Püsimagnetid — magnetite liigid ja omadused, vormid, vastastikmõju

Mis on püsimagnet

Ferromagnetilist toodet, mis suudab säilitada märkimisväärse jääkmagnetiseerituse pärast välise magnetvälja eemaldamist, nimetatakse püsimagnetiks.

Püsimagnetid on valmistatud erinevatest metallidest, nagu koobalt, raud, nikkel, haruldaste muldmetallide sulamid (neodüümmagnetite jaoks), aga ka looduslikest mineraalidest, nagu magnetiidid.

Püsimagnetite kasutusala on tänapäeval väga lai, kuid nende otstarve on põhimõtteliselt kõikjal sama — püsimagnetvälja allikana ilma toiteallikata… Seega on magnet keha, millel on oma magnetväli.

Sõna "magnet" pärineb kreekakeelsest fraasist, mis tõlkes tähendab "Magnesia kivi", mis sai nime Aasia linna järgi, kus iidsetel aegadel avastati magnetiidi - magnetilise rauamaagi - lademed… Füüsikalisest vaatenurgast on elementaarmagnet elektron ja magnetite magnetilised omadused määravad tavaliselt magnetiseeritud materjali moodustavate elektronide magnetmomendid.

Püsimagnet on osa elektritoodete magnetsüsteemid… Püsimagnetseadmed põhinevad üldiselt energia muundamisel:

• mehaanilisest mehaaniliseks (separaatorid, magnetpistikud jne);

• mehaanilised kuni elektromagnetilised (elektrigeneraatorid, kõlarid jne);

• elektromagnetilistest mehaanilisteni (elektrimootorid, valjuhääldid, magnetoelektrilised süsteemid jne);

• mehaanilisest sisemisest (piduriseadmed jne).

Püsimagnetitele kehtivad järgmised nõuded:

• kõrge spetsiifiline magnetenergia;

• minimaalsed mõõtmed antud väljatugevuse jaoks;

• jõudluse säilitamine laias töötemperatuuri vahemikus;

• vastupidavus välistele magnetväljadele; — tehnoloogia;

• madal tooraine hind;

• magnetiliste parameetrite stabiilsus ajas.

Püsimagnetite abil lahendatavate ülesannete mitmekesisus tingib vajaduse luua nende rakendamiseks palju vorme.Püsimagnetid on sageli kujundatud nagu hobuseraua (nn "hobuseraua" magnetid).

Joonisel on näiteid tööstuslikult toodetud kaitsekattega haruldaste muldmetallide elementidel põhinevate püsimagnetite vormidest.

Kaubanduslikult toodetud mitmesuguse kujuga püsimagnetid: a — ketas; b — ring; c — rööptahukas; g — silinder; d — pall; e — õõnessilindri sektor

Magnete toodetakse ka kõvadest magnetilistest metallisulamitest ja ferriitidest ümmarguste ja ristkülikukujuliste varraste, aga ka torukujuliste, C-kujuliste, hobuserauakujuliste, ristkülikukujuliste plaatidena jne.

Pärast materjali vormimist tuleb see magnetiseerida, st asetada välisesse magnetvälja, sest püsimagnetite magnetilisi parameetreid ei määra mitte ainult nende kuju või materjal, millest need on valmistatud, vaid ka magnetvälja suund. magnetiseerimine.

Toorikud magnetiseeritakse püsimagnetite, alalisvoolu elektromagnetite või magnetiseerivate mähiste abil, mida läbivad vooluimpulsid. Magnetiseerimismeetodi valik sõltub püsimagneti materjalist ja kujust.

Tugeva kuumenemise, löökide tagajärjel võivad püsimagnetid osaliselt või täielikult kaotada oma magnetilised omadused (demagnetiseerumine).

Degasseerimissektsiooni omadused magnethüstereesi silmused materjal, millest püsimagnet on valmistatud, määrab konkreetse püsimagneti omadused: mida suurem on sundjõud Hc ja seda suurem on jääkväärtus magnetiline induktsioon Br - tugevam ja stabiilsem magnet.

Sunnijõud (sõna-sõnalt tõlgitud ladina keelest - "hoidev jõud") - jõud, mis takistab magnetilise polarisatsiooni muutumist ferromagnetid.

Kuni ferromagnet ei ole polariseeritud, st elementaarvoolud ei ole orienteeritud, takistab sundjõud elementaarvoolude orientatsiooni. Kuid kui ferromagnet on juba polariseeritud, hoiab see elementaarvoolud orienteeritud asendis isegi pärast välise magnetiseeriva välja eemaldamist.

See seletab paljudes ferromagnetites esinevat jääkmagnetismi. Mida suurem on sundjõud, seda tugevam on jääkmagnetismi nähtus.

Nii et sunnijõud on magnetvälja tugevusvajalik ferro- või ferrimagnetilise aine täielikuks demagnetiseerimiseks. Seega, mida tugevam on teatud magnet, seda vastupidavam on see demagnetiseerivatele teguritele.

Sunnijõu mõõtühik NE-s - Amper / meeter. A magnetiline induktsioon, nagu teate, on vektorsuurus, mis on magnetväljale iseloomulik jõud. Püsimagnetite jääkmagnetilise induktsiooni iseloomulik väärtus on suurusjärgus 1 Tesla.

Magnethüsterees — magnetite polarisatsiooni mõju olemasolu toob kaasa asjaolu, et magnetilise materjali magnetiseerimine ja demagnetiseerimine kulgevad ebaühtlaselt, kuna materjali magnetiseerimine jääb kogu aeg veidi maha magnetväljast.

Sel juhul ei tagastata osa keha magnetiseerimiseks kulutatud energiast demagnetiseerimisel, vaid muutub soojuseks. Seetõttu on materjali korduv magnetiseerimise ümberpööramine seotud märgatavate energiakadudega ja võib mõnikord põhjustada magnetiseeritud keha tugevat kuumenemist.

Mida tugevam on materjali hüsterees, seda suurem on selle kadu magnetiseerimise ümberpööramisel. Seetõttu kasutatakse vahelduva magnetvooga magnetahelate jaoks materjale, millel puudub hüsterees (vt. Elektriseadmete magnetsüdamikud).

Püsimagnetite magnetilised omadused võivad aja ja väliste tegurite mõjul muutuda, sealhulgas:

• temperatuur;

• magnetväljad;

• mehaanilised koormused;

• kiirgus jne.

Magnetiliste omaduste muutumist iseloomustab püsimagneti ebastabiilsus, mis võib olla struktuurne või magnetiline.

Struktuuri ebastabiilsus on seotud kristalli struktuuri muutustega, faasimuutustega, sisepingete vähenemisega jne. Sellisel juhul saab esialgsed magnetilised omadused saada struktuuri taastamisega (näiteks materjali kuumtöötlemisega).

Magnetilise ebastabiilsuse põhjuseks on magnetilise aine magnetilise struktuuri muutumine, mis aja jooksul ja välismõjude mõjul kaldub termodünaamilisele tasakaalule. Magnetiline ebastabiilsus võib olla:

• pöörduv (algtingimustesse naasmine taastab algsed magnetilised omadused);

• pöördumatu (algsete omaduste tagastamine on saavutatav ainult korduva magnetiseerimisega).

Püsimagnet või elektromagnet – kumb on parem?

Püsimagnetite kasutamine nende ekvivalentsete elektromagnetide asemel püsiva magnetvälja loomiseks võimaldab:

• vähendada toodete kaalu ja suuruse omadusi;

• välistab täiendavate energiaallikate kasutamise (mis lihtsustab toodete projekteerimist, vähendab nende tootmise ja käitamise kulusid);

• tagavad peaaegu piiramatu aja magnetvälja säilitamiseks töötingimustes (olenevalt kasutatavast materjalist).

Püsimagnetite puudused on järgmised:

• nende loomisel kasutatud materjalide haprus (see raskendab toodete mehaanilist töötlemist);

• vajadus kaitsta niiskuse ja hallituse mõju eest (ferriitide jaoks GOST 24063), samuti kõrge niiskuse ja temperatuuri mõju eest.

Püsimagnetite tüübid ja omadused

Ferriit

Kuigi ferriitmagnetid on habras, on neil hea korrosioonikindlus, mistõttu on need madala hinnaga kõige levinumad. Need magnetid on valmistatud raudoksiidi sulamist baariumi või strontsiumferriidiga. See koostis võimaldab materjalil säilitada oma magnetilised omadused laias temperatuurivahemikus -30 ° C kuni + 270 ° C.

Magnettooteid ferriitrõngaste, varraste ja hobuseraudade kujul kasutatakse laialdaselt nii tööstuses kui ka igapäevaelus, tehnikas ja elektroonikas. Neid kasutatakse kõlarisüsteemides, generaatorites, alalisvoolumootorites… Autotööstuses paigaldatakse ferriitmagnetid starteritesse, akendesse, jahutussüsteemidesse ja ventilaatoritesse.

Ferriitmagneteid iseloomustab sundjõud umbes 200 kA/m ja jääkmagnetiline induktsioon umbes 0,4 Teslat. Keskmiselt võib ferriitmagnet kesta 10–30 aastat.

Alnico (alumiinium-nikkel-koobalt)

Alumiiniumi, nikli ja koobalti sulamil põhinevaid püsimagneteid iseloomustab ületamatu temperatuuristabiilsus ja stabiilsus: need suudavad säilitada oma magnetilisi omadusi temperatuuril kuni + 550 °C, kuigi nende sundjõud on suhteliselt väike. Suhteliselt väikese magnetvälja mõjul kaotavad sellised magnetid oma esialgsed magnetilised omadused.

Otsustage ise: tüüpiline sundjõud on umbes 50 kA / m jääkmagnetisatsiooniga umbes 0,7 Teslat. Vaatamata sellele funktsioonile on alnico magnetid mõnede teadusuuringute jaoks asendamatud.

Kõrgete magnetiliste omadustega alnicosulamite tüüpiline komponentide sisaldus varieerub järgmistes piirides: alumiinium - 7-10%, nikkel - 12-15%, koobalt - 18-40% ja 3-4% vask.

Mida rohkem koobaltit, seda suurem on sulami küllastusinduktsioon ja magnetenergia. Lisandid 2–8% titaani ja ainult 1% nioobiumi kujul aitavad kaasa suurema sunnijõu saavutamisele - kuni 145 kA / m. 0,5–1% räni lisamine tagab isotroopsed magnetilised omadused.

Samaaria

Kui vajate erakordset vastupidavust korrosioonile, oksüdatsioonile ja temperatuuridele kuni + 350 ° C, siis on vaja samariumi magnetsulamit koobaltiga.

Teatud hinnaga on samarium-koobaltmagnetid kallimad kui neodüümmagnetid, kuna on vähem ja kallim metall, koobalt. Sellegipoolest on soovitatav neid kasutada, kui on vaja lõpptoodete minimaalseid mõõtmeid ja kaalu.

See on kõige sobivam kosmoselaevade, lennunduse ja arvutitehnoloogia, miniatuursete elektrimootorite ja magnetliitmike, kantavate seadmete ja seadmete (kellad, kõrvaklapid, mobiiltelefonid jne) puhul.

Oma erilise korrosioonikindluse tõttu kasutatakse just samariummagneteid strateegilises arenduses ja sõjalistes rakendustes. Elektrimootorid, generaatorid, tõstesüsteemid, mootorsõidukid – samariumi-koobaltisulamist valmistatud tugev magnet sobib ideaalselt agressiivsesse keskkonda ja rasketesse töötingimustesse. Sunnijõud on suurusjärgus 700 kA/m, jääkmagnetilise induktsiooniga suurusjärgus 1 Tesla.

Neodüüm

Neodüümmagnetid on tänapäeval väga nõutud ja tunduvad olevat kõige lootustandvamad. Neodüüm-raua-boori sulam võimaldab teil luua supermagneteid mitmesugusteks rakendusteks, alates lukkudest ja mänguasjadest kuni elektrigeneraatorite ja võimsate tõsteseadmeteni.

Suur sundjõud umbes 1000 kA / m ja jääkmagnetiseering umbes 1,1 Tesla võimaldavad magnetil püsida mitu aastat, 10 aasta jooksul kaotab neodüümmagnet ainult 1% oma magnetiseeritusest, kui selle temperatuur töötingimustes ei ületa + 80 ° C (mõnede kaubamärkide puhul kuni + 200 ° C). Seega on neodüümmagnetitel ainult kaks puudust — haprus ja madal töötemperatuur.

Magnetoplastid

Magnetpulber koos sideainega moodustab pehme, painduva ja kerge magneti. Liimitavad komponendid, nagu vinüül, kumm, plast või akrüül, võimaldavad toota erineva kuju ja suurusega magneteid.

Magnetjõud on loomulikult väiksem kui puhtal magnetmaterjalil, kuid mõnikord on sellised lahendused vajalikud teatud ebatavaliste magnetite eesmärkide saavutamiseks: reklaamtoodete valmistamisel, eemaldatavate autokleebiste valmistamisel, samuti erinevad kirjatarbed ja suveniirid.

Magnetite koostoime

Nagu magnetite poolused tõrjuvad ja erinevalt poolused tõmbavad. Magnetite vastastikmõju on seletatav sellega, et igal magnetil on magnetväli ja need magnetväljad interakteeruvad üksteisega. Mis on näiteks raua magnetiseerumise põhjus?

Prantsuse teadlase Ampere'i hüpoteesi kohaselt on aine sees elementaarsed elektrivoolud (Ampervoolud), mis tekivad elektronide liikumisel ümber aatomituuma ja ümber oma telje.

Elementaarsed magnetväljad tekivad elektronide liikumisest.Ja kui rauatükk sisestada välisesse magnetvälja, siis kõik selles rauas olevad elementaarmagnetväljad on samamoodi orienteeritud välises magnetväljas, moodustades rauatükist oma magnetvälja. Nii et kui rakendatud väline magnetväli oleks piisavalt tugev, muutuks rauatükist pärast selle väljalülitamist püsimagnet.

Püsimagneti kuju ja magnetiseerituse tundmine võimaldab arvutused asendada samaväärse elektrimagnetiseerivate voolude süsteemiga. Selline asendus on võimalik nii magnetvälja karakteristikute arvutamisel kui ka välisväljast magnetile mõjuvate jõudude arvutamisel.

Näiteks arvutame kahe püsimagneti vastastikuse jõu. Olgu magnetid õhukeste silindrite kujulised, nende raadiused on tähistatud r1 ja r2, paksused h1, h2, magnetite teljed langevad kokku, magnetite vaheline kaugus tähistatakse z-ga, eeldame, et see on palju suurem kui magnetite suurus.

Magnetitevahelise vastasmõju jõu ilmnemist selgitatakse traditsioonilisel viisil: üks magnet loob magnetvälja, mis mõjutab teist magnetit.

Interaktsioonijõu arvutamiseks asendame mõtteliselt ühtlaselt magnetiseeritud magnetid J1 ja J2 silindrite külgpinnal voolavate ringvooludega. Nende voolude tugevusi väljendatakse magnetite magnetiseeritusena ja nende raadiused loetakse võrdseks magnetite raadiustega.

Jagame esimese magneti poolt teise asemel loodud magnetvälja induktsioonivektori B kaheks komponendiks: aksiaalseks, mis on suunatud piki magneti telge, ja radiaalseks, mis on sellega risti.

Rõngale mõjuva kogujõu arvutamiseks on vaja see mõtteliselt jagada väikesteks elementideks Idl ja summaks Amperidiga sellise elemendi suhtes.

Vasakpoolset reeglit kasutades on lihtne näidata, et magnetvälja aksiaalne komponent tekitab amprijõude, mis kipuvad rõngast venitama (või kokku suruma) – nende jõudude vektorsumma on null.

Välja radiaalse komponendi olemasolu viib piki magnetite telge suunatud amprijõudude ilmnemiseni, see tähendab nende külgetõmbamiseni või tõrjumiseni. Jääb välja arvutada amprijõud - need on kahe magneti vastasmõju jõud.

Vaata ka:Püsimagnetite kasutamine elektrotehnikas ja energeetikas