Permanente magneter - typer og egenskaber, former, interaktion mellem magneter

Hvad er en permanent magnet

Et ferromagnetisk produkt, der er i stand til at bevare betydelig restmagnetisering efter fjernelse af det eksterne magnetfelt, kaldes en permanent magnet.

Permanente magneter er lavet af forskellige metaller såsom kobolt, jern, nikkel, sjældne jordarters legeringer (til neodymmagneter) samt naturlige mineraler såsom magnetitter.

Anvendelsesområdet for permanente magneter i dag er meget bredt, men deres formål er grundlæggende det samme overalt - som en permanent magnetisk feltkilde uden strømforsyning… En magnet er således en krop, der har sin egen magnetfelt.

Selve ordet "magnet" kommer fra den græske sætning, der oversættes som "Stone of Magnesia", opkaldt efter den asiatiske by, hvor forekomster af magnetit - en magnetisk jernmalm - blev opdaget i oldtiden… Fra et fysisk synspunkt er en elementær magnet en elektron, og magneters magnetiske egenskaber bestemmes normalt af de magnetiske momenter af elektronerne, der udgør det magnetiserede materiale.

Den permanente magnet er en del magnetiske systemer af elektriske produkter… Permanente magnetenheder er generelt baseret på energikonvertering:

• mekanisk til mekanisk (separatorer, magnetiske konnektorer osv.);

• mekanisk til elektromagnetisk (elektriske generatorer, højttalere osv.);

• elektromagnetisk til mekanisk (elektriske motorer, højttalere, magnetoelektriske systemer osv.);

• mekanisk til intern (bremseanordninger osv.).

Følgende krav gælder for permanente magneter:

• høj specifik magnetisk energi;

• minimumsdimensioner for en given feltstyrke;

• opretholdelse af ydeevne over et bredt område af driftstemperaturer;

• modstand mod eksterne magnetiske felter; - teknologi;

• lave omkostninger til råvarer;

• stabilitet af magnetiske parametre over tid.

De mange forskellige opgaver, der løses ved hjælp af permanente magneter, nødvendiggør skabelsen af ​​mange former for deres implementering.Permanente magneter er ofte formet som en hestesko (de såkaldte "hestesko"-magneter).

Figuren viser eksempler på former for industrielt fremstillede permanente magneter baseret på sjældne jordarters elementer med en beskyttende belægning.

Kommercielt fremstillede permanente magneter af forskellige former: a — disk; tage med; c — parallelepipedum; g - cylinder; d — bold; e — sektor af en hul cylinder

Magneter fremstilles også af hårdmagnetiske metallegeringer og ferriter i form af runde og rektangulære stænger, samt rørformede, C-formede, hesteskoformede, i form af rektangulære plader mv.

Efter at materialet er formet, skal det magnetiseres, det vil sige placeres i et eksternt magnetfelt, fordi de magnetiske parametre for permanente magneter bestemmes ikke kun af deres form eller det materiale, de er lavet af, men også af retningen af magnetisering.

Emnerne magnetiseres ved hjælp af permanente magneter, DC-elektromagneter eller magnetiseringsspoler, hvorigennem strømimpulser passerer. Valget af magnetiseringsmetode afhænger af permanentmagnetens materiale og form.

Som følge af stærk opvarmning, stød, kan permanente magneter helt eller delvist miste deres magnetiske egenskaber (afmagnetisering).

Karakteristika for afmagnetiseringssektionen magnetiske hysterese sløjfer materialet, som en permanent magnet er lavet af, bestemmer egenskaberne af en bestemt permanent magnet: jo højere tvangskraften Hc og jo højere restværdi magnetisk induktion Br — den stærkere og mere stabile magnet.

Tvangskraft (bogstaveligt oversat fra latin - "holdende kraft") - en kraft, der forhindrer en ændring i magnetisk polarisering ferromagneter.

Så længe ferromagneten ikke er polariseret, det vil sige, at elementærstrømmene ikke er orienteret, forhindrer tvangskraften orienteringen af ​​elementærstrømmene. Men når ferromagneten allerede er polariseret, holder den de elementære strømme i en orienteret position, selv efter at det eksterne magnetiseringsfelt er fjernet.

Dette forklarer den resterende magnetisme, der ses i mange ferromagneter. Jo større tvangskraften er, jo stærkere er restmagnetismefænomenet.

Så tvangskraft er magnetisk feltstyrkekræves for fuldstændig afmagnetisering af et ferro- eller ferrimagnetisk stof. Jo mere tvangskraft en bestemt magnet har, jo mere modstandsdygtig er den over for afmagnetiserende faktorer.

En måleenhed for tvangskraft i NE — Ampere / meter. EN magnetisk induktion, som du ved, er en vektorstørrelse, som er en kraft, der er karakteristisk for magnetfeltet. Den karakteristiske værdi af den resterende magnetiske induktion af permanente magneter er af størrelsesordenen 1 Tesla.

Magnetisk hysterese — Tilstedeværelsen af ​​virkningerne af magneternes polarisering fører til, at magnetiseringen og afmagnetiseringen af ​​det magnetiske materiale forløber ujævnt, da magnetiseringen af ​​materialet hele tiden halter lidt efter magnetiseringsfeltet.

I dette tilfælde returneres en del af den energi, der bruges på at magnetisere kroppen, ikke under afmagnetiseringen, men bliver til varme. Derfor er gentagne gange vending af magnetiseringen af ​​materialet forbundet med mærkbare energitab og kan nogle gange forårsage stærk opvarmning af det magnetiserede legeme.

Jo mere udtalt hysteresen er i materialet, jo større er tabet i det, når magnetiseringen vendes. Derfor bruges materialer, der ikke har hysterese til magnetiske kredsløb med vekslende magnetisk flux (se — Magnetiske kerner af elektriske enheder).

De magnetiske egenskaber af permanente magneter kan ændre sig under indflydelse af tid og eksterne faktorer, som omfatter:

• temperatur;

• magnetiske felter;

• mekaniske belastninger;

• stråling osv.

Ændringen i magnetiske egenskaber er karakteriseret ved ustabiliteten af ​​den permanente magnet, som kan være strukturel eller magnetisk.

Strukturel ustabilitet er forbundet med ændringer i krystalstrukturen, fasetransformationer, reduktion af indre spændinger osv. I dette tilfælde kan de oprindelige magnetiske egenskaber opnås ved at genoprette strukturen (for eksempel ved varmebehandling af materialet).

Magnetisk ustabilitet er forårsaget af en ændring i den magnetiske struktur af det magnetiske stof, som har tendens til termodynamisk ligevægt over tid og under påvirkning af ydre påvirkninger. Magnetisk ustabilitet kan være:

• reversibel (vend tilbage til de oprindelige betingelser genopretter oprindelige magnetiske egenskaber);

• irreversibel (gengivelsen af ​​de oprindelige egenskaber kan kun opnås ved gentagen magnetisering).

Permanent magnet eller elektromagnet - hvad er bedre?

Brug af permanente magneter til at skabe et permanent magnetfelt i stedet for deres tilsvarende elektromagneter tillader:

• at reducere produkternes vægt og størrelsesegenskaber;

• udelukker brugen af ​​yderligere energikilder (hvilket forenkler design af produkter, reducerer omkostningerne ved deres produktion og drift);

• give en næsten ubegrænset tid til at opretholde magnetfeltet under arbejdsforhold (afhængigt af det anvendte materiale).

Ulemperne ved permanente magneter er:

• skrøbelighed af de materialer, der bruges i deres skabelse (dette komplicerer den mekaniske behandling af produkterne);

• behovet for beskyttelse mod påvirkning af fugt og skimmel (for ferrit GOST 24063), samt mod påvirkning af høj luftfugtighed og temperatur.

Typer og egenskaber af permanente magneter

Ferrit

Ferritmagneter, selvom de er skrøbelige, har god korrosionsbestandighed, hvilket gør dem til de mest almindelige til en lav pris. Disse magneter er lavet af en legering af jernoxid med barium eller strontiumferrit. Denne sammensætning gør det muligt for materialet at bevare sine magnetiske egenskaber i et bredt temperaturområde - fra -30 ° C til + 270 ° C.

Magnetiske produkter i form af ferritringe, stænger og hestesko er meget brugt både i industrien og i hverdagen, inden for teknologi og elektronik. De bruges i højttalersystemer, i generatorer, i DC-motorer… I bilindustrien er ferritmagneter installeret i startere, vinduer, kølesystemer og blæsere.

Ferritmagneter er karakteriseret ved en tvangskraft på omkring 200 kA/m og en resterende magnetisk induktion på omkring 0,4 Tesla. I gennemsnit kan en ferritmagnet holde 10 til 30 år.

Alnico (aluminium-nikkel-kobolt)

Permanente magneter baseret på en legering af aluminium, nikkel og kobolt er karakteriseret ved uovertruffen temperaturstabilitet og stabilitet: de er i stand til at opretholde deres magnetiske egenskaber ved temperaturer op til + 550 ° C, selvom deres tvangskraft er relativt lille. Under påvirkning af et relativt lille magnetfelt vil sådanne magneter miste deres oprindelige magnetiske egenskaber.

Vurder selv: en typisk tvangskraft er omkring 50 kA/m med en restmagnetisering på omkring 0,7 Tesla. På trods af denne funktion er alnico-magneter uundværlige til noget videnskabelig forskning.

Det typiske indhold af komponenter i alnico-legeringer med høje magnetiske egenskaber varierer inden for følgende grænser: aluminium - fra 7 til 10%, nikkel - fra 12 til 15%, kobolt - fra 18 til 40% og fra 3 til 4% kobber.

Jo mere kobolt, jo højere er mætningsinduktionen og den magnetiske energi af legeringen. Additiver i form af 2 til 8% titanium og kun 1% niobium bidrager til at opnå en højere tvangskraft — op til 145 kA/m. Tilsætning af 0,5 til 1% silicium sikrer isotropiske magnetiske egenskaber.

Samaria

Hvis du har brug for enestående modstand mod korrosion, oxidation og temperaturer op til + 350 ° C, så er en magnetisk legering af samarium med kobolt, hvad du har brug for.

Til en bestemt pris er samarium-koboltmagneter dyrere end neodymmagneter på grund af det mere sparsomme og dyrere metal, kobolt. Ikke desto mindre anbefales det at bruge dem, hvis det er nødvendigt at have mindstemål og vægt af slutprodukterne.

Dette er mest hensigtsmæssigt i rumfartøjer, luftfart og computerteknologi, miniature elektriske motorer og magnetiske koblinger, i wearables og enheder (ure, hovedtelefoner, mobiltelefoner osv.)

På grund af dens særlige modstandsdygtighed over for korrosion, er det samariummagneter, der bruges i strategisk udvikling og militære applikationer. Elektriske motorer, generatorer, løftesystemer, motorkøretøjer - en stærk magnet lavet af samarium-koboltlegering er ideel til aggressive miljøer og vanskelige arbejdsforhold. Koercitivkraften er af størrelsesordenen 700 kA/m med en resterende magnetisk induktion af størrelsesordenen 1 Tesla.

Neodym

Neodymmagneter er i stor efterspørgsel i dag og ser ud til at være de mest lovende. Neodymium-jern-bor-legeringen giver dig mulighed for at skabe supermagneter til en række forskellige anvendelser, fra låse og legetøj til elektriske generatorer og kraftfulde løftemaskiner.

En høj tvangskraft på omkring 1000 kA/m og en restmagnetisering på omkring 1,1 Tesla gør, at magneten kan opretholdes i mange år, i 10 år mister en neodymmagnet kun 1 % af sin magnetisering, hvis dens temperatur under driftsbetingelser ikke overstiger + 80 ° C (for nogle mærker op til + 200 ° C). Således er der kun to ulemper ved neodymmagneter - skrøbelighed og lav driftstemperatur.

Magnetoplaster

Det magnetiske pulver danner sammen med bindemidlet en blød, fleksibel og let magnet. Limningskomponenter såsom vinyl, gummi, plast eller akryl gør det muligt at fremstille magneter i en række forskellige former og størrelser.

Den magnetiske kraft er selvfølgelig lavere end rent magnetisk materiale, men nogle gange er sådanne løsninger nødvendige for at opnå visse usædvanlige formål for magneter: i produktionen af ​​reklameprodukter, i produktionen af ​​aftagelige bilklistermærker, såvel som i produktionen af diverse papirvarer og souvenirs.

Interaktion mellem magneter

Ligesom polerne af magneter frastøder og i modsætning til polerne tiltrækker. Samspillet mellem magneter forklares ved, at hver magnet har et magnetfelt, og disse magnetfelter interagerer med hinanden. Hvad er for eksempel årsagen til magnetiseringen af ​​jern?

Ifølge den franske videnskabsmand Amperes hypotese er der inde i stoffet elementære elektriske strømme (Ampere strømme), som dannes på grund af elektronernes bevægelse omkring atomkerner og omkring deres egen akse.

Elementære magnetfelter opstår fra bevægelse af elektroner.Og hvis et stykke jern indføres i et eksternt magnetfelt, så er alle de elementære magnetfelter i dette jern orienteret på samme måde i et eksternt magnetfelt og danner sit eget magnetfelt ud fra et stykke jern. Så hvis det påførte eksterne magnetfelt var stærkt nok, ville jernstykket, når du slukkede det, blive en permanent magnet.

At kende formen og magnetiseringen af ​​en permanent magnet gør det muligt at erstatte beregningerne med et tilsvarende system af elektriske magnetiseringsstrømme. En sådan udskiftning er mulig både ved beregning af magnetfeltets egenskaber og ved beregning af de kræfter, der virker på magneten fra det ydre felt.

Lad os for eksempel beregne vekselvirkningskraften af ​​to permanente magneter. Lad magneterne have form af tynde cylindre, deres radier vil blive betegnet med r1 og r2, tykkelserne er h1, h2, magneternes akser falder sammen, afstanden mellem magneterne vil blive betegnet med z, vi vil antage, at det er meget større end størrelsen af ​​magneterne.

Udseendet af vekselvirkningskraften mellem magneter forklares på traditionel vis: en magnet skaber et magnetfelt, der virker på den anden magnet.

For at beregne vekselvirkningskraften erstatter vi mentalt de ensartet magnetiserede magneter J1 og J2 med cirkulære strømme, der flyder på sidefladen af ​​cylindrene. Styrken af ​​disse strømme vil blive udtrykt i form af magnetiseringen af ​​magneterne, og deres radier vil blive betragtet som lig med magneternes radier.

Lad os nedbryde induktionsvektoren B af magnetfeltet skabt af den første magnet i stedet for den anden i to komponenter: aksial, rettet langs magnetens akse og radial, vinkelret på den.

For at beregne den samlede kraft, der virker på ringen, er det nødvendigt at mentalt opdele den i små elementer Idl og sum Amperevirker på hvert sådant element.

Ved at bruge reglen til venstre er det let at vise, at magnetfeltets aksiale komponent giver anledning til Ampere-kræfter, der har tendens til at strække (eller komprimere) ringen - vektorsummen af ​​disse kræfter er nul.

Tilstedeværelsen af ​​feltets radiale komponent fører til udseendet af Ampere-kræfter rettet langs magneternes akse, det vil sige til deres tiltrækning eller frastødning. Det er tilbage at beregne Ampere-kræfterne - disse vil være kræfterne til interaktion mellem de to magneter.

Se også:Brugen af ​​permanente magneter i elektroteknik og energi