Nuolatiniai magnetai — magnetų rūšys ir savybės, formos, sąveika

Kas yra nuolatinis magnetas

Feromagnetinis produktas, galintis išlaikyti reikšmingą liekamąjį įmagnetinimą pašalinus išorinį magnetinį lauką, vadinamas nuolatiniu magnetu.

Nuolatiniai magnetai gaminami iš įvairių metalų, tokių kaip kobaltas, geležis, nikelis, retųjų žemių lydiniai (neodimio magnetams), taip pat natūralių mineralų, tokių kaip magnetitai.

Nuolatinių magnetų taikymo sritis šiandien yra labai plati, tačiau jų paskirtis iš esmės visur yra ta pati - kaip nuolatinio magnetinio lauko šaltinis be maitinimo… Taigi magnetas yra kūnas, turintis savo magnetinis laukas.

Pats žodis „magnetas“ kilęs iš graikų kalbos frazės, kuri verčiama kaip „Magnezijos akmuo“, pavadintas Azijos miesto vardu, kuriame senovėje buvo aptiktos magnetito – magnetinės geležies rūdos – telkiniai.… Fiziniu požiūriu elementarus magnetas yra elektronas, o magnetines magnetines savybes paprastai lemia elektronų, sudarančių įmagnetintą medžiagą, magnetiniai momentai.

Nuolatinis magnetas yra dalis elektros gaminių magnetinės sistemos… Nuolatinio magneto įtaisai paprastai yra pagrįsti energijos konvertavimu:

• mechaniniai į mechaninius (separatoriai, magnetinės jungtys ir kt.);

• nuo mechaninio iki elektromagnetinio (elektros generatoriai, garsiakalbiai ir kt.);

• nuo elektromagnetinių iki mechaninių (elektros varikliai, garsiakalbiai, magnetoelektrinės sistemos ir kt.);

• mechaniniai į vidinius (stabdžių įtaisai ir kt.).

Nuolatiniams magnetams taikomi šie reikalavimai:

• didelė specifinė magnetinė energija;

• minimalūs tam tikro lauko stiprumo matmenys;

• našumo palaikymas plačiame darbinių temperatūrų diapazone;

• atsparumas išoriniams magnetiniams laukams; - technologija;

• maža žaliavų kaina;

• magnetinių parametrų stabilumas laikui bėgant.

Nuolatinių magnetų pagalba sprendžiamų užduočių įvairovė reikalauja sukurti daugybę jų įgyvendinimo formų.Nuolatiniai magnetai dažnai būna pasagos formos (vadinamieji „pasagos“ magnetai).

Paveiksle pateikti pramoniniu būdu gaminamų nuolatinių magnetų, kurių pagrindą sudaro retųjų žemių elementai su apsaugine danga, formų pavyzdžiai.

Prekyboje gaminami įvairių formų nuolatiniai magnetai: a — diskas; atsinešti; c — gretasienis; g — cilindras; d — rutulys; e — tuščiavidurio cilindro sektorius

Magnetai taip pat gaminami iš kietų magnetinių metalų lydinių ir feritų apvalių ir stačiakampių strypų pavidalu, taip pat vamzdiniai, C formos, pasagos formos, stačiakampių plokščių ir kt.

Suformavus medžiagą, ji turi būti įmagnetinama, tai yra, įstatoma į išorinį magnetinį lauką, nes nuolatinių magnetų magnetinius parametrus lemia ne tik jų forma ar medžiaga, iš kurios jie pagaminti, bet ir kryptis. įmagnetinimas.

Ruošiniai įmagnetinami naudojant nuolatinius magnetus, nuolatinės srovės elektromagnetus arba įmagnetinančius ritinius, per kuriuos praeina srovės impulsai. Įmagnetinimo metodo pasirinkimas priklauso nuo nuolatinio magneto medžiagos ir formos.

Dėl stipraus šildymo, smūgių nuolatiniai magnetai gali iš dalies arba visiškai prarasti savo magnetines savybes (demagnetizacija).

Išdeginimo skyriaus charakteristikos magnetinės histerezės kilpos medžiaga, iš kurios pagamintas nuolatinis magnetas, lemia konkretaus nuolatinio magneto savybes: kuo didesnė koercinė jėga Hc ir tuo didesnė liekamoji vertė magnetinė indukcija Br - stipresnis ir stabilesnis magnetas.

Prievartos galia (pažodžiui išvertus iš lotynų kalbos - "laikanti jėga") - jėga, neleidžianti keisti magnetinės poliarizacijos feromagnetai.

Kol feromagnetas nėra poliarizuotas, tai yra, elementarios srovės nėra orientuotos, prievartinė jėga neleidžia orientuotis elementarioms srovėms. Bet kai feromagnetas jau yra poliarizuotas, jis palaiko elementariąsias sroves orientuotoje padėtyje net pašalinus išorinį magnetizuojantį lauką.

Tai paaiškina liekamąjį magnetizmą, matomą daugelyje feromagnetų. Kuo didesnė priverstinė jėga, tuo stipresnis liekamojo magnetizmo reiškinys.

Taigi prievartinė galia yra magnetinio lauko stiprumasreikalingas visiškam fero- arba ferimagnetinės medžiagos išmagnetinimui. Taigi, kuo stipresnis tam tikras magnetas, tuo jis atsparesnis demagnetizuojantiems veiksniams.

Prievartos jėgos matavimo vienetas NE - Amperas / metras. A magnetinė indukcija, kaip žinote, yra vektorinis dydis, kuris yra magnetiniam laukui būdinga jėga. Būdinga nuolatinių magnetų liekamosios magnetinės indukcijos vertė yra 1 Tesla.

Magnetinė histerezė - magnetų poliarizacijos efektų buvimas lemia tai, kad magnetinės medžiagos įmagnetinimas ir išmagnetinimas vyksta netolygiai, nes medžiagos įmagnetinimas visą laiką šiek tiek atsilieka nuo įmagnetinimo lauko.

Šiuo atveju dalis energijos, sunaudotos kūno įmagnetinimui, išmagnetinimo metu negrąžinama, o virsta šiluma. Todėl pakartotinis medžiagos įmagnetinimo keitimas yra susijęs su pastebimais energijos nuostoliais ir kartais gali sukelti stiprų įmagnetinto kūno įkaitinimą.

Kuo medžiagoje ryškesnė histerezė, tuo didesni nuostoliai joje, kai įmagnetinimas yra atvirkštinis. Todėl magnetinėms grandinėms su kintamu magnetiniu srautu naudojamos medžiagos, neturinčios histerezės (žr. Elektros prietaisų magnetinės šerdys).

Nuolatinių magnetų magnetinės savybės gali keistis veikiant laikui ir išoriniams veiksniams, įskaitant:

• temperatūra;

• magnetiniai laukai;

• mechaninės apkrovos;

• radiacija ir kt.

Magnetinių savybių pokyčiui būdingas nuolatinio magneto, kuris gali būti struktūrinis arba magnetinis, nestabilumas.

Struktūrinis nestabilumas siejamas su kristalų struktūros pokyčiais, fazinėmis transformacijomis, vidinių įtempių mažinimu ir pan.. Tokiu atveju originalias magnetines savybes galima gauti atkuriant struktūrą (pavyzdžiui, termiškai apdorojant medžiagą).

Magnetinį nestabilumą sukelia magnetinės medžiagos magnetinės struktūros pasikeitimas, kuris laikui bėgant ir veikiamas išorinių poveikių linkęs į termodinaminę pusiausvyrą. Magnetinis nestabilumas gali būti:

• grįžtamasis (grįžus į pradines sąlygas atkuriamos pirminės magnetinės savybės);

• negrįžtamas (pirminių savybių grąžinimas gali būti pasiektas tik pakartotinai įmagnetinant).

Nuolatinis magnetas ar elektromagnetas – kas geriau?

Naudojant nuolatinius magnetus nuolatiniam magnetiniam laukui sukurti vietoj ekvivalentiškų elektromagnetų galima:

• sumažinti gaminių svorį ir dydžio charakteristikas;

• neįtraukiamas papildomų energijos šaltinių naudojimas (dėl to supaprastinamas gaminių projektavimas, sumažėja jų gamybos ir eksploatavimo sąnaudos);

• suteikia beveik neribotą laiką palaikyti magnetinį lauką darbo sąlygomis (priklausomai nuo naudojamos medžiagos).

Nuolatinių magnetų trūkumai yra šie:

• jų kūrimui naudojamų medžiagų trapumas (tai apsunkina mechaninį gaminių apdorojimą);

• poreikis apsaugoti nuo drėgmės ir pelėsių poveikio (feritams GOST 24063), taip pat nuo didelės drėgmės ir temperatūros įtakos.

Nuolatinių magnetų rūšys ir savybės

Feritas

Ferito magnetai, nors ir trapūs, turi gerą atsparumą korozijai, todėl jie yra labiausiai paplitę už mažą kainą. Šie magnetai yra pagaminti iš geležies oksido lydinio su bariu arba stroncio feritu. Ši kompozicija leidžia medžiagai išlaikyti savo magnetines savybes plačiame temperatūrų diapazone - nuo -30 ° C iki + 270 ° C.

Magnetiniai gaminiai ferito žiedų, strypų ir pasagų pavidalu plačiai naudojami tiek pramonėje, tiek kasdieniame gyvenime, technologijose ir elektronikoje. Jie naudojami garsiakalbių sistemose, generatoriuose, nuolatinės srovės varikliuose… Automobilių pramonėje ferito magnetai montuojami starteriuose, languose, aušinimo sistemose ir ventiliatoriuose.

Ferito magnetams būdinga apie 200 kA/m koercinė jėga ir apie 0,4 teslos liekamoji magnetinė indukcija. Vidutiniškai ferito magnetas gali tarnauti nuo 10 iki 30 metų.

Alnico (aliuminis-nikelis-kobaltas)

Aliuminio, nikelio ir kobalto lydinio pagrindu pagaminti nuolatiniai magnetai pasižymi neprilygstamu temperatūros stabilumu ir stabilumu: jie gali išlaikyti savo magnetines savybes esant temperatūrai iki + 550 ° C, nors jų priverstinė jėga yra palyginti maža. Santykinai mažo magnetinio lauko įtakoje tokie magnetai praras savo pirmines magnetines savybes.

Spręskite patys: tipinė priverstinė jėga yra apie 50 kA / m, o liekamasis įmagnetinimas yra apie 0,7 teslos. Nepaisant šios savybės, alnico magnetai yra būtini kai kuriems moksliniams tyrimams.

Tipiškas komponentų kiekis alnico lydiniuose, turinčiuose aukštas magnetines savybes, svyruoja šiose ribose: aliuminis – nuo ​​7 iki 10 %, nikelis – nuo ​​12 iki 15 %, kobaltas – nuo ​​18 iki 40 % ir nuo 3 iki 4 % vario.

Kuo daugiau kobalto, tuo didesnė lydinio prisotinimo indukcija ir magnetinė energija. Priedai, kurių sudėtyje yra nuo 2 iki 8% titano ir tik 1% niobio, padeda gauti didesnę priverstinę jėgą - iki 145 kA / m. 0,5–1 % silicio pridėjimas užtikrina izotropines magnetines savybes.

Samarija

Jei jums reikia išskirtinio atsparumo korozijai, oksidacijai ir temperatūrai iki + 350 ° C, tuomet jums reikia magnetinio samariumo lydinio su kobaltu.

Už tam tikrą kainą samariumo-kobalto magnetai yra brangesni nei neodimio magnetai, nes yra retesnio ir brangesnio metalo, kobalto. Nepaisant to, rekomenduojama juos naudoti, jei reikia turėti minimalius galutinių gaminių matmenis ir svorį.

Tai labiausiai tinka erdvėlaiviuose, aviacijoje ir kompiuterinėse technologijose, miniatiūriniuose elektros varikliuose ir magnetinėse jungtyse, nešiojamuose įrenginiuose ir įrenginiuose (laikrodžiuose, ausinėse, mobiliuosiuose telefonuose ir kt.)

Dėl ypatingo atsparumo korozijai būtent samariumo magnetai naudojami strateginėje plėtroje ir karinėse srityse. Elektros varikliai, generatoriai, kėlimo sistemos, motorinės transporto priemonės – stiprus magnetas pagamintas iš samariumo-kobalto lydinio idealiai tinka agresyviai aplinkai ir sunkioms darbo sąlygoms. Prievartos jėga yra 700 kA/m, o liekamoji magnetinė indukcija yra 1 Tesla.

Neodimis

Neodimio magnetai šiandien yra labai paklausūs ir atrodo perspektyviausi. Neodimio-geležies-boro lydinys leidžia sukurti supermagnetus įvairioms reikmėms – nuo ​​spynų ir žaislų iki elektros generatorių ir galingų kėlimo mašinų.

Didelė apie 1000 kA / m priverstinė jėga ir apie 1,1 teslos liekamasis įmagnetinimas leidžia išlaikyti magnetą daugelį metų, 10 metų neodimio magnetas praranda tik 1% įmagnetinimo, jei jo temperatūra darbo sąlygomis neviršija + 80 ° C (kai kuriems prekių ženklams iki + 200 ° C). Taigi, yra tik du neodimio magnetų trūkumai - trapumas ir žema darbo temperatūra.

Magnetoplastai

Magnetiniai milteliai kartu su rišikliu sudaro minkštą, lankstų ir lengvą magnetą. Klijuojantys komponentai, tokie kaip vinilas, guma, plastikas ar akrilas, leidžia gaminti įvairių formų ir dydžių magnetus.

Magnetinė jėga, žinoma, yra mažesnė nei grynos magnetinės medžiagos, tačiau kartais tokie sprendimai yra būtini norint pasiekti tam tikrus neįprastus magnetų tikslus: gaminant reklaminius gaminius, gaminant nuimamus automobilių lipdukus, taip pat gaminant įvairios kanceliarinės prekės ir suvenyrai.

Magnetų sąveika

Kaip magnetų poliai atstumia ir skirtingai nei poliai traukia. Magnetų sąveika paaiškinama tuo, kad kiekvienas magnetas turi magnetinį lauką ir šie magnetiniai laukai sąveikauja vienas su kitu. Pavyzdžiui, kokia yra geležies įmagnetinimo priežastis?

Remiantis prancūzų mokslininko Ampere hipoteze, medžiagos viduje yra elementarios elektros srovės (Amperinės srovės), kurios susidaro dėl elektronų judėjimo aplink atomų branduolius ir aplink savo ašį.

Elementarieji magnetiniai laukai atsiranda dėl elektronų judėjimo.Ir jei geležies gabalas įvedamas į išorinį magnetinį lauką, tai visi elementarieji magnetiniai laukai šioje geležyje yra vienodai orientuoti į išorinį magnetinį lauką, sudarydami savo magnetinį lauką iš geležies gabalo. Taigi, jei naudojamas išorinis magnetinis laukas būtų pakankamai stiprus, jį išjungus, geležies gabalas taptų nuolatiniu magnetu.

Žinant nuolatinio magneto formą ir įmagnetinimą, skaičiavimus galima pakeisti lygiaverte elektrinių įmagnetinimo srovių sistema. Toks pakeitimas galimas tiek skaičiuojant magnetinio lauko charakteristikas, tiek skaičiuojant magnetą iš išorinio lauko veikiančias jėgas.

Pavyzdžiui, apskaičiuokime dviejų nuolatinių magnetų sąveikos jėgą. Tegul magnetai yra plonų cilindrų formos, jų spindulys bus žymimas r1 ir r2, storiai h1, h2, magnetų ašys sutampa, atstumas tarp magnetų bus žymimas z, manysime, kad jis yra daug didesnis nei magnetų dydis.

Magnetų sąveikos jėgos atsiradimas paaiškinamas tradiciniu būdu: vienas magnetas sukuria magnetinį lauką, kuris veikia antrąjį magnetą.

Norėdami apskaičiuoti sąveikos jėgą, tolygiai įmagnetintus magnetus J1 ir J2 mintyse pakeičiame apskritomis srovėmis, tekančiomis šoniniu cilindrų paviršiumi. Šių srovių stiprumai bus išreikšti magnetų įmagnetinimu, o jų spinduliai bus laikomi lygiais magnetų spinduliams.

Pirmojo magneto vietoje antrojo sukurto magnetinio lauko indukcijos vektorių B išskaidykime į du komponentus: ašinį, nukreiptą išilgai magneto ašies, ir radialinį, statmeną jam.

Norint apskaičiuoti bendrą žiedą veikiančią jėgą, reikia mintyse padalyti jį į mažus elementus Idl ir suma Amperaiveikiantis kiekvieną tokį elementą.

Naudojant kairėje esančią taisyklę, nesunku parodyti, kad magnetinio lauko ašinis komponentas sukelia Ampero jėgas, kurios linkusios ištempti (arba suspausti) žiedą – vektorinė šių jėgų suma lygi nuliui.

Radialinio lauko komponento buvimas lemia ampero jėgų atsiradimą, nukreiptą išilgai magnetų ašies, ty jų pritraukimo ar atstūmimo. Belieka apskaičiuoti Ampero jėgas - tai bus dviejų magnetų sąveikos jėgos.

Taip pat žiūrėkite:Nuolatinių magnetų naudojimas elektros inžinerijoje ir energetikoje