Állandó mágnesek - a mágnesek típusai és tulajdonságai, formája, kölcsönhatása

Mi az állandó mágnes

Állandó mágnesnek nevezzük azt a ferromágneses terméket, amely a külső mágneses tér eltávolítása után jelentős maradék mágnesezettséget képes megtartani.

Az állandó mágnesek különféle fémekből, például kobaltból, vasból, nikkelből, ritkaföldfém-ötvözetekből (neodímium mágnesekhez), valamint természetes ásványokból, például magnetitokból készülnek.

Az állandó mágnesek alkalmazási köre ma igen széles, de rendeltetésük alapvetően mindenhol ugyanaz. állandó mágneses térforrásként tápellátás nélkül… Így a mágnes olyan test, amelynek megvan a maga sajátja mágneses mező.

Maga a "mágnes" szó a görög kifejezésből származik, amely így fordítja: "Magnézia köve" - ​​az ázsiai városról kapta a nevét, ahol az ókorban magnetit - egy mágneses vasérc - lelőhelyeit fedezték fel.… Fizikai szempontból az elemi mágnes egy elektron, és a mágnesek mágneses tulajdonságait általában a mágnesezett anyagot alkotó elektronok mágneses momentumai határozzák meg.

Az állandó mágnes egy alkatrész elektromos termékek mágneses rendszerei… Az állandó mágneses eszközök általában energiaátalakításon alapulnak:

• mechanikustól mechanikusig (leválasztók, mágneses csatlakozók stb.);

• mechanikustól elektromágnesesig (elektromos generátorok, hangszórók stb.);

• elektromágnesestől mechanikusig (elektromos motorok, hangszórók, magnetoelektromos rendszerek stb.);

• mechanikustól belsőig (fékberendezések stb.).

Az állandó mágnesekre a következő követelmények vonatkoznak:

• nagy fajlagos mágneses energia;

• minimális méretek adott térerősséghez;

• a teljesítmény fenntartása széles üzemi hőmérséklet-tartományban;

• ellenállás a külső mágneses mezőkkel szemben; – technológia;

• alacsony nyersanyagköltség;

• a mágneses paraméterek időbeli stabilitása.

Az állandó mágnesek segítségével megoldható feladatok sokfélesége szükségessé teszi azok megvalósításának sokféle formájának megalkotását.Az állandó mágnesek gyakran patkó alakúak (ún. „patkómágnesek”).

Az ábrán példák láthatók az iparilag előállított, védőbevonatú, ritkaföldfém-elemeken alapuló állandó mágnesek formáira.

Különféle formájú, kereskedelmi forgalomban előállított állandó mágnesek: a – lemez; b — gyűrű; c — paralelepipedon; g – henger; d — labda; e — üreges henger szektora

A mágneseket kemény mágneses fémötvözetekből és ferritekből is gyártják kerek és téglalap alakú rudak, valamint cső alakú, C alakú, patkó alakú, téglalap alakú lemezek stb.

A formázás után az anyagot mágnesezni kell, azaz külső mágneses térbe kell helyezni, mert az állandó mágnesek mágneses paramétereit nem csak az alakjuk vagy az anyag, amelyből készültek, hanem az iránya is meghatározza. mágnesezés.

A munkadarabokat állandó mágnesekkel, egyenáramú elektromágnesekkel vagy mágnesező tekercsekkel mágnesezzük, amelyeken áramimpulzusok haladnak át. A mágnesezési módszer kiválasztása az állandó mágnes anyagától és alakjától függ.

Erős melegítés, ütés hatására az állandó mágnesek részben vagy teljesen elveszíthetik mágneses tulajdonságaikat (lemágnesezés).

A gáztalanító szakasz jellemzői mágneses hiszterézis hurkok az anyag, amelyből az állandó mágnes készül, meghatározza az adott állandó mágnes tulajdonságait: minél nagyobb a Hc koercitív erő és annál nagyobb a maradványérték mágneses indukció Br – az erősebb és stabilabb mágnes.

Kényszerítő erő (a latin szó szerinti fordításban - "tartó erő") - olyan erő, amely megakadályozza a mágneses polarizáció változását ferromágnesek.

Amíg a ferromágnes nem polarizált, vagyis az elemi áramok nem orientáltak, addig a kényszerítő erő megakadályozza az elemi áramok orientációját. De amikor a ferromágnes már polarizált, az elemi áramokat a külső mágnesező tér eltávolítása után is orientált helyzetben tartja.

Ez magyarázza a sok ferromágnesben látható maradék mágnesességet. Minél nagyobb a kényszerítő erő, annál erősebb a maradék mágnesesség jelensége.

Tehát a kényszerítő hatalom az mágneses térerősségferromágneses vagy ferrimágneses anyag teljes lemágnesezéséhez szükséges. Így minél erősebb egy bizonyos mágnes, annál jobban ellenáll a demagnetizáló tényezőknek.

A kényszerítő erő mértékegysége ÉK-ben - Amper / méter. A mágneses indukció, mint tudod, egy vektormennyiség, amely a mágneses térre jellemző erő. Az állandó mágnesek maradék mágneses indukciójának jellemző értéke 1 Tesla nagyságrendű.

Mágneses hiszterézis - a mágnesek polarizációs hatásának jelenléte azt a tényt eredményezi, hogy a mágneses anyag mágnesezése és lemágnesezése egyenetlenül megy végbe, mivel az anyag mágnesezettsége minden alkalommal kissé elmarad a mágnesező tértől.

Ebben az esetben a test mágnesezésére fordított energia egy része a lemágnesezés során nem tér vissza, hanem hővé alakul. Ezért az anyag mágnesezettségének ismételt megfordítása észrevehető energiaveszteséggel jár, és néha a mágnesezett test erős melegítését okozhatja.

Minél kifejezettebb a hiszterézis az anyagban, annál nagyobb a veszteség benne, ha a mágnesezést megfordítják. Ezért olyan anyagokat használnak, amelyek nem rendelkeznek hiszterézissel váltakozó mágneses fluxusú mágneses áramkörökhöz (lásd - Elektromos eszközök mágneses magjai).

Az állandó mágnesek mágneses tulajdonságai az idő és a külső tényezők hatására változhatnak, ideértve:

• hőfok;

• mágneses mezők;

• mechanikai terhelések;

• sugárzás stb.

A mágneses tulajdonságok változását az állandó mágnes instabilitása jellemzi, amely lehet szerkezeti vagy mágneses.

A szerkezeti instabilitás a kristályszerkezet változásaival, fázisátalakulásokkal, a belső feszültségek csökkenésével stb. jár. Ebben az esetben a szerkezet helyreállításával (például az anyag hőkezelésével) az eredeti mágneses tulajdonságok érhetők el.

A mágneses instabilitást a mágneses anyag mágneses szerkezetének megváltozása okozza, amely idővel és külső hatások hatására termodinamikai egyensúlyba kerül. A mágneses instabilitás lehet:

• reverzibilis (a kezdeti feltételekhez való visszatérés visszaállítja az eredeti mágneses tulajdonságokat);

• irreverzibilis (az eredeti tulajdonságok visszaadása csak ismételt mágnesezéssel érhető el).

Állandó mágnes vagy elektromágnes – melyik a jobb?

Az állandó mágnesek állandó mágneses mező létrehozása a megfelelő elektromágnesek helyett lehetővé teszi:

• a termékek súlyának és méretbeli jellemzőinek csökkentése;

• kizárja a további energiaforrások használatát (amely leegyszerűsíti a termékek tervezését, csökkenti előállításuk és üzemeltetésük költségeit);

• szinte korlátlan időt biztosítanak a mágneses tér fenntartására munkakörülmények között (a felhasznált anyagtól függően).

Az állandó mágnesek hátrányai:

• a létrehozásukhoz felhasznált anyagok törékenysége (ez megnehezíti a termékek mechanikai feldolgozását);

• a nedvesség és a penész hatása elleni védelem szükségessége (a ferritekhez GOST 24063), valamint a magas páratartalom és hőmérséklet hatása ellen.

Az állandó mágnesek típusai és tulajdonságai

Ferrit

A ferritmágnesek, bár törékenyek, jó korrózióállósággal rendelkeznek, így alacsony költséggel a leggyakoribbak. Ezek a mágnesek vas-oxid és bárium- vagy stroncium-ferrit ötvözetből készülnek. Ez az összetétel lehetővé teszi, hogy az anyag megőrizze mágneses tulajdonságait széles hőmérsékleti tartományban - -30 ° C és + 270 ° C között.

A mágneses termékeket ferritgyűrűk, rudak és patkók formájában széles körben használják mind az iparban, mind a mindennapi életben, a technikában és az elektronikában. Hangszórórendszerekben használják, generátorokban, egyenáramú motorokban… Az autóiparban a ferritmágneseket indítókba, ablakokba, hűtőrendszerekbe és ventilátorokba szerelik be.

A ferritmágneseket körülbelül 200 kA/m koercitív erő és körülbelül 0,4 Tesla maradék mágneses indukció jellemzi. Egy ferritmágnes átlagosan 10-30 évig tarthat.

Alnico (alumínium-nikkel-kobalt)

Az alumínium, nikkel és kobalt ötvözetén alapuló állandó mágneseket felülmúlhatatlan hőmérsékleti stabilitás és stabilitás jellemzi: képesek megőrizni mágneses tulajdonságaikat + 550 ° C-os hőmérsékleten, bár kényszerítő erejük viszonylag kicsi. Viszonylag kis mágneses tér hatására az ilyen mágnesek elvesztik eredeti mágneses tulajdonságaikat.

Ítélje meg maga: a tipikus kényszerítő erő körülbelül 50 kA / m, körülbelül 0,7 Tesla maradék mágnesezettséggel. Ennek ellenére az alnico mágnesek nélkülözhetetlenek bizonyos tudományos kutatásokhoz.

A magas mágneses tulajdonságokkal rendelkező alnico ötvözetek tipikus összetevői a következő határokon belül változnak: alumínium - 7-10%, nikkel - 12-15%, kobalt - 18-40%, és 3-4% réz.

Minél több kobalt, annál nagyobb az ötvözet telítési indukciója és mágneses energiája. Az adalékanyagok 2-8% titán és csak 1% nióbium formájában hozzájárulnak a nagyobb kényszerítő erő eléréséhez - akár 145 kA / m-ig. 0,5-1% szilícium hozzáadása izotróp mágneses tulajdonságokat biztosít.

Samaria

Ha rendkívüli ellenállásra van szüksége a korrózióval, oxidációval és + 350 ° C-ig terjedő hőmérséklettel szemben, akkor a szamárium kobalttal való mágneses ötvözetére van szüksége.

Egy bizonyos áron a szamárium-kobalt mágnesek drágábbak, mint a neodímium mágnesek a ritkább és drágább fém, a kobalt miatt. Mindazonáltal ajánlatos ezeket használni, ha a végtermékek minimális méretei és súlya szükséges.

Ez a legmegfelelőbb űrhajókban, repülési és számítástechnikai eszközökben, miniatűr elektromos motorokban és mágneses csatlakozókban, hordható eszközökben és eszközökben (órák, fejhallgatók, mobiltelefonok stb.)

Különleges korrózióállósága miatt a szamáriummágneseket stratégiai fejlesztésekben és katonai alkalmazásokban használják. Elektromos motorok, generátorok, emelőrendszerek, gépjárművek - a szamárium-kobalt ötvözetből készült erős mágnes ideális agresszív környezethez és nehéz munkakörülményekhez. A kényszerítő erő 700 kA/m nagyságrendű, 1 Tesla nagyságrendű maradék mágneses indukció mellett.

Neodímium

A neodímium mágnesekre manapság nagy a kereslet, és ezek a legígéretesebbek. A neodímium-vas-bór ötvözet lehetővé teszi szupermágnesek készítését különféle alkalmazásokhoz, a záraktól és játékoktól kezdve az elektromos generátorokig és nagy teljesítményű emelőgépekig.

A nagy, körülbelül 1000 kA / m-es koercitív erő és a körülbelül 1,1 Tesla maradék mágnesezettség lehetővé teszi a mágnes hosszú éveken át tartó fenntartását, 10 évig a neodímium mágnes csak 1%-át veszíti el mágnesezettségéből, ha hőmérséklete működési körülmények között nem haladja meg + 80 ° C (egyes márkáknál + 200 ° C-ig). Így a neodímium mágneseknek csak két hátránya van - a törékenység és az alacsony működési hőmérséklet.

Magnetoplasztok

A mágneses por a kötőanyaggal együtt puha, rugalmas és könnyű mágnest képez. Az olyan ragasztóelemek, mint a vinil, gumi, műanyag vagy akril, lehetővé teszik a mágnesek különféle formájú és méretű előállítását.

A mágneses erő természetesen kisebb, mint a tiszta mágneses anyagé, de néha ilyen megoldásokra van szükség a mágneseknél bizonyos szokatlan célok eléréséhez: reklámtermékek gyártása során, eltávolítható autómatricák gyártása során, valamint különféle írószerek és ajándéktárgyak.

Mágnesek kölcsönhatása

Mint a mágnesek pólusai taszítják, és nem úgy, mint a pólusok vonzzák. A mágnesek kölcsönhatása azzal magyarázható, hogy minden mágnesnek van mágneses tere, és ezek a mágneses terek kölcsönhatásba lépnek egymással. Például mi az oka a vas mágnesezettségének?

A francia tudós, Ampere hipotézise szerint az anyag belsejében elemi elektromos áramok vannak (Amperáramok), amelyek az elektronok atommagok körüli és saját tengelyük körüli mozgása következtében jönnek létre.

Elemi mágneses mezők keletkeznek az elektronok mozgásából.És ha egy vasdarabot egy külső mágneses térbe vezetünk, akkor ebben a vasban az összes elemi mágneses mező ugyanúgy orientálódik egy külső mágneses térben, és egy vasdarabból saját mágneses teret képez. Tehát ha az alkalmazott külső mágneses tér elég erős volt, a kikapcsolást követően a vasdarab állandó mágnessé válik.

Az állandó mágnes alakjának és mágnesezettségének ismerete lehetővé teszi, hogy a számításokat egy egyenértékű elektromos mágnesező áramrendszerrel helyettesítsük. Az ilyen csere lehetséges mind a mágneses tér jellemzőinek kiszámításakor, mind a külső térből a mágnesre ható erők kiszámításakor.

Például számítsuk ki két állandó mágnes kölcsönhatási erejét. Legyen a mágnesek vékony henger alakúak, sugarukat r1 és r2 jelöljük, vastagságuk h1, h2, a mágnesek tengelyei egybeesnek, a mágnesek közötti távolságot jelöljük z-vel, feltételezzük, hogy sokkal nagyobb, mint a mágnesek mérete.

A mágnesek közötti kölcsönhatási erő megjelenését a hagyományos módon magyarázzák: az egyik mágnes mágneses teret hoz létre, amely a második mágnesre hat.

A kölcsönhatási erő kiszámításához gondolatban helyettesítjük az egyenletesen mágnesezett J1 és J2 mágneseket a hengerek oldalfelületén folyó köráramokkal. Ezen áramok erősségeit a mágnesek mágnesezettségével fejezzük ki, és sugarukat egyenlőnek tekintjük a mágnesek sugarával.

Bontsuk fel az első mágnes által a második helyett létrehozott mágneses tér B indukciós vektorát két komponensre: axiális, a mágnes tengelye mentén irányított és sugárirányú, arra merőleges komponensre.

A gyűrűre ható összerő kiszámításához gondolatban fel kell osztani kis elemekre Idl és összeg Amperminden olyan elemre hatva.

A bal oldali szabállyal könnyen kimutatható, hogy a mágneses tér tengelyirányú összetevője Ampererőket hoz létre, amelyek hajlamosak a gyűrű megnyújtására (vagy összenyomására) – ezen erők vektorösszege nulla.

A tér sugárirányú komponensének jelenléte a mágnesek tengelye mentén irányított Amper-erők megjelenéséhez vezet, vagyis azok vonzásához vagy taszításához. Az Ampererők kiszámítása hátra van – ezek lesznek a két mágnes közötti kölcsönhatási erők.

Lásd még:Az állandó mágnesek alkalmazása az elektrotechnikában és az energetikában