Permanente magneten — soorten en eigenschappen, vormen, interactie van magneten

Wat is een permanente magneet

Een ferromagnetisch product dat na verwijdering van het externe magnetische veld een aanzienlijke restmagnetisatie kan behouden, wordt een permanente magneet genoemd.

Permanente magneten zijn gemaakt van verschillende metalen zoals kobalt, ijzer, nikkel, zeldzame-aardelegeringen (voor neodymiummagneten) en natuurlijke mineralen zoals magnetieten.

Het toepassingsgebied van permanente magneten is tegenwoordig zeer breed, maar hun doel is overal in wezen hetzelfde - als een permanente magnetische veldbron zonder voeding… Een magneet is dus een lichaam dat zijn eigen lichaam heeft magnetisch veld.

Het woord "magneet" komt van de Griekse uitdrukking die zich vertaalt als "Stone of Magnesia", genoemd naar de Aziatische stad waar in de oudheid afzettingen van magnetiet - een magnetisch ijzererts - werden ontdekt… Vanuit een fysisch oogpunt is een elementaire magneet een elektron, en de magnetische eigenschappen van magneten worden meestal bepaald door de magnetische momenten van de elektronen waaruit het gemagnetiseerde materiaal bestaat.

De permanente magneet is een onderdeel magnetische systemen van elektrische producten... Apparaten met permanente magneten zijn over het algemeen gebaseerd op energieconversie:

• mechanisch naar mechanisch (scheiders, magnetische connectoren, enz.);

• mechanisch tot elektromagnetisch (elektrische generatoren, luidsprekers, enz.);

• elektromagnetisch tot mechanisch (elektromotoren, luidsprekers, magneto-elektrische systemen, enz.);

• mechanisch naar intern (reminrichtingen, enz.).

Voor permanente magneten gelden de volgende eisen:

• hoge specifieke magnetische energie;

• minimale afmetingen voor een gegeven veldsterkte;

• behoud van prestaties over een breed bereik van bedrijfstemperaturen;

• weerstand tegen externe magnetische velden; — technologie;

• lage kosten van grondstoffen;

• stabiliteit van magnetische parameters in de tijd.

De verscheidenheid aan taken die met behulp van permanente magneten kunnen worden opgelost, vereist de creatie van vele uitvoeringsvormen Permanente magneten hebben vaak de vorm van een hoefijzer (de zogenaamde "hoefijzermagneten").

De figuur toont voorbeelden van vormen van industrieel geproduceerde permanente magneten op basis van zeldzame aardmetalen met een beschermende coating.

Commercieel geproduceerde permanente magneten in verschillende vormen: a — schijf; brengen; c — parallellepipedum; g — cilinder; d — bal; e — sector van een holle cilinder

Magneten worden ook gemaakt van hardmagnetische metaallegeringen en ferrieten in de vorm van ronde en rechthoekige staven, evenals buisvormig, C-vormig, hoefijzervormig, in de vorm van rechthoekige platen, enz.

Nadat het materiaal is gevormd, moet het worden gemagnetiseerd, dat wil zeggen in een extern magnetisch veld worden geplaatst, omdat de magnetische parameters van permanente magneten niet alleen worden bepaald door hun vorm of het materiaal waaruit ze zijn gemaakt, maar ook door de richting van magnetisatie.

De werkstukken worden gemagnetiseerd met behulp van permanente magneten, DC-elektromagneten of magnetiseringsspoelen waar stroompulsen doorheen gaan. De keuze van de magnetiseringsmethode is afhankelijk van het materiaal en de vorm van de permanente magneet.

Als gevolg van sterke verhitting, stoten, kunnen permanente magneten hun magnetische eigenschappen geheel of gedeeltelijk verliezen (demagnetisatie).

Kenmerken van het demagnetiseringsgedeelte magnetische hysteresislussen het materiaal waaruit een permanente magneet is gemaakt bepaalt de eigenschappen van een bepaalde permanente magneet: hoe hoger de dwangkracht Hc en hoe hoger de restwaarde magnetische inductie Br — de sterkere en stabielere magneet.

Dwingende macht (letterlijk vertaald uit het Latijn - "vasthoudkracht") - een kracht die een verandering in magnetische polarisatie voorkomt ferromagneten.

Zolang de ferromagneet niet gepolariseerd is, dat wil zeggen dat de elementaire stromen niet georiënteerd zijn, verhindert de dwangkracht de oriëntatie van de elementaire stromen. Maar als de ferromagneet al gepolariseerd is, houdt hij de elementaire stromen in een georiënteerde positie, zelfs nadat het externe magnetiserende veld is verwijderd.

Dit verklaart het restmagnetisme dat in veel ferromagneten wordt waargenomen. Hoe groter de dwingende kracht, hoe sterker het fenomeen van restmagnetisme.

Dwingende kracht is dus Magnetische veldsterktevereist voor volledige demagnetisatie van een ferro- of ferrimagnetische substantie. Dus hoe dwingender een bepaalde magneet is, hoe beter hij bestand is tegen demagnetiserende factoren.

Een maateenheid voor dwingende kracht in NO — Ampère / meter. A magnetische inductie, zoals u weet, is een vectorgrootheid, wat een krachtkarakteristiek is van het magnetische veld. De karakteristieke waarde van de residuele magnetische inductie van permanente magneten is in de orde van grootte van 1 Tesla.

Magnetische hysteresis — de aanwezigheid van de effecten van de polarisatie van magneten leidt ertoe dat de magnetisatie en demagnetisatie van het magnetische materiaal ongelijkmatig verloopt, aangezien de magnetisatie van het materiaal altijd iets achterblijft bij het magnetiserende veld.

In dit geval wordt een deel van de energie die wordt besteed aan het magnetiseren van het lichaam niet teruggegeven tijdens het demagnetiseren, maar wordt het omgezet in warmte. Daarom gaat het herhaaldelijk omkeren van de magnetisatie van het materiaal gepaard met merkbare energieverliezen en kan het soms sterke verhitting van het gemagnetiseerde lichaam veroorzaken.

Hoe meer uitgesproken de hysteresis in het materiaal, hoe groter het verlies erin wanneer de magnetisatie wordt omgekeerd. Daarom worden materialen zonder hysteresis gebruikt voor magnetische circuits met wisselende magnetische flux (zie - Magnetische kernen van elektrische apparaten).

De magnetische eigenschappen van permanente magneten kunnen veranderen onder invloed van tijd en externe factoren, waaronder:

• temperatuur;

• magnetische velden;

• mechanische belastingen;

• straling enz.

De verandering in magnetische eigenschappen wordt gekenmerkt door de instabiliteit van de permanente magneet, die structureel of magnetisch kan zijn.

Structurele instabiliteit gaat gepaard met veranderingen in de kristalstructuur, fasetransformaties, vermindering van interne spanningen, enz. In dit geval kunnen de oorspronkelijke magnetische eigenschappen worden verkregen door de structuur te herstellen (bijvoorbeeld door warmtebehandeling van het materiaal).

Magnetische instabiliteit wordt veroorzaakt door een verandering in de magnetische structuur van de magnetische substantie, die na verloop van tijd en onder invloed van externe invloeden neigt naar thermodynamisch evenwicht. Magnetische instabiliteit kan zijn:

• omkeerbaar (terugkeer naar oorspronkelijke toestand herstelt originele magnetische eigenschappen);

• onomkeerbaar (de terugkeer van de oorspronkelijke eigenschappen kan alleen worden bereikt door herhaalde magnetisatie).

Permanente magneet of elektromagneet - wat is beter?

Door permanente magneten te gebruiken om een ​​permanent magnetisch veld te creëren in plaats van hun equivalente elektromagneten, kunt u:

• om het gewicht en de afmetingen van de producten te verminderen;

• sluit het gebruik van aanvullende energiebronnen uit (wat het ontwerp van producten vereenvoudigt, de kosten van hun productie en werking verlaagt);

• bieden een bijna onbeperkte tijd om het magnetische veld in werkomstandigheden te behouden (afhankelijk van het gebruikte materiaal).

De nadelen van permanente magneten zijn:

• kwetsbaarheid van de materialen die bij hun creatie zijn gebruikt (dit bemoeilijkt de mechanische verwerking van de producten);

• de behoefte aan bescherming tegen de invloed van vocht en schimmel (voor ferrieten GOST 24063), evenals tegen de invloed van hoge luchtvochtigheid en temperatuur.

Typen en eigenschappen van permanente magneten

Ferriet

Ferrietmagneten, hoewel kwetsbaar, hebben een goede corrosieweerstand, waardoor ze de meest voorkomende tegen lage kosten zijn. Deze magneten zijn gemaakt van een legering van ijzeroxide met barium- of strontiumferriet. Door deze samenstelling behoudt het materiaal zijn magnetische eigenschappen in een breed temperatuurbereik - van -30 ° C tot + 270 ° C.

Magnetische producten in de vorm van ferrietringen, staven en hoefijzers worden veel gebruikt, zowel in de industrie als in het dagelijks leven, in technologie en elektronica. Ze worden gebruikt in luidsprekersystemen, bij generatoren, bij gelijkstroommotoren… In de auto-industrie worden ferrietmagneten geïnstalleerd in starters, ruiten, koelsystemen en ventilatoren.

Ferrietmagneten worden gekenmerkt door een dwangkracht van ongeveer 200 kA/m en een residuele magnetische inductie van ongeveer 0,4 Tesla. Gemiddeld gaat een ferrietmagneet 10 tot 30 jaar mee.

Alnico (aluminium-nikkel-kobalt)

Permanente magneten op basis van een legering van aluminium, nikkel en kobalt worden gekenmerkt door een onovertroffen temperatuurstabiliteit en stabiliteit: ze kunnen hun magnetische eigenschappen behouden bij temperaturen tot + 550 ° C, hoewel hun dwangkracht relatief klein is. Dergelijke magneten verliezen onder invloed van een relatief klein magnetisch veld hun oorspronkelijke magnetische eigenschappen.

Oordeel zelf: een typische dwangkracht is ongeveer 50 kA/m met een restmagnetisatie van ongeveer 0,7 Tesla. Ondanks deze eigenschap zijn alnico-magneten onmisbaar voor sommige wetenschappelijke onderzoeken.

Het typische gehalte aan componenten in alnico-legeringen met hoge magnetische eigenschappen varieert binnen de volgende limieten: aluminium - van 7 tot 10%, nikkel - van 12 tot 15%, kobalt - van 18 tot 40% en van 3 tot 4% koper.

Hoe meer kobalt, hoe hoger de verzadigingsinductie en magnetische energie van de legering. Additieven in de vorm van 2 tot 8% titanium en slechts 1% niobium dragen bij aan het verkrijgen van een hogere dwangkracht - tot 145 kA/m. De toevoeging van 0,5 tot 1% silicium zorgt voor isotrope magnetische eigenschappen.

Samaria

Als je uitzonderlijke weerstand tegen corrosie, oxidatie en temperaturen tot + 350 ° C nodig hebt, dan is een magnetische legering van samarium met kobalt wat je nodig hebt.

Tegen een bepaalde prijs zijn samarium-kobaltmagneten duurder dan neodymiummagneten vanwege het schaarser en duurdere metaal kobalt. Desalniettemin wordt het aanbevolen om ze te gebruiken als het nodig is om minimale afmetingen en gewicht van de eindproducten te hebben.

Dit is het meest geschikt in ruimtevaartuigen, luchtvaart- en computertechnologie, miniatuurelektromotoren en magnetische koppelingen, in wearables en apparaten (horloges, koptelefoons, mobiele telefoons, enz.)

Vanwege zijn speciale weerstand tegen corrosie zijn het samariummagneten die worden gebruikt bij strategische ontwikkeling en militaire toepassingen. Elektromotoren, generatoren, hefsystemen, motorvoertuigen - een sterke magneet van samarium-kobaltlegering is ideaal voor agressieve omgevingen en moeilijke werkomstandigheden. De dwangkracht is in de orde van 700 kA/m met een residuele magnetische inductie in de orde van 1 Tesla.

Neodymium

Neodymium-magneten zijn tegenwoordig erg in trek en lijken de meest veelbelovende. Met de neodymium-ijzer-boorlegering kunt u supermagneten maken voor een verscheidenheid aan toepassingen, van sloten en speelgoed tot elektrische generatoren en krachtige hefmachines.

Een hoge dwangkracht van ongeveer 1000 kA / m en een restmagnetisatie van ongeveer 1,1 Tesla zorgen ervoor dat de magneet vele jaren kan worden gehandhaafd, gedurende 10 jaar verliest een neodymiummagneet slechts 1% van zijn magnetisatie als zijn temperatuur onder bedrijfsomstandigheden niet hoger is dan +80°C (voor sommige merken tot +200°C). Er zijn dus slechts twee nadelen van neodymiummagneten: kwetsbaarheid en lage bedrijfstemperatuur.

Magnetoplasten

Het magnetische poeder vormt samen met het bindmiddel een zachte, flexibele en lichte magneet. Door componenten zoals vinyl, rubber, plastic of acryl te verlijmen, kunnen magneten in verschillende vormen en maten worden geproduceerd.

De magnetische kracht is natuurlijk lager dan bij puur magnetisch materiaal, maar soms zijn dergelijke oplossingen nodig om bepaalde ongebruikelijke doeleinden voor magneten te bereiken: bij de productie van reclameproducten, bij de productie van verwijderbare autostickers, maar ook bij de productie van diverse schrijfwaren en souvenirs.

Interactie van magneten

Zoals de polen van magneten afstoten en anders dan de polen aantrekken. De interactie van magneten wordt verklaard door het feit dat elke magneet een magnetisch veld heeft en deze magnetische velden op elkaar inwerken. Wat is bijvoorbeeld de reden voor de magnetisatie van ijzer?

Volgens de hypothese van de Franse wetenschapper Ampere zijn er in de substantie elementaire elektrische stromen (Ampere stromen), die worden gevormd door de beweging van elektronen rond de kernen van atomen en rond hun eigen as.

Elementaire magnetische velden ontstaan ​​door de beweging van elektronen.En als een stuk ijzer wordt ingebracht in een extern magnetisch veld, dan zijn alle elementaire magnetische velden in dit ijzer op dezelfde manier georiënteerd in een extern magnetisch veld en vormen ze hun eigen magnetische veld uit een stuk ijzer. Dus als het toegepaste externe magnetische veld sterk genoeg was, zou het stuk ijzer, zodra je het uitschakelde, een permanente magneet worden.

Door de vorm en magnetisatie van een permanente magneet te kennen, kunnen de berekeningen worden vervangen door een equivalent systeem van elektrische magnetiseringsstromen. Een dergelijke vervanging is mogelijk zowel bij het berekenen van de karakteristieken van het magnetische veld als bij het berekenen van de krachten die vanuit het externe veld op de magneet werken.

Laten we bijvoorbeeld de interactiekracht van twee permanente magneten berekenen. Laat de magneten de vorm hebben van dunne cilinders, hun stralen worden aangegeven met r1 en r2, de diktes zijn h1, h2, de assen van de magneten vallen samen, de afstand tussen de magneten wordt aangegeven met z, we gaan ervan uit dat het is veel groter dan de grootte van de magneten.

Het optreden van de interactiekracht tussen magneten wordt op de traditionele manier uitgelegd: één magneet creëert een magnetisch veld dat inwerkt op de tweede magneet.

Om de interactiekracht te berekenen, vervangen we mentaal de uniform gemagnetiseerde magneten J1 en J2 door cirkelvormige stromen die over het zijoppervlak van de cilinders stromen. De sterktes van deze stromen zullen worden uitgedrukt in termen van de magnetisatie van de magneten, en hun stralen zullen gelijk worden geacht aan de stralen van de magneten.

Laten we de inductievector B van het magnetische veld gecreëerd door de eerste magneet in plaats van de tweede ontleden in twee componenten: axiaal, gericht langs de as van de magneet, en radiaal, loodrecht erop.

Om de totale kracht op de ring te berekenen, is het noodzakelijk om deze mentaal te verdelen in kleine elementen Idl en som Ampèrehandelen op elk van deze elementen.

Met behulp van de regel aan de linkerkant is het gemakkelijk om aan te tonen dat de axiale component van het magnetische veld aanleiding geeft tot Ampere-krachten die de neiging hebben om de ring uit te rekken (of samen te drukken) - de vectorsom van deze krachten is nul.

De aanwezigheid van de radiale component van het veld leidt tot het verschijnen van Ampere-krachten die langs de as van de magneten zijn gericht, dat wil zeggen tot hun aantrekking of afstoting. Het blijft om de Ampere-krachten te berekenen - dit zullen de krachten van interactie tussen de twee magneten zijn.

Zie ook:Het gebruik van permanente magneten in elektrotechniek en energie