrādājumu mehānisko apstrādi);

• nepieciešamība aizsargāt pret mitruma un pelējuma ietekmi (ferītiem GOST 24063), kā arī pret augsta mitruma un temperatūras ietekmi.

Pastāvīgo magnētu veidi un īpašības

ferīts

Lai gan ferīta magnēti ir trausli, tiem ir laba izturība pret koroziju, tāpēc tie ir visizplatītākie par zemām izmaksām. Šie magnēti ir izgatavoti no dzelzs oksīda sakausējuma ar bāriju vai stroncija ferītu. Šis sastāvs ļauj materiālam saglabāt savas magnētiskās īpašības plašā temperatūras diapazonā - no -30 ° C līdz + 270 ° C.

Magnētiskie izstrādājumi ferīta gredzenu, stieņu un pakavu veidā tiek plaši izmantoti gan rūpniecībā, gan ikdienā, tehnoloģijā un elektronikā. Tos izmanto skaļruņu sistēmās, ģeneratoros, līdzstrāvas motoros… Automobiļu rūpniecībā ferīta magnēti tiek uzstādīti starteros, logos, dzesēšanas sistēmās un ventilatoros.

Ferīta magnētiem raksturīgs piespiedu spēks aptuveni 200 kA/m un atlikušā magnētiskā indukcija aptuveni 0,4 Teslas. Vidēji ferīta magnēts var kalpot no 10 līdz 30 gadiem.

Alnico (alumīnijs-niķelis-kobalts)

Pastāvīgajiem magnētiem, kuru pamatā ir alumīnija, niķeļa un kobalta sakausējums, ir raksturīga nepārspējama temperatūras stabilitāte un stabilitāte: tie spēj saglabāt savas magnētiskās īpašības temperatūrā līdz + 550 ° C, lai gan to piespiedu spēks ir salīdzinoši mazs. Salīdzinoši neliela magnētiskā lauka ietekmē šādi magnēti zaudēs savas sākotnējās magnētiskās īpašības.

Spriediet paši: tipisks piespiedu spēks ir aptuveni 50 kA / m ar atlikušo magnetizāciju aptuveni 0,7 Tesla. Neskatoties uz šo funkciju, Alnico magnēti ir neaizstājami dažos zinātniskos pētījumos.

Tipiskais komponentu saturs alnico sakausējumos ar augstām magnētiskajām īpašībām svārstās šādās robežās: alumīnijs - no 7 līdz 10%, niķelis - no 12 līdz 15%, kobalts - no 18 līdz 40% un no 3 līdz 4% varš.

Jo vairāk kobalta, jo augstāka sakausējuma piesātinājuma indukcija un magnētiskā enerģija. Piedevas 2 līdz 8% titāna un tikai 1% niobija veidā palīdz iegūt lielāku piespiedu spēku - līdz 145 kA / m. 0,5 līdz 1% silīcija pievienošana nodrošina izotropiskas magnētiskās īpašības.

Samarija

Ja jums nepieciešama izcila izturība pret koroziju, oksidāciju un temperatūru līdz + 350 ° C, tad jums ir nepieciešams samārija magnētiskais sakausējums ar kobaltu.

Par noteiktu cenu samārija-kobalta magnēti ir dārgāki nekā neodīma magnēti, jo ir mazāks un dārgāks metāls, kobalts. Tomēr ir ieteicams tos izmantot, ja ir nepieciešami galaprodukta minimālie izmēri un svars.

Tas ir vispiemērotākais kosmosa kuģos, aviācijā un datortehnoloģijās, miniatūros elektromotoros un magnētiskajos sakaros, valkājamās ierīcēs un ierīcēs (pulksteņos, austiņās, mobilajos tālruņos utt.)

Īpašās izturības pret koroziju dēļ tieši samārija magnēti tiek izmantoti stratēģiskajā attīstībā un militārajā jomā. Elektromotori, ģeneratori, pacelšanas sistēmas, mehāniskie transportlīdzekļi - spēcīgs magnēts, kas izgatavots no samārija-kobalta sakausējuma, ir ideāli piemērots agresīvai videi un sarežģītiem darba apstākļiem. Piespiedu spēks ir 700 kA/m ar atlikušo magnētisko indukciju aptuveni 1 Tesla.

Neodīms

Neodīma magnēti mūsdienās ir ļoti pieprasīti, un šķiet, ka tie ir visdaudzsološākie. Neodīma-dzelzs-bora sakausējums ļauj izveidot supermagnētus dažādiem lietojumiem, sākot no slēdzenēm un rotaļlietām līdz elektriskajiem ģeneratoriem un jaudīgām celšanas mašīnām.

Lielais piespiedu spēks aptuveni 1000 kA/m un atlikušā magnetizācija aptuveni 1,1 Tesla ļauj magnētu uzturēt daudzus gadus, 10 gadus neodīma magnēts zaudē tikai 1% no magnetizācijas, ja tā temperatūra darba apstākļos nepārsniedz + 80 ° C (dažiem zīmoliem līdz + 200 ° C). Tādējādi neodīma magnētiem ir tikai divi trūkumi - trauslums un zemā darba temperatūra.

Magnetoplasti

Magnētiskais pulveris kopā ar saistvielu veido mīkstu, elastīgu un vieglu magnētu. Līmējošie komponenti, piemēram, vinils, gumija, plastmasa vai akrils, ļauj izgatavot dažādu formu un izmēru magnētus.

Magnētiskais spēks, protams, ir mazāks nekā tīram magnētiskam materiālam, taču reizēm šādi risinājumi ir nepieciešami, lai sasniegtu noteiktus neparastus magnētiem paredzētus mērķus: reklāmas produktu ražošanā, noņemamo auto uzlīmju ražošanā, kā arī dažādas kancelejas preces un suvenīri.

Magnētu mijiedarbība

Tāpat kā magnētu stabi atgrūž un atšķirībā no poliem pievelk. Magnētu mijiedarbība ir izskaidrojama ar to, ka katram magnētam ir magnētiskais lauks un šie magnētiskie lauki mijiedarbojas viens ar otru. Piemēram, kāds ir dzelzs magnetizācijas iemesls?

Saskaņā ar franču zinātnieka Ampere hipotēzi, vielas iekšpusē ir elementāras elektriskās strāvas (Amperu strāvas), kas veidojas elektronu kustības dēļ ap atomu kodoliem un ap savu asi.

Elementārie magnētiskie lauki rodas no elektronu kustības.Un, ja dzelzs gabals tiek ievadīts ārējā magnētiskajā laukā, tad visi elementārie magnētiskie lauki šajā gludeklī ir vienādi orientēti ārējā magnētiskajā laukā, veidojot savu magnētisko lauku no dzelzs gabala. Tātad, ja pielietotais ārējais magnētiskais lauks būtu pietiekami spēcīgs, pēc tā izslēgšanas dzelzs gabals kļūtu par pastāvīgo magnētu.

Zinot pastāvīgā magnēta formu un magnetizāciju, aprēķinus var aizstāt ar līdzvērtīgu elektrisko magnetizēšanas strāvu sistēmu. Šāda nomaiņa iespējama gan aprēķinot magnētiskā lauka raksturlielumus, gan aprēķinot spēkus, kas uz magnētu iedarbojas no ārējā lauka.

Piemēram, aprēķināsim divu pastāvīgo magnētu mijiedarbības spēku. Ļaujiet magnētiem būt plānu cilindru formā, to rādiusus apzīmēsim ar r1 un r2, biezumus h1, h2, magnētu asis sakrīt, attālumu starp magnētiem apzīmēsim ar z, pieņemsim, ka tas ir daudz lielāks par magnētu izmēru.

Magnētu mijiedarbības spēka izskats tiek skaidrots tradicionālā veidā: viens magnēts rada magnētisko lauku, kas iedarbojas uz otru magnētu.

Lai aprēķinātu mijiedarbības spēku, mēs garīgi aizstājam vienmērīgi magnetizētos magnētus J1 un J2 ar apļveida strāvām, kas plūst uz cilindru sānu virsmas. Šo strāvu stiprumi tiks izteikti magnētu magnetizācijas izteiksmē, un to rādiusi tiks uzskatīti par vienādiem ar magnētu rādiusiem.

Sadalīsim pirmā magnēta vietā otrā magnēta radītā magnētiskā lauka indukcijas vektoru B divās komponentēs: aksiālā, kas vērsta gar magnēta asi, un radiālā, tai perpendikulāra.

Lai aprēķinātu kopējo spēku, kas iedarbojas uz gredzenu, tas ir garīgi jāsadala mazos elementos Idl un summa ampēriiedarbojoties uz katru šādu elementu.

Izmantojot noteikumu kreisajā pusē, ir viegli parādīt, ka magnētiskā lauka aksiālā sastāvdaļa rada ampēru spēkus, kas mēdz stiept (vai saspiest) gredzenu - šo spēku vektoru summa ir nulle.

Lauka radiālās sastāvdaļas klātbūtne izraisa ampēru spēku parādīšanos, kas vērsti gar magnētu asi, tas ir, to pievilkšanu vai atgrūšanu. Atliek aprēķināt ampēru spēkus - tie būs abu magnētu mijiedarbības spēki.

Skatīt arī:Pastāvīgo magnētu izmantošana elektrotehnikā un enerģētikā