Permanentní magnety — druhy a vlastnosti, formy, interakce magnetů

Co je to permanentní magnet

Feromagnetický produkt, který si po odstranění vnějšího magnetického pole dokáže udržet významnou zbytkovou magnetizaci, se nazývá permanentní magnet.

Permanentní magnety se vyrábějí z různých kovů, jako je kobalt, železo, nikl, slitiny vzácných zemin (pro neodymové magnety) a také z přírodních minerálů, jako jsou magnetity.

Oblast použití permanentních magnetů je dnes velmi široká, ale jejich účel je v podstatě všude stejný — jako zdroj permanentního magnetického pole bez napájení… Magnet je tedy těleso, které má své vlastní magnetické pole.

Samotné slovo „magnet“ pochází z řeckého výrazu, který se překládá jako "Kámen Magnesia", pojmenovaný po asijském městě, kde byla ve starověku objevena ložiska magnetitu - magnetické železné rudy… Z fyzikálního hlediska je elementární magnet elektron a magnetické vlastnosti magnetů jsou obvykle určeny magnetickými momenty elektronů, které tvoří magnetizovaný materiál.

Permanentní magnet je součástí magnetické systémy elektrických výrobků… Zařízení s permanentními magnety jsou obecně založena na přeměně energie:

• mechanické na mechanické (separátory, magnetické konektory atd.);

• mechanické až elektromagnetické (elektrické generátory, reproduktory atd.);

• elektromagnetické až mechanické (elektromotory, reproduktory, magnetoelektrické systémy atd.);

• mechanické na vnitřní (brzdová zařízení atd.).

Pro permanentní magnety platí následující požadavky:

• vysoká specifická magnetická energie;

• minimální rozměry pro danou intenzitu pole;

• zachování výkonu v širokém rozsahu provozních teplot;

• odolnost vůči vnějším magnetickým polím; - technika;

• nízké náklady na suroviny;

• stabilita magnetických parametrů v čase.

Různorodost úloh řešených pomocí permanentních magnetů vyžaduje vytvoření mnoha forem jejich realizace.Permanentní magnety mají často tvar podkovy (tzv. "podkovovité" magnety).

Obrázek ukazuje příklady forem průmyslově vyráběných permanentních magnetů na bázi prvků vzácných zemin s ochranným povlakem.

Komerčně vyráběné permanentní magnety různých tvarů: a — disk; b — prsten; c — rovnoběžnostěn; g — válec; d — míč; e — sektor dutého válce

Magnety se také vyrábějí z tvrdých magnetických kovových slitin a feritů ve formě kulatých a obdélníkových tyčí, dále trubicovité, ve tvaru C, ve tvaru podkovy, ve formě obdélníkových desek atd.

Po vytvarování je nutné materiál zmagnetizovat, tedy umístit do vnějšího magnetického pole, protože magnetické parametry permanentních magnetů jsou dány nejen jejich tvarem nebo materiálem, ze kterého jsou vyrobeny, ale také směrem magnetizace.

Obrobky jsou magnetizovány pomocí permanentních magnetů, stejnosměrných elektromagnetů nebo magnetizačních cívek, kterými procházejí proudové impulsy. Volba způsobu magnetizace závisí na materiálu a tvaru permanentního magnetu.

V důsledku silného zahřátí, nárazů mohou permanentní magnety částečně nebo úplně ztratit své magnetické vlastnosti (demagnetizace).

Charakteristika demagnetizační sekce magnetické hysterezní smyčky materiál, ze kterého je permanentní magnet vyroben, určuje vlastnosti konkrétního permanentního magnetu: čím vyšší je koercitivní síla Hc a tím vyšší je zbytková hodnota magnetická indukce Br – silnější a stabilnější magnet.

Donucovací síla (doslovně přeloženo z latiny — „přídržná síla“) — síla, která brání změně magnetické polarizace feromagnetika.

Dokud feromagnet není polarizován, to znamená, že elementární proudy nejsou orientovány, koercitivní síla brání orientaci elementárních proudů. Ale když je feromagnet již polarizován, udržuje elementární proudy v orientované poloze i po odstranění vnějšího magnetizačního pole.

To vysvětluje zbytkový magnetismus pozorovaný u mnoha feromagnetik. Čím větší je koercitivní síla, tím silnější je jev zbytkového magnetismu.

Takže donucovací síla je síla magnetického polepotřebné pro úplnou demagnetizaci fero- nebo ferimagnetické látky. Čím je tedy určitý magnet koercitivnější, tím je odolnější vůči demagnetizačním faktorům.

Jednotka měření donucovací síly v NE — Ampér/metr. A magnetická indukce, jak víte, je vektorová veličina, což je síla charakteristická pro magnetické pole. Charakteristická hodnota zbytkové magnetické indukce permanentních magnetů je řádově 1 Tesla.

Magnetická hystereze — přítomnost účinků polarizace magnetů vede k tomu, že magnetizace a demagnetizace magnetického materiálu probíhá nerovnoměrně, protože magnetizace materiálu neustále mírně zaostává za magnetizačním polem.

V tomto případě se část energie vynaložené na magnetizaci těla při demagnetizaci nevrací, ale mění se v teplo. Opakované obrácení magnetizace materiálu je proto spojeno se znatelnými energetickými ztrátami a může někdy způsobit silné zahřátí magnetizovaného tělesa.

Čím výraznější je hystereze v materiálu, tím větší je ztráta v něm při obrácené magnetizaci. Proto se pro magnetické obvody se střídavým magnetickým tokem používají materiály, které nemají hysterezi (viz — Magnetická jádra elektrických zařízení).

Magnetické vlastnosti permanentních magnetů se mohou měnit pod vlivem času a vnějších faktorů, mezi které patří:

• teplota;

• magnetické pole;

• mechanická zatížení;

• záření atd.

Změna magnetických vlastností je charakterizována nestabilitou permanentního magnetu, který může být strukturální nebo magnetický.

Strukturní nestabilita je spojena se změnami krystalové struktury, fázovými přeměnami, snížením vnitřních pnutí apod. Původní magnetické vlastnosti lze v tomto případě získat obnovením struktury (například tepelným zpracováním materiálu).

Magnetická nestabilita je způsobena změnou magnetické struktury magnetické látky, která má v čase a vlivem vnějších vlivů tendenci k termodynamické rovnováze. Magnetická nestabilita může být:

• reverzibilní (návrat do původních podmínek obnovuje původní magnetické vlastnosti);

• nevratné (návratu původních vlastností lze dosáhnout pouze opakovanou magnetizací).

Permanentní magnet nebo elektromagnet – co je lepší?

Použití permanentních magnetů k vytvoření permanentního magnetického pole místo jejich ekvivalentních elektromagnetů umožňuje:

• snížit hmotnostní a velikostní charakteristiky výrobků;

• vylučuje použití doplňkových zdrojů energie (což zjednodušuje konstrukci výrobků, snižuje náklady na jejich výrobu a provoz);

• poskytují téměř neomezenou dobu pro udržení magnetického pole v pracovních podmínkách (v závislosti na použitém materiálu).

Nevýhody permanentních magnetů jsou:

• křehkost materiálů použitých při jejich tvorbě (to komplikuje mechanické zpracování výrobků);

• potřeba ochrany před vlivem vlhkosti a plísní (u feritů GOST 24063), jakož i před vlivem vysoké vlhkosti a teploty.

Druhy a vlastnosti permanentních magnetů

Ferit

Feritové magnety, i když jsou křehké, mají dobrou odolnost proti korozi, díky čemuž jsou nejběžnější za nízkou cenu. Tyto magnety jsou vyrobeny ze slitiny oxidu železa s baryem nebo feritem stroncia. Toto složení umožňuje materiálu zachovat si své magnetické vlastnosti v širokém teplotním rozsahu — od -30 °C do + 270 °C.

Magnetické výrobky ve formě feritových kroužků, tyčí a podkov jsou široce používány jak v průmyslu, tak v každodenním životě, v technice a elektronice. Používají se v reproduktorových soustavách, v generátorech, ve stejnosměrných motorech… V automobilovém průmyslu se feritové magnety instalují do startérů, oken, chladicích systémů a ventilátorů.

Feritové magnety se vyznačují koercitivní silou asi 200 kA/m a zbytkovou magnetickou indukcí asi 0,4 Tesla. Feritový magnet může v průměru vydržet 10 až 30 let.

Alnico (hliník-nikl-kobalt)

Permanentní magnety na bázi slitiny hliníku, niklu a kobaltu se vyznačují nepřekonatelnou teplotní stabilitou a stabilitou: jsou schopny udržet své magnetické vlastnosti při teplotách až + 550 °C, i když jejich koercitivní síla je relativně malá. Vlivem relativně malého magnetického pole ztratí takové magnety své původní magnetické vlastnosti.

Posuďte sami: typická koercitivní síla je asi 50 kA/m se zbytkovou magnetizací asi 0,7 Tesla. Navzdory této vlastnosti jsou alnico magnety pro některé vědecké výzkumy nepostradatelné.

Typický obsah složek v alnico slitinách s vysokými magnetickými vlastnostmi se pohybuje v následujících mezích: hliník — od 7 do 10 %, nikl — od 12 do 15 %, kobalt — od 18 do 40 % a od 3 do 4 % mědi.

Čím více kobaltu, tím vyšší je indukce nasycení a magnetická energie slitiny. Aditiva ve formě 2 až 8 % titanu a pouze 1 % niobu přispívají k získání vyšší koercitivní síly — až 145 kA/m. Přídavek 0,5 až 1 % křemíku zajišťuje izotropní magnetické vlastnosti.

Samaří

Pokud potřebujete mimořádnou odolnost proti korozi, oxidaci a teplotám do + 350 °C, pak je magnetická slitina samaria s kobaltem to, co potřebujete.

Za určitou cenu jsou samarium-kobaltové magnety dražší než neodymové magnety kvůli vzácnějšímu a dražšímu kovu, kobaltu. Přesto se doporučuje jejich použití, pokud je nutné mít minimální rozměry a hmotnost finálních výrobků.

To je nejvhodnější v kosmických lodích, letectví a výpočetní technice, miniaturních elektromotorech a magnetických spojkách, v nositelných zařízeních a zařízeních (hodinky, sluchátka, mobilní telefony atd.)

Díky své speciální odolnosti vůči korozi jsou to samáriové magnety, které se používají ve strategickém vývoji a vojenských aplikacích. Elektromotory, generátory, zvedací systémy, motorová vozidla - silný magnet ze slitiny samarium-kobalt je ideální do agresivního prostředí a ztížených pracovních podmínek. Koercitivní síla je řádově 700 kA/m se zbytkovou magnetickou indukcí řádově 1 Tesla.

Neodym

Neodymové magnety jsou dnes velmi žádané a zdají se být nejperspektivnější. Slitina neodymu, železa a boru umožňuje vytvářet super magnety pro různé aplikace, od zámků a hraček až po elektrické generátory a výkonné zvedací stroje.

Vysoká koercitivní síla cca 1000 kA/m a zbytková magnetizace cca 1,1 Tesla umožňují udržení magnetu po mnoho let, po dobu 10 let ztratí neodymový magnet pouze 1 % své magnetizace, pokud jeho teplota za provozních podmínek nepřekročí + 80 °C (u některých značek až + 200 °C). Nevýhody neodymových magnetů jsou tedy pouze dvě — křehkost a nízká provozní teplota.

Magnetoplasty

Magnetický prášek spolu s pojivem tvoří měkký, pružný a lehký magnet. Lepené komponenty, jako je vinyl, pryž, plast nebo akryl, umožňují výrobu magnetů v různých tvarech a velikostech.

Magnetická síla je samozřejmě nižší než u čistého magnetického materiálu, ale někdy jsou taková řešení nezbytná k dosažení určitých neobvyklých účelů magnetů: při výrobě reklamních produktů, při výrobě snímatelných samolepek na auta, stejně jako při výrobě různé papírnictví a suvenýry.

Interakce magnetů

Stejně jako se póly magnetů odpuzují a na rozdíl od pólů přitahují. Interakce magnetů se vysvětluje tím, že každý magnet má magnetické pole a tato magnetická pole se vzájemně ovlivňují. Jaký je například důvod magnetizace železa?

Podle hypotézy francouzského vědce Ampereho uvnitř látky existují elementární elektrické proudy (Ampérové ​​proudy), které vznikají v důsledku pohybu elektronů kolem jader atomů a kolem vlastní osy.

Elementární magnetická pole vznikají pohybem elektronů.A pokud se kus železa zavede do vnějšího magnetického pole, pak jsou všechna elementární magnetická pole v tomto železe orientována stejným způsobem ve vnějším magnetickém poli, které tvoří vlastní magnetické pole z kusu železa. Pokud by tedy aplikované vnější magnetické pole bylo dostatečně silné, jakmile jej vypnete, z kusu železa se stane permanentní magnet.

Znalost tvaru a magnetizace permanentního magnetu umožňuje nahradit výpočty ekvivalentním systémem elektrických magnetizačních proudů. Taková náhrada je možná jak při výpočtu charakteristiky magnetického pole, tak při výpočtu sil působících na magnet z vnějšího pole.

Vypočítejme například interakční sílu dvou permanentních magnetů. Nechť mají magnety tvar tenkých válců, jejich poloměry označíme r1 a r2, tloušťky jsou h1, h2, osy magnetů se shodují, vzdálenost mezi magnety označíme z, budeme předpokládat, že je mnohem větší než velikost magnetů.

Vzhled síly interakce mezi magnety se vysvětluje tradičním způsobem: jeden magnet vytváří magnetické pole, které působí na druhý magnet.

Pro výpočet interakční síly mentálně nahradíme rovnoměrně zmagnetizované magnety J1 a J2 kruhovými proudy tekoucími po boční ploše válců. Síly těchto proudů budou vyjádřeny jako magnetizace magnetů a jejich poloměry budou považovány za rovné poloměrům magnetů.

Rozložme indukční vektor B magnetického pole vytvořeného prvním magnetem místo druhého na dvě složky: axiální, směřující podél osy magnetu, a radiální, k ní kolmou.

Pro výpočet celkové síly působící na prstenec je nutné ji mentálně rozdělit na malé prvky Idl a součet Amperespůsobící na každý takový prvek.

Pomocí pravidla vlevo je snadné ukázat, že axiální složka magnetického pole dává vzniknout ampérovým silám, které mají tendenci natahovat (nebo stlačovat) prstenec — vektorový součet těchto sil je nulový.

Přítomnost radiální složky pole vede ke vzniku ampérových sil nasměrovaných podél osy magnetů, to znamená k jejich přitahování nebo odpuzování. Zbývá vypočítat ampérové ​​síly — to budou síly interakce mezi dvěma magnety.

Viz také:Využití permanentních magnetů v elektrotechnice a energetice