Magnesy trwałe — rodzaje i właściwości, formy, oddziaływanie magnesów

Co to jest magnes trwały

Produkt ferromagnetyczny zdolny do zachowania znacznego namagnesowania szczątkowego po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego nazywany jest magnesem trwałym.

Magnesy trwałe są wykonane z różnych metali, takich jak kobalt, żelazo, nikiel, stopy metali ziem rzadkich (w przypadku magnesów neodymowych) oraz minerały naturalne, takie jak magnetyty.

Zakres zastosowania magnesów trwałych jest dziś bardzo szeroki, ale ich przeznaczenie jest zasadniczo wszędzie takie samo — jako trwałe źródło pola magnetycznego bez zasilania… Zatem magnes jest ciałem, które ma swoje własne pole magnetyczne.

Samo słowo „magnes” pochodzi od greckiego wyrażenia, które tłumaczy się jako „Kamień Magnezji”, nazwany na cześć azjatyckiego miasta, w którym w starożytności odkryto złoża magnetytu – magnetycznej rudy żelaza… Z fizycznego punktu widzenia magnes elementarny to elektron, a właściwości magnetyczne magnesów są zwykle określane przez momenty magnetyczne elektronów, które tworzą namagnesowany materiał.

Magnes stały jest częścią systemy magnetyczne produktów elektrycznych… Urządzenia z magnesami trwałymi są zasadniczo oparte na konwersji energii:

• mechaniczne na mechaniczne (separatory, złącza magnetyczne itp.);

• mechanicznego do elektromagnetycznego (generatory elektryczne, głośniki itp.);

• elektromagnetyczny do mechanicznego (silniki elektryczne, głośniki, systemy magnetoelektryczne itp.);

• mechaniczne na wewnętrzne (urządzenia hamulcowe itp.).

Do magnesów trwałych mają zastosowanie następujące wymagania:

• wysoka właściwa energia magnetyczna;

• minimalne wymiary dla danego natężenia pola;

• utrzymanie wydajności w szerokim zakresie temperatur roboczych;

• odporność na zewnętrzne pola magnetyczne; - technologia;

• niski koszt surowców;

• stabilność parametrów magnetycznych w czasie.

Różnorodność zadań rozwiązywanych za pomocą magnesów trwałych wymusza tworzenie wielu form ich realizacji.Magnesy trwałe często mają kształt podkowy (tzw. magnesy „podkowa”).

Na rysunku przedstawiono przykłady form wytwarzanych przemysłowo magnesów trwałych na bazie pierwiastków ziem rzadkich z powłoką ochronną.

Produkowane w handlu magnesy trwałe o różnych kształtach: a — tarcza; przynieść; c — równoległościan; g — cylinder; d — piłka; e — sektor wydrążonego cylindra

Magnesy produkowane są również ze stopów metali magnetycznie twardych i ferrytów w postaci prętów okrągłych i prostokątnych, a także rurowych, w kształcie litery C, w kształcie podkowy, w postaci prostokątnych płytek itp.

Po ukształtowaniu materiał musi zostać namagnesowany, czyli umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, ponieważ o parametrach magnetycznych magnesów trwałych decyduje nie tylko ich kształt czy materiał, z którego są wykonane, ale także kierunek namagnesowanie.

Przedmioty obrabiane są magnesowane za pomocą magnesów trwałych, elektromagnesów prądu stałego lub cewek magnesujących, przez które przechodzą impulsy prądu. Wybór metody magnesowania zależy od materiału i kształtu magnesu trwałego.

W wyniku silnego nagrzania, uderzenia, magnesy trwałe mogą częściowo lub całkowicie utracić swoje właściwości magnetyczne (rozmagnesowanie).

Charakterystyka sekcji rozmagnesowania magnetyczne pętle histerezy materiał, z którego wykonany jest magnes trwały, określa właściwości danego magnesu trwałego: im większa siła koercji Hc, tym wyższa wartość rezydualna Indukcja magnetyczna Br — silniejszy i stabilniejszy magnes.

Siła przymusu (dosłownie przetłumaczone z łaciny — „siła trzymająca”) — siła, która zapobiega zmianie polaryzacji magnetycznej ferromagnesy.

Dopóki ferromagnes nie jest spolaryzowany, to znaczy, że prądy elementarne nie są zorientowane, siła koercji zapobiega orientacji prądów elementarnych. Ale kiedy ferromagnes jest już spolaryzowany, utrzymuje prądy elementarne w zorientowanej pozycji, nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego.

To wyjaśnia magnetyzm szczątkowy obserwowany w wielu ferromagnesach. Im większa siła koercji, tym silniejsze zjawisko magnetyzmu szczątkowego.

Taka jest siła przymusu siła pola magnetycznegowymagane do całkowitego rozmagnesowania substancji ferro- lub ferrimagnetycznej. Zatem im większą koercję ma dany magnes, tym bardziej jest on odporny na czynniki rozmagnesowujące.

Jednostka miary siły przymusu w NE — Amper / metr. A Indukcja magnetyczna, jak wiadomo, jest wielkością wektorową, która jest siłą charakterystyczną dla pola magnetycznego. Charakterystyczna wartość szczątkowej indukcji magnetycznej magnesów trwałych jest rzędu 1 Tesli.

Histereza magnetyczna — obecność efektów polaryzacji magnesów prowadzi do tego, że namagnesowanie i rozmagnesowanie materiału magnetycznego przebiega nierównomiernie, ponieważ namagnesowanie materiału cały czas pozostaje nieco w tyle za polem magnesującym.

W tym przypadku część energii zużytej na namagnesowanie ciała nie jest zwracana podczas rozmagnesowania, ale zamienia się w ciepło. Dlatego wielokrotne odwracanie namagnesowania materiału wiąże się z zauważalnymi stratami energii i może czasami powodować silne nagrzewanie się namagnesowanego ciała.

Im wyraźniejsza jest histereza w materiale, tym większe są jej straty przy odwróceniu namagnesowania. Dlatego materiały, które nie mają histerezy, są używane do obwodów magnetycznych ze zmiennym strumieniem magnetycznym (patrz — Rdzenie magnetyczne urządzeń elektrycznych).

Właściwości magnetyczne magnesów trwałych mogą zmieniać się pod wpływem czasu oraz czynników zewnętrznych, do których należą:

• temperatura;

• pola magnetyczne;

• obciążenia mechaniczne;

• promieniowanie itp.

Zmiana właściwości magnetycznych charakteryzuje się niestabilnością magnesu trwałego, który może być strukturalny lub magnetyczny.

Niestabilność strukturalna wiąże się ze zmianami struktury krystalicznej, przemianami fazowymi, redukcją naprężeń wewnętrznych itp. W tym przypadku pierwotne właściwości magnetyczne można uzyskać poprzez przywrócenie struktury (np. przez obróbkę cieplną materiału).

Niestabilność magnetyczna jest spowodowana zmianą struktury magnetycznej substancji magnetycznej, która dąży do równowagi termodynamicznej w czasie i pod wpływem wpływów zewnętrznych. Niestabilność magnetyczna może być:

• odwracalny (powrót do warunków początkowych przywraca pierwotne właściwości magnetyczne);

• nieodwracalny (powrót do pierwotnych właściwości można osiągnąć jedynie poprzez wielokrotne namagnesowanie).

Magnes trwały czy elektromagnes — co jest lepsze?

Używanie magnesów trwałych do tworzenia stałego pola magnetycznego zamiast ich odpowiedników elektromagnesów umożliwia:

• w celu zmniejszenia charakterystyki wagi i rozmiaru produktów;

• wyklucza stosowanie dodatkowych źródeł energii (co upraszcza projektowanie produktów, obniża koszty ich produkcji i eksploatacji);

• zapewniają niemal nieograniczony czas utrzymywania pola magnetycznego w warunkach pracy (w zależności od użytego materiału).

Wady magnesów trwałych to:

• kruchość materiałów użytych do ich stworzenia (komplikuje to mechaniczną obróbkę produktów);

• potrzeba ochrony przed wpływem wilgoci i pleśni (dla ferrytów GOST 24063), a także przed wpływem wysokiej wilgotności i temperatury.

Rodzaje i właściwości magnesów trwałych

Ferryt

Magnesy ferrytowe, choć delikatne, mają dobrą odporność na korozję, co czyni je najbardziej powszechnymi przy niskich kosztach. Magnesy te wykonane są ze stopu tlenku żelaza z ferrytem barowym lub strontowym. Taka kompozycja pozwala materiałowi zachować właściwości magnetyczne w szerokim zakresie temperatur — od -30°C do +270°C.

Wyroby magnetyczne w postaci pierścieni ferrytowych, prętów i podków ferrytowych znajdują szerokie zastosowanie zarówno w przemyśle, jak iw życiu codziennym, w technice i elektronice. Stosowane są w systemach głośnikowych, w generatorach, w silnikach prądu stałego… W przemyśle motoryzacyjnym magnesy ferrytowe montuje się w rozrusznikach, szybach, układach chłodzenia i wentylatorach.

Magnesy ferrytowe charakteryzują się koercją około 200 kA/m i szczątkową indukcją magnetyczną około 0,4 Tesli. Średnio magnes ferrytowy może trwać od 10 do 30 lat.

Alnico (aluminium-nikiel-kobalt)

Magnesy trwałe na bazie stopu aluminium, niklu i kobaltu charakteryzują się niezrównaną stabilnością i stabilnością temperaturową: są w stanie zachować swoje właściwości magnetyczne w temperaturach do +550°C, chociaż ich siła koercyjna jest stosunkowo niewielka. Pod wpływem stosunkowo małego pola magnetycznego takie magnesy utracą swoje pierwotne właściwości magnetyczne.

Oceń sam: typowa siła przymusu wynosi około 50 kA / m przy magnetyzacji szczątkowej około 0,7 Tesli. Pomimo tej cechy magnesy alnico są niezastąpione w niektórych badaniach naukowych.

Typowa zawartość składników w stopach alnico o wysokich właściwościach magnetycznych waha się w granicach: aluminium — od 7 do 10%, niklu — od 12 do 15%, kobaltu — od 18 do 40% i od 3 do 4% miedzi.

Im więcej kobaltu, tym wyższa indukcja nasycenia i energia magnetyczna stopu. Dodatki w postaci od 2 do 8% tytanu i tylko 1% niobu przyczyniają się do uzyskania wyższej siły koercyjnej — do 145 kA/m. Dodatek 0,5 do 1% krzemu zapewnia izotropowe właściwości magnetyczne.

Samaria

Jeśli potrzebujesz wyjątkowej odporności na korozję, utlenianie i temperaturę do +350°C, to stop magnetyczny samaru z kobaltem jest tym, czego potrzebujesz.

Przy określonej cenie magnesy samarowo-kobaltowe są droższe niż magnesy neodymowe ze względu na rzadszy i droższy metal, kobalt. Niemniej jednak zaleca się ich stosowanie, jeśli konieczne jest zachowanie minimalnych wymiarów i wagi gotowych produktów.

Jest to najbardziej odpowiednie w statkach kosmicznych, lotnictwie i technologii komputerowej, miniaturowych silnikach elektrycznych i sprzęgłach magnetycznych, w urządzeniach i urządzeniach do noszenia (zegarki, słuchawki, telefony komórkowe itp.)

Ze względu na szczególną odporność na korozję magnesy samarowe są wykorzystywane w rozwoju strategicznym i zastosowaniach wojskowych. Silniki elektryczne, generatory, systemy podnoszenia, pojazdy silnikowe – silny magnes wykonany ze stopu samar-kobalt doskonale sprawdza się w agresywnych środowiskach i trudnych warunkach pracy. Siła koercji jest rzędu 700 kA/m przy szczątkowej indukcji magnetycznej rzędu 1 Tesli.

neodym

Magnesy neodymowe są dziś bardzo poszukiwane i wydają się być najbardziej obiecujące. Stop neodymu, żelaza i boru umożliwia tworzenie supermagnesów do różnych zastosowań, od zamków i zabawek po generatory elektryczne i potężne maszyny do podnoszenia.

Duża koercja około 1000 kA/m oraz namagnesowanie szczątkowe około 1,1 Tesli pozwalają na utrzymanie magnesu przez wiele lat, przez 10 lat magnes neodymowy traci tylko 1% swojego namagnesowania, jeśli jego temperatura w warunkach pracy nie przekracza + 80 ° C (dla niektórych marek do + 200 ° C). Tak więc magnesy neodymowe mają tylko dwie wady — kruchość i niską temperaturę pracy.

magnetoplasty

Proszek magnetyczny wraz ze spoiwem tworzy miękki, elastyczny i lekki magnes. Elementy wiążące, takie jak winyl, guma, plastik lub akryl, umożliwiają produkcję magnesów w różnych kształtach i rozmiarach.

Siła magnetyczna jest oczywiście mniejsza niż czystego materiału magnetycznego, ale czasami takie rozwiązania są niezbędne do osiągnięcia pewnych nietypowych zastosowań magnesów: w produkcji artykułów reklamowych, w produkcji usuwalnych naklejek samochodowych, a także w produkcji różne artykuły papiernicze i pamiątki.

Oddziaływanie magnesów

Podobnie jak bieguny magnesów odpychają się iw przeciwieństwie do biegunów przyciągają. Oddziaływanie magnesów tłumaczy się tym, że każdy magnes ma pole magnetyczne, a te pola magnetyczne oddziałują na siebie. Na przykład, jaki jest powód namagnesowania żelaza?

Zgodnie z hipotezą francuskiego naukowca Ampere, wewnątrz substancji występują elementarne prądy elektryczne (Prądy amperowe), które powstają w wyniku ruchu elektronów wokół jąder atomów i wokół własnej osi.

Elementarne pola magnetyczne powstają w wyniku ruchu elektronów.A jeśli kawałek żelaza zostanie wprowadzony do zewnętrznego pola magnetycznego, wówczas wszystkie elementarne pola magnetyczne w tym żelazie są zorientowane w ten sam sposób w zewnętrznym polu magnetycznym, tworząc własne pole magnetyczne z kawałka żelaza. Więc jeśli przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne byłoby wystarczająco silne, po wyłączeniu kawałek żelaza stałby się magnesem trwałym.

Znajomość kształtu i namagnesowania magnesu trwałego pozwala zastąpić obliczenia równoważnym układem elektrycznych prądów magnesujących. Taka zamiana jest możliwa zarówno przy obliczaniu charakterystyki pola magnetycznego, jak i przy obliczaniu sił działających na magnes z pola zewnętrznego.

Na przykład obliczmy siłę oddziaływania dwóch magnesów trwałych. Niech magnesy mają postać cienkich walców, ich promienie będą oznaczane przez r1 i r2, grubości h1, h2, osie magnesów pokrywają się, odległość między magnesami będzie oznaczana przez z, przyjmiemy, że jest znacznie większy niż rozmiar magnesów.

Pojawienie się siły oddziaływania między magnesami wyjaśniono w tradycyjny sposób: jeden magnes wytwarza pole magnetyczne, które działa na drugi magnes.

Aby obliczyć siłę oddziaływania, zamieniamy w myślach równomiernie namagnesowane magnesy J1 i J2 na prądy kołowe płynące po bocznej powierzchni cylindrów. Natężenia tych prądów zostaną wyrażone w kategoriach namagnesowania magnesów, a ich promienie zostaną uznane za równe promieniom magnesów.

Rozłóżmy wektor indukcji B pola magnetycznego wytwarzanego przez pierwszy magnes zamiast drugiego na dwie składowe: osiową, skierowaną wzdłuż osi magnesu i promieniową, prostopadłą do niej.

Aby obliczyć całkowitą siłę działającą na pierścień, konieczne jest mentalne podzielenie go na małe elementy Idl i sumę Amperydziałając na każdy taki element.

Korzystając z reguły po lewej stronie, łatwo jest pokazać, że składowa osiowa pola magnetycznego powoduje powstanie sił amperowych, które mają tendencję do rozciągania (lub ściskania) pierścienia — suma wektorów tych sił wynosi zero.

Obecność promieniowej składowej pola prowadzi do pojawienia się amperowych sił skierowanych wzdłuż osi magnesów, czyli do ich przyciągania lub odpychania. Pozostaje obliczyć siły Ampera — będą to siły oddziaływania między dwoma magnesami.

Zobacz też:Zastosowanie magnesów trwałych w elektrotechnice i energetyce