Постоянни магнити — видове и свойства, форми, взаимодействие на магнити

Какво е постоянен магнит

Феромагнитен продукт, способен да запази значително остатъчно намагнитване след отстраняване на външното магнитно поле, се нарича постоянен магнит.

Постоянните магнити са направени от различни метали като кобалт, желязо, никел, редкоземни сплави (за неодимови магнити), както и от естествени минерали като магнетити.

Обхватът на приложение на постоянните магнити днес е много широк, но тяхната цел е фундаментално еднаква навсякъде — като източник на постоянно магнитно поле без захранване… По този начин магнитът е тяло, което има свое собствено магнитно поле.

Същата дума „магнит“ идва от гръцката фраза, която се превежда като „Камък от Магнезия“, по името на азиатския град, където в древността са открити находища на магнетит — магнитна желязна руда… От физическа гледна точка елементарният магнит е електрон и магнитните свойства на магнитите обикновено се определят от магнитните моменти на електроните, които съставляват намагнетизирания материал.

Постоянният магнит е част магнитни системи на електрически продукти… Устройствата с постоянен магнит обикновено се основават на преобразуване на енергия:

• механични към механични (сепаратори, магнитни съединители и др.);

• механични към електромагнитни (електрически генератори, високоговорители и др.);

• електромагнитни към механични (електродвигатели, високоговорители, магнитоелектрически системи и др.);

• механични към вътрешните (спирачни устройства и др.).

Към постоянните магнити се налагат следните изисквания:

• висока специфична магнитна енергия;

• минимални размери за дадена сила на полето;

• запазване на производителността в широк диапазон от работни температури;

• устойчивост на външни магнитни полета; — технологичност;

• ниска цена на суровините;

• стабилност на магнитните параметри във времето.

Разнообразието от задачи, решавани с помощта на постоянни магнити, налага създаването на много форми на тяхното изпълнение.Постоянните магнити често са оформени като подкова (така наречените „подкови“ магнити).

Фигурата показва примери за форми на индустриално произведени постоянни магнити на базата на редкоземни елементи със защитно покритие.

Комерсиално произвеждани постоянни магнити с различни форми: а — диск; b — пръстен; в — паралелепипед; g — цилиндър; d — топка; e — сектор на кух цилиндър

Магнитите също се произвеждат от твърди магнитни метални сплави и ферити под формата на кръгли и правоъгълни пръти, както и тръбни, С-образни, подковообразни, под формата на правоъгълни плочи и др.

След като материалът е оформен, той трябва да бъде намагнетизиран, тоест поставен във външно магнитно поле, т.к магнитните параметри на постоянните магнити се определят не само от тяхната форма или от материала, от който са направени, но и от посоката на намагнитване.

Заготовките се магнетизират с помощта на постоянни магнити, електромагнити с постоянен ток или намагнитващи бобини, през които преминават токови импулси. Изборът на метод за намагнитване зависи от материала и формата на постоянния магнит.

В резултат на силно нагряване, ударите, постоянните магнити могат частично или напълно да загубят своите магнитни свойства (размагнитване).

Характеристики на размагнитващата секция магнитни хистерезисни контури материалът, от който е направен постоянен магнит, определя свойствата на определен постоянен магнит: колкото по -висока е принудителната сила Нс и толкова по -висока е остатъчната стойност магнитна индукция Br — по -силният и по -стабилен магнит.

Принудителна сила (буквално преведено от латински — „задържаща сила“) — сила, която предотвратява промяна в магнитната поляризация феромагнити.

Докато феромагнетикът не е поляризиран, тоест елементарните токове не са ориентирани, принудителната сила предотвратява ориентацията на елементарните токове. Но когато феромагнетикът вече е поляризиран, той поддържа елементарните токове в ориентирано положение дори след отстраняване на външното намагнитващо поле.

Това обяснява остатъчния магнетизъм, който се наблюдава в много феромагнетици. Колкото по -голяма е принудителната сила, толкова по -силно се проявява явлението остатъчен магнетизъм.

И така, принудителната сила е силата на магнитното поленеобходими за пълно размагнитване на феро- или феримагнитно вещество. По този начин, колкото по -принудителна сила има определен магнит, толкова по -устойчив е на размагнитващи фактори.

Единица за измерване на принудителната сила в СИ — Ампер / метър. А магнитна индукция, както знаете, е векторно количество, което е сила, характерна за магнитното поле. Характерната стойност на остатъчната магнитна индукция на постоянни магнити е от порядъка на 1 Тесла.

Магнитна хистерезис — наличието на последиците от поляризацията на магнитите води до факта, че намагнитването и размагнитването на магнитния материал протичат неравномерно, тъй като намагнитването на материала през цялото време изостава леко от намагнитващото поле.

В този случай част от енергията, изразходвана за намагнитване на тялото, не се връща обратно по време на размагнитване, а се превръща в топлина. Следователно, многократното обръщане на намагнитването на материала е свързано със забележими загуби на енергия и понякога може да причини силно нагряване на намагнетизираното тяло.

Колкото по -изразена е хистерезисът в материала, толкова по -голяма е загубата в него при обръщане на намагнитването. Следователно за магнитни вериги с променлив магнитен поток се използват материали, които нямат хистерезис (виж — Магнитни жила на електрически устройства).

Магнитните свойства на постоянните магнити могат да се променят под въздействието на времето и външните фактори, които включват:

• температура;

• магнитни полета;

• механични натоварвания;

• радиация и др.

Промяната в магнитните свойства се характеризира с нестабилността на постоянния магнит, който може да бъде структурен или магнитен.

Структурната нестабилност е свързана с промени в кристалната структура, фазови трансформации, намаляване на вътрешните напрежения и т. Н. В този случай първоначалните магнитни свойства могат да бъдат получени чрез възстановяване на структурата (например чрез термична обработка на материала).

Магнитната нестабилност се причинява от промяна в магнитната структура на магнитното вещество, което има тенденция към термодинамично равновесие във времето и под въздействието на външни влияния. Магнитната нестабилност може да бъде:

• обратими (връщането към първоначалните условия възстановява първоначалните магнитни свойства);

• необратими (връщането на първоначалните свойства може да се постигне само чрез многократно намагнитване).

Постоянен магнит или електромагнит — кое е по -добре?

Използването на постоянни магнити за създаване на постоянно магнитно поле вместо техните еквивалентни електромагнити позволява:

• за намаляване на характеристиките на теглото и размера на продуктите;

• изключва използването на допълнителни източници на енергия (което опростява проектирането на продуктите, намалява разходите за тяхното производство и експлоатация);

• осигуряват почти неограничено време за поддържане на магнитното поле в работни условия (в зависимост от използвания материал).

Недостатъците на постоянните магнити са:

• крехкост на материалите, използвани при създаването им (това усложнява механичната обработка на продуктите);

• необходимостта от защита срещу влиянието на влага и плесени (за ферити GOST 24063), както и срещу въздействието на висока влажност и температура.

Видове и свойства на постоянните магнити

Ферит

Феритовите магнити, въпреки че са крехки, имат добра устойчивост на корозия, което ги прави на ниска цена най -често срещаните. Тези магнити са направени от сплав от железен оксид с бариев или стронциев ферит. Този състав позволява на материала да запази магнитните си свойства в широк температурен диапазон — от -30 ° C до + 270 ° C.

Магнитните продукти под формата на феритни пръстени, пръти и подкови се използват широко както в промишлеността, така и в ежедневието, в технологиите и електрониката. Те се използват в акустични системи, в генератори, в DC двигатели… В автомобилната индустрия феритни магнити се монтират в стартери, прозорци, охладителни системи и вентилатори.

Феритовите магнити се характеризират с принудителна сила от около 200 kA / m и остатъчна магнитна индукция от около 0,4 Tesla. Средно феритовият магнит може да издържи 10 до 30 години.

Alnico (алуминий-никел-кобалт)

Постоянните магнити на базата на сплав от алуминий, никел и кобалт се характеризират с ненадмината температурна стабилност и стабилност: те са в състояние да поддържат магнитните си свойства при температури до + 550 ° C, въпреки че принудителната им сила е относително малка. Под въздействието на относително малко магнитно поле такива магнити ще загубят първоначалните си магнитни свойства.

Преценете сами: типичната принудителна сила е около 50 kA / m с остатъчна магнетизация от около 0,7 Тесла. Въпреки тази характеристика, магнитите alnico са незаменими за някои научни изследвания.

Типичното съдържание на компоненти в сплави alnico с високи магнитни свойства варира в следните граници: алуминий — от 7 до 10%, никел — от 12 до 15%, кобалт — от 18 до 40%и от 3 до 4%мед.

Колкото повече кобалт, толкова по -висока е индукцията на насищане и магнитната енергия на сплавта. Добавките под формата на 2 до 8% титан и само 1% ниобий допринасят за получаване на по -висока принудителна сила — до 145 kA / m. Добавянето на 0,5 до 1% силиций осигурява изотропността на магнитните свойства.

Самарий

Ако имате нужда от изключителна устойчивост на корозия, окисляване и температури до + 350 ° C, тогава магнитна сплав от самарий с кобалт е това, от което се нуждаете.

На определена цена магнити от самарий -кобалт са по -скъпи от неодимовите магнити поради по -оскъдния и скъп метал — кобалт. Независимо от това, точно тях е препоръчително да се използват, ако е необходимо да има минимални размери и тегло на крайните продукти.

Това е най -целесъобразно в космически кораби, авиационни и компютърни технологии, миниатюрни електродвигатели и магнитни съединители, в носими устройства и устройства (часовници, слушалки, мобилни телефони и др.)

Поради своята специална устойчивост на корозия, именно магнити от самарий се използват в стратегическото развитие и военните приложения. Електрически двигатели, генератори, повдигащи системи, моторни превозни средства — силен магнит, изработен от сплав самарий -кобалт, е идеален за агресивни среди и трудни условия на работа. Принудителната сила е от порядъка на 700 kA / m с остатъчна магнитна индукция от порядъка на 1 Тесла.

Неодим

Неодимовите магнити са в голямо търсене днес и изглеждат най -обещаващите. Сплавта неодим-желязо-бор ви позволява да създавате супер магнити за различни приложения, от ключалки и играчки до електрически генератори и мощни повдигащи машини.

Висока принудителна сила от около 1000 kA / m и остатъчна магнетизация от около 1,1 Tesla позволяват магнитът да се поддържа в продължение на много години, в продължение на 10 години неодимовият магнит губи само 1% от намагнитването си, ако температурата му при работни условия не надвишава + 80 ° C (за някои марки до + 200 ° C). По този начин има само два недостатъка на неодимовите магнити — крехкост и ниска работна температура.

Магнитопласти

Магнитният прах заедно със свързващото вещество образуват мек, гъвкав и лек магнит. Свързващите компоненти като винил, гума, пластмаса или акрил позволяват да се произвеждат магнити в различни форми и размери.

Магнитната сила, разбира се, е по -ниска от чистия магнитен материал, но понякога такива решения са необходими за постигане на определени необичайни за магнитите цели: при производството на рекламни продукти, при производството на сменяеми стикери на автомобили, както и при производството на различни канцеларски и сувенирни стоки.

Взаимодействие на магнити

Подобно на полюсите на магнитите се отблъскват и за разлика от полюсите се привличат. Взаимодействието на магнитите се обяснява с факта, че всеки магнит има магнитно поле и тези магнитни полета взаимодействат помежду си. Каква е например причината за намагнитването на желязото?

Според хипотезата на френския учен Ампер, вътре в веществото има елементарни електрически токове (Амперни токове), които се образуват поради движението на електрони около ядрата на атомите и около собствената им ос.

Елементарни магнитни полета възникват при движение на електрони. И ако парче желязо се въведе във външно магнитно поле, тогава всички елементарни магнитни полета в това желязо са ориентирани по същия начин във външно магнитно поле, образувайки свое собствено магнитно поле от парче желязо. Така че, ако приложеното външно магнитно поле е било достатъчно силно, след като го изключите, парчето желязо ще стане постоянен магнит.

Познаването на формата и намагнитването на постоянен магнит позволява изчисленията да се заменят с еквивалентна система от електрически магнетизиращи токове. Такава подмяна е възможна както при изчисляване на характеристиките на магнитното поле, така и при изчисляване на силите, действащи върху магнита от външното поле.

Например, нека изчислим силата на взаимодействие на два постоянни магнита. Нека магнитите имат формата на тънки цилиндри, радиусите им ще се означават с r1 и r2, дебелините са h1, h2, осите на магнитите съвпадат, разстоянието между магнитите ще се обозначава с z, ще приемем, че то е много по -голям от размера на магнитите.

Появата на силата на взаимодействие между магнитите се обяснява по традиционния начин: един магнит създава магнитно поле, което действа върху втория магнит.

За да изчислим силата на взаимодействие, ние мислено заместваме магнитите с равномерно намагнитване J1 и J2 с кръгови токове, протичащи по страничната повърхност на цилиндрите. Силите на тези токове ще бъдат изразени чрез намагнитване на магнитите, а техните радиуси ще се считат за равни на радиусите на магнитите.

Нека разложим индукционния вектор В на магнитното поле, създаден от първия магнит на мястото на втория на два компонента: аксиален, насочен по оста на магнита, и радиален — перпендикулярен на него.

За да се изчисли общата сила, действаща върху пръстена, е необходимо мислено да се раздели на малки елементи Idl и да се сумира Амперни силидействащ върху всеки такъв елемент.

Използвайки правилото отляво, е лесно да се покаже, че аксиалната компонента на магнитното поле води до появата на сили на Ампер, които са склонни да разтягат (или компресират) пръстена — векторната сума на тези сили е нула.

Наличието на радиалната компонента на полето води до появата на сили на Ампер, насочени по оста на магнитите, тоест до тяхното привличане или отблъскване. Остава да се изчислят силите на Ампер — това ще бъдат силите на взаимодействие между двата магнита.

Вижте също:Използването на постоянни магнити в електротехниката и енергетиката