Какими свойствами обладает постоянный магнит
×òî òàêîå ïîñòîÿííûé ìàãíèò
Ôåððîìàãíèòíîå èçäåëèå, ñïîñîáíîå ñîõðàíÿòü çíà÷èòåëüíóþ îñòàòî÷íóþ íàìàãíè÷åííîñòü ïîñëå ñíÿòèÿ âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íàçûâàåòñÿ ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì.
Ïîñòîÿííûå ìàãíèòû èçãîòàâëèâàþò èç ðàçëè÷íûõ ìåòàëëîâ, òàêèõ êàê: êîáàëüò, æåëåçî, íèêåëü, ñïëàâû ðåäêîçåìåëüíûõ ìåòàëëîâ (äëÿ íåîäèìîâûõ ìàãíèòîâ), à òàêæå èç åñòåñòâåííûõ ìèíåðàëîâ òèïà ìàãíåòèòîâ.
Ñôåðà ïðèìåíåíèÿ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ ñåãîäíÿ î÷åíü øèðîêà, îäíàêî íàçíà÷åíèå èõ ïðèíöèïèàëüíî âåçäå îäíî è òî æå êàê èñòî÷íèê ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ áåç ïîäâîäà ýëåêòðîýíåðãèè. Òàêèì îáðàçîì, ìàãíèò ýòî òåëî, îáëàäàþùåå ñâîèì ñîáñòâåííûì ìàãíèòíûì ïîëåì.
Ñàìî æå ñëîâî «ìàãíèò» ïðîèñõîäèò îò ãðå÷åñêîãî ñëîâîñî÷åòàíèÿ, êîòîðîå ïåðåâîäèòñÿ êàê «êàìåíü èç Ìàãíåñèè», ïî íàçâàíèþ àçèàòñêîãî ãîðîäà, ãäå áûëè â äðåâíîñòè îòêðûòû çàëåæè ìàãíåòèòà ìàãíèòíîãî æåëåçíÿêà. Ñ ôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ ýëåìåíòàðíûì ìàãíèòîì ÿâëÿåòñÿ ýëåêòðîí, à ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ìàãíèòîâ âîîáùå îáóñëàâëèâàþòñÿ ìàãíèòíûìè ìîìåíòàìè ýëåêòðîíîâ, âõîäÿùèõ â ñîñòàâ íàìàãíè÷åííîãî ìàòåðèàëà.
Ïîñòîÿííûé ìàãíèò ÿâëÿåòñÿ ÷àñòüþ ìàãíèòíûõ ñèñòåì ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ èçäåëèé. Ðàáîòà óñòðîéñòâ ñ ïîñòîÿííûìè ìàãíèòàìè, êàê ïðàâèëî, îñíîâàíà íà ïðåîáðàçîâàíèè ýíåðãèè:
ìåõàíè÷åñêîé â ìåõàíè÷åñêóþ (ñåïàðàòîðû, ìàãíèòíûå ìóôòû è ò. ï.);
ìåõàíè÷åñêîé â ýëåêòðîìàãíèòíóþ (ýëåêòðîãåíåðàòîðû, ãðîìêîãîâîðèòåëè è ò. ï.);
ýëåêòðîìàãíèòíîé â ìåõàíè÷åñêóþ (ýëåêòðîäâèãàòåëè, äèíàìèêè, ìàãíèòîýëåêòðè÷åñêèå ñèñòåìû è ò. ï.);
ìåõàíè÷åñêîé âî âíóòðåííþþ (òîðìîçíûå óñòðîéñòâà è ò. ï.).
Ê ïîñòîÿííûì ìàãíèòàì ïðåäúÿâëÿþòñÿ ñëåäóþùèå òðåáîâàíèÿ:
âûñîêàÿ óäåëüíàÿ ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ;
ìèíèìàëüíûå ãàáàðèòû ïðè çàäàííîé íàïðÿæåííîñòè ïîëÿ;
ñîõðàíåíèå ðàáîòîñïîñîáíîñòè â øèðîêîì äèàïàçîíå ðàáî÷èõ òåìïåðàòóð;
óñòîé÷èâîñòü ê âîçäåéñòâèþ âíåøíèõ ìàãíèòíûõ ïîëåé; òåõíîëîãè÷íîñòü;
íèçêàÿ ñòîèìîñòü èñõîäíîãî ñûðüÿ;
ñòàáèëüíîñòü ìàãíèòíûõ ïàðàìåòðîâ âî âðåìåíè.
Ðàçíîîáðàçèå çàäà÷, ðåøàåìûõ ïðè ïîìîùè ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ, âûçûâàåò íåîáõîäèìîñòü ñîçäàíèÿ ìíîæåñòâà ôîðì èõ èñïîëíåíèÿ. ×àñòî ïîñòîÿííûì ìàãíèòàì ïðèäàåòñÿ ôîðìà ïîäêîâû (ò. í. “ïîäêîâîîáðàçíûå” ìàãíèòû).
Íà ðèñóíêå ïðèâåäåíû ïðèìåðû ôîðì ïðîìûøëåííî âûïóñêàåìûõ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ íà îñíîâå ðåäêîçåìåëüíûõ ýëåìåíòîâ ñ çàùèòíûì ïîêðûòèåì.
Ïðîìûøëåííî âûïóñêàåìûå ïîñòîÿííûå ìàãíèòû ðàçëè÷íîé ôîðìû: à äèñê; á êîëüöî; â ïàðàëëåëåïèïåä; ã öèëèíäð; ä øàð; å ñåêòîð ïîëîãî öèëèíäðà
Òàêæå âûïóñêàþòñÿ ìàãíèòû èç ìàãíèòîòâåðäûõ ìåòàëëè÷åñêèõ ñïëàâîâ è ôåððèòîâ â âèäå ñòåðæíåé êðóãëîãî è ïðÿìîóãîëüíîãî ñå÷åíèÿ, à òàêæå òðóá÷àòûå, Ñ-îáðàçíûå, ïîäêîâîîáðàçíûå, â âèäå ïëàñòèí ïðÿìîóãîëüíîé ôîðìû è äð.
Ïîñëå òîãî êàê ìàòåðèàëó ïðèäàíà ôîðìà, îí äîëæåí áûòü íàìàãíè÷åí, ò. å. ïîìåùåí âî âíåøíåå ìàãíèòíîå ïîëå, ò.ê. ìàãíèòíûå ïàðàìåòðû ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ îïðåäåëÿþòñÿ íå òîëüêî èõ ôîðìîé èëè ìàòåðèàëîì, èç êîòîðîãî îíè èçãîòîâëåíû, íî è íàïðàâëåíèåì íàìàãíè÷èâàíèÿ.
Çàãîòîâêè íàìàãíè÷èâàþò, èñïîëüçóÿ ïîñòîÿííûå ìàãíèòû, ýëåêòðîìàãíèòû ïîñòîÿííîãî òîêà èëè íàìàãíè÷èâàþùèå êàòóøêè, ÷åðåç êîòîðûå ïðîïóñêàþòñÿ èìïóëüñû òîêà. Âûáîð ñïîñîáà íàìàãíè÷èâàíèÿ çàâèñèò îò ìàòåðèàëà è ôîðìû ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà.
 ðåçóëüòàòå ñèëüíîãî íàãðåâàíèÿ, òîë÷êîâ ïîñòîÿííûå ìàãíèòû ìîãóò ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ ïîòåðÿòü ñâîè ìàãíèòíûå ñâîéñòâà (ðàçìàãíèòèòüñÿ).
Õàðàêòåðèñòèêè ðàçìàãíè÷èâàþùåãî ó÷àñòêà ïåòëè ìàãíèòíîãî ãèñòåðåçèñà ìàòåðèàëà, èç êîòîðîãî èçãîòîâëåí ïîñòîÿííûé ìàãíèò, îïðåäåëÿþò ñâîéñòâà òîãî èëè èíîãî ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà: ÷åì âûøå êîýðöèòèâíàÿ ñèëà Íñ, è ÷åì âûøå îñòàòî÷íàÿ ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ Âr òåì ñèëüíåå è ñòàáèëüíåå ìàãíèò.
Êîýðöèòèâíàÿ ñèëà (áóêâàëüíî â ïåðåâîäå ñ ëàòèíñêîãî – «óäåðæèâàþùàÿ ñèëà») ñèëà, ïðåïÿòñòâóþùàÿ èçìåíåíèþ ìàãíèòíîé ïîëÿðèçàöèè ôåððîìàãíåòèêîâ.
Ïîêà ôåððîìàãíåòèê íå ïîëÿðèçîâàí, ò. å. ýëåìåíòàðíûå òîêè íå îðèåíòèðîâàíû, êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïðåïÿòñòâóåò îðèåíòèðîâêå ýëåìåíòàðíûõ òîêîâ. Íî êîãäà ôåððîìàãíåòèê óæå ïîëÿðèçîâàí, îíà óäåðæèâàåò ýëåìåíòàðíûå òîêè â îðèåíòèðîâàííîì ïîëîæåíèè è ïîñëå òîãî, êàê âíåøíåå íàìàãíè÷èâàþùåå ïîëå óñòðàíåíî.
Ýòèì îáúÿñíÿåòñÿ îñòàòî÷íûé ìàãíåòèçì, êîòîðûé íàáëþäàåòñÿ ó ìíîãèõ ôåððîìàãíåòèêîâ. ×åì áîëüøå êîýðöèòèâíàÿ ñèëà, òåì ñèëüíåå âûðàæåíî ÿâëåíèå îñòàòî÷íîãî ìàãíåòèçìà.
Èòàê, êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ýòî çíà÷åíèå íàïðÿæ¸ííîñòè ìàãíèòíîãî ïîëÿ, íåîáõîäèìîãî äëÿ ïîëíîãî ðàçìàãíè÷èâàíèÿ ôåððî- èëè ôåððèìàãíèòíîãî âåùåñòâà. Òàêèì îáðàçîì, ÷åì áîëüøåé êîýðöèòèâíîé ñèëîé îáëàäàåò êîíêðåòíûé ìàãíèò, òåì îí óñòîé÷èâåå ê ðàçìàãíè÷èâàþùèì ôàêòîðàì.
Åäèíèöà èçìåðåíèÿ êîýðöèòèâíîé ñèëû â ñèñòåìå ÑÈ Àìïåð/ìåòð. À ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ, êàê èçâåñòíî, – ýòî âåêòîðíàÿ âåëè÷èíà, ÿâëÿþùàÿñÿ ñèëîâîé õàðàêòåðèñòèêîé ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Õàðàêòåðíîå çíà÷åíèå îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé èíäóêöèè ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ ïîðÿäêà 1 Òåñëà.
Ìàãíèòíûé ãèñòåðåçèñ íàëè÷èå ïîñëåäñòâèÿ ïîëÿðèçàöèè ìàãíåòèêîâ ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî íàìàãíè÷èâàíèå è ðàçìàãíè÷èâàíèå ìàãíèòíîãî ìàòåðèàëà ïðîèñõîäÿò íåîäèíàêîâî, ò. ê. íàìàãíè÷èâàíèå ìàòåðèàëà âñå âðåìÿ íåìíîãî îòñòàåò îò íàìàãíè÷èâàþùåãî ïîëÿ.
Ïðè ýòîì ÷àñòü ýíåðãèè, çàòðà÷åííîé íà íàìàãíè÷èâàíèå òåëà, ïðè ðàçìàãíè÷èâàíèè íå âîçâðàùàåòñÿ îáðàòíî, à ïðåâðàùàåòñÿ â òåïëî. Ïîýòîìó ìíîãîêðàòíîå ïåðåìàãíè÷èâàíèå ìàòåðèàëà ñâÿçàíî ñ çàìåòíûìè ïîòåðÿìè ýíåðãèè è èíîãäà ìîæåò âûçâàòü ñèëüíîå íàãðåâàíèå íàìàãíè÷èâàåìîãî òåëà.
×åì ñèëüíåå âûðàæåí ãèñòåðåçèñ â ìàòåðèàëå, òåì áîëüøå ïîòåðè â íåì ïðè ïåðåìàãíè÷èâàíèè. Ïîýòîìó äëÿ ìàãíèòíûõ öåïåé ñ ïåðåìåííûì ìàãíèòíûì ïîòîêîì ïðèìåíÿþò ìàòåðèàëû, íå îáëàäàþùèå ãèñòåðåçèñîì (ñìîòðèòå – Ìàãíèòîïðîâîäû ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ).
Ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ ìîãóò èçìåíÿòüñÿ ïîä äåéñòâèåì âðåìåíè è âíåøíèõ ôàêòîðîâ, ê êîòîðûì îòíîñÿòñÿ:
òåìïåðàòóðà;
ìàãíèòíûå ïîëÿ;
ìåõàíè÷åñêèå íàãðóçêè;
ðàäèàöèÿ è äð.
Èçìåíåíèå ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ õàðàêòåðèçóåòñÿ íåñòàáèëüíî- ñòüþ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü ñòðóêòóðíîé èëè ìàãíèòíîé.
Ñòðóêòóðíàÿ íåñòàáèëüíîñòü ñâÿçàíà ñ èçìåíåíèÿìè êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðû, ôàçîâûìè ïðåâðàùåíèÿìè, óìåíüøåíèåì âíóòðåííèõ íàïðÿæåíèé è ò. ï.  ýòîì ñëó÷àå èñõîäíûå ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû âîññòàíîâëåíèåì ñòðóêòóðû (íàïðèìåð, òåðìîîáðàáîòêîé ìàòåðèàëà).
Ìàãíèòíàÿ íåñòàáèëüíîñòü îáóñëîâëåíà èçìåíåíèåì ìàãíèòíîé ñòðóêòóðû âåùåñòâà ìàãíèòà, êîòîðàÿ ñòðåìèòñÿ ê òåðìîäèíàìè÷åñêîìó ðàâíîâåñèþ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè è ïîä âëèÿíèåì âíåøíèõ âîçäåéñòâèé. Ìàãíèòíàÿ íåñòàáèëüíîñòü ìîæåò áûòü:
îáðàòèìîé (âîçâðàùåíèå ê èñõîäíûì óñëîâèÿì âîññòàíàâëèâàåò èñõîäíûå ìàãíèòíûå ñâîéñòâà);
íåîáðàòèìîé (âîçðàùåíèå èñõîäíûõ ñâîéñòâ ìîæåò áûòü äîñòèãíóòî òîëüêî ïóòåì ïîâòîðíîãî íàìàãíè÷èâàíèÿ).
Ïîñòîÿííûé ìàãíèò èëè ýëåêòðîìàãíèò – ÷òî ëó÷øå?
Ïðèìåíåíèå ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ äëÿ ñîçäàíèÿ ïîñòîÿííîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ âìåñòî ýêâèâàëåíòíûõ èì ýëåêòðîìàãíèòîâ ïîçâîëÿåò:
óìåíüøèòü ìàññîãàáàðèòíûå õàðàêòåðèñòèêè èçäåëèé;
èñêëþ÷èòü ïðèìåíåíèå äîïîëíèòåëüíûõ èñòî÷íèêîâ ïèòàíèÿ (÷òî óïðîùàåò êîíñòðóêöèþ èçäåëèé, ñíèæàåò ñòîèìîñòü èõ èçãîòîâëåíèÿ è ýêñïëóàòàöèè);
îáåñïå÷èòü ïðàêòè÷åñêè íåîãðàíè÷åííîå âðåìÿ ïîääåðæèâàíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ðàáî÷èõ óñëîâèÿõ (â çàâèñèìîñòè îò ïðèìåíÿåìîãî ìàòåðèàëà).
Íåäîñòàòêàìè ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ ÿâëÿþòñÿ:
õðóïêîñòü ìàòåðèàëîâ, ïðèìåíÿåìûõ ïðè èõ ñîçäàíèè (ýòî çàòðóäíÿåò ìåõàíè÷åñêóþ îáðàáîòêó èçäåëèé);
íåîáõîäèìîñòü çàùèòû îò âëèÿíèÿ âëàãè è ïëåñíåâûõ ãðèáêîâ (äëÿ ôåððèòîâ ÃÎÑÒ 24063), à òàêæå îò âîçäåéñòâèÿ ïîâûøåííûõ âëàæíîñòè è òåìïåðàòóðû.
Âèäû è ñâîéñòâà ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ
Ôåððèòîâûå
Ôåððèòîâûå ìàãíèòû õîòü è îòëè÷àþòñÿ õðóïêîñòüþ, íî îáëàäàþò õîðîøåé êîððîçèéíîé ñòîéêîñòüþ, ÷òî ïðè íåâûñîêîé öåíå äåëàåò èõ íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûìè. Òàêèå ìàãíèòû èçãîòàâëèâàþò èç ñïëàâà îêñèäà æåëåçà ñ ôåððèòîì áàðèÿ èëè ñòðîíöèÿ. Äàííûé ñîñòàâ ïîçâîëÿåò ìàòåðèàëó ñîõðàíÿòü ñâîè ìàãíèòíûå ñâîéñòâà â øèðîêîì òåìïåðàòóðíîì äèàïàçîíå îò -30°C äî +270°C.
Ìàãíèòíûå èçäåëèÿ â ôîðìå ôåððèòîâûõ êîëåö, áðóñêîâ è ïîäêîâ øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ êàê â ïðîìûøëåííîñòè, òàê è â áûòó, â òåõíèêå è ýëåêòðîíèêå. Èõ èñïîëüçóþò â àêóñòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ, â ãåíåðàòîðàõ, â äâèãàòåëÿõ ïîñòîÿííîãî òîêà.  àâòîìîáèëåñòðîåíèè ôåððèòîâûå ìàãíèòû óñòàíàâëèâàþò â ñòàðòåðû, â ñòåêëîïîäúåìíèêè, â ñèñòåìû îõëàæäåíèÿ è â âåíòèëÿòîðû.
Ôåððèòîâûå ìàãíèòû îòëè÷àþòñÿ êîýðöèòèâíîé ñèëîé ïîðÿäêà 200 êÀ/ì è îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé èíäóêöèåé ïîðÿäêà 0,4 Òåñëà.  ñðåäíåì, ôåððèòîâûé ìàãíèò ìîæåò ïðîñëóæèòü îò 10 äî 30 ëåò.
Àëüíèêî (àëþìèíèé-íèêåëü-êîáàëüò)
Ïîñòîÿííûå ìàãíèòû íà îñíîâå ñïëàâà èç àëþìèíèÿ, íèêåëÿ è êîáàëüòà îòëè÷àþòñÿ íåïðåâçîéäåííîé òåìïåðàòóðíîé óñòîé÷èâîñòüþ è ñòàáèëüíîñòüþ: îíè ñïîñîáíû ñîõðàíÿòü ñâîè ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ïðè òåìïåðàòóðàõ äî +550°C, õîòÿ êîýðöèòèâíàÿ ñèëà, õàðàêòåðíàÿ äëÿ íèõ, îòíîñèòåëüíî ìàëà. Ïîä äåéñòâèåì îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ, òàêèå ìàãíèòû ïîòåðÿþò èñõîäíûå ìàãíèòíûå ñâîéñòâà.
Ïîñóäèòå ñàìè: òèïè÷íàÿ êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïîðÿäêà 50 êÀ/ì ïðè îñòàòî÷íîé íàìàãíè÷åííîñòè ïîðÿäêà 0,7 Òåñëà. Îäíàêî íåñìîòðÿ íà ýòó îñîáåííîñòü, ìàãíèòû àëüíèêî íåçàìåíèìû äëÿ íåêîòîðûõ íàó÷íûõ èññëåäîâàíèé.
Òèïè÷íîå ñîäåðæàíèå êîìïîíåíòîâ â ñïëàâàõ àëüíèêî ñ âûñîêèìè ìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè èçìåíÿåòñÿ â ñëåäóþùèõ ïðåäåëàõ: àëþìèíèé – îò 7 äî 10%, íèêåëü – îò 12 äî 15%, êîáàëüò – îò 18 äî 40%, è îò 3 äî 4% ìåäè.
×åì áîëüøå êîáàëüòà, òåì âûøå èíäóêöèÿ íàñûùåíèÿ è ìàãíèòíàÿ ýíåðãèÿ ñïëàâà. Äîáàâêè â âèäå îò 2 äî 8% òèòàíà è âñåãî 1% íèîáèÿ ñïîñîáñòâóþò ïîëó÷åíèþ áîëüøåé êîýðöèòèâíîé ñèëû äî 145 êÀ/ì. Äîáàâêà îò 0,5 äî 1% êðåìíèÿ îáåñïå÷èâàåò èçîòðîïèþ ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ.
Ñàìàðèåâûå
Åñëè íóæíà èñêëþ÷èòåëüíàÿ óñòîé÷èâîñòü ê êîððîçèè, îêèñëåíèþ è òåìïåðàòóðå äî +350°C, òî ìàãíèòíûé ñïëàâ ñàìàðèÿ ñ êîáàëüòîì òî ÷òî íàäî.
Ïî ñòîèìîñòè ñàìàðèé-êîáàëüòîâûå ìàãíèòû äîðîæå íåîäèìîâûõ çà ñ÷¸ò áîëåå äåôèöèòíîãî è äîðîãîãî ìåòàëëà êîáàëüòà. Òåì íå ìåíåå, èìåííî èõ öåëåñîîáðàçíî ïðèìåíÿòü â ñëó÷àå íåîáõîäèìîñòè èìåòü ìèíèìàëüíûå ðàçìåðû è âåñ êîíå÷íûõ èçäåëèé.
Íàèáîëåå öåëåñîîáðàçíî ýòî â êîñìè÷åñêèõ àïïàðàòàõ, àâèàöèîííîé è êîìïüþòåðíîé òåõíèêå, ìèíèàòþðíûõ ýëåêòðîäâèãàòåëÿõ è ìàãíèòíûõ ìóôòàõ, â íîñèìûõ ïðèáîðàõ è óñòðîéñòâàõ (÷àñàõ, íàóøíèêàõ, ìîáèëüíûõ òåëåôîíàõ è ò.ä.)
Áëàãîäàðÿ îñîáîé êîððîçèéíîé ñòîéêîñòè, èìåííî ñàìàðèåâûå ìàãíèòû ïðèìåíÿþòñÿ â ñòðàòåãè÷åñêèõ ðàçðàáîòêàõ è âîåííûõ ïðèëîæåíèÿõ. Ýëåêòðîäâèãàòåëè, ãåíåðàòîðû, ïîäúåìíûå ñèñòåìû, ìîòîòåõíèêà ñèëüíûé ìàãíèò èç ñïëàâà ñàìàðèÿ-êîáàëüòà èäåàëüíî ïîäõîäèò äëÿ àãðåññèâíûõ ñðåä è ñëîæíûõ óñëîâèé ýêñïëóàòàöèè. Êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïîðÿäêà 700 êÀ/ì ïðè îñòàòî÷íîé ìàãíèòíîé èíäóêöèè ïîðÿäêà 1 Òåñëà.
Íåîäèìîâûå
Íåîäèìîâûå ìàãíèòû íà ñåãîäíÿøíèé äåíü î÷åíü âîñòðåáîâàíû è ïðåäñòàâëÿþòñÿ íàèáîëåå ïåðñïåêòèâíûìè. Ñïëàâ íåîäèì-æåëåçî-áîð ïîçâîëÿåò ñîçäàâàòü ñóïåðìàãíèòû äëÿ ðàçëè÷íûõ ñôåð, íà÷èíàÿ ñ çàùåëîê è èãðóøåê, çàêàí÷èâàÿ ýëåêòðîãåíåðàòîðàìè è ìîùíûìè ïîäúåìíûìè ìàøèíàìè.
Âûñîêàÿ êîýðöèòèâíàÿ ñèëà ïîðÿäêà 1000 êÀ/ì è îñòàòî÷íàÿ íàìàãíè÷åííîñòü ïîðÿäêà 1,1 Òåñëà, ïîçâîëÿþò ìàãíèòó ñîõðàíÿòüñÿ íà ïðîòÿæåíèè ìíîãèõ ëåò, çà 10 ëåò íåîäèìîâûé ìàãíèò òåðÿåò ëèøü 1% ñâîåé íàìàãíè÷åííîñòè, åñëè òåìïåðàòóðà åãî â óñëîâèÿõ ýêñïëóàòàöèè íå ïðåâûøàåò +80°C (äëÿ íåêîòîðûõ ìàðîê äî +200°C). Òàêèì îáðàçîì, ëèøü äâà íåäîñòàòêà åñòü ó íåîäèìîâûõ ìàãíèòîâ õðóïêîñòü è íèçêàÿ ðàáî÷àÿ òåìïåðàòóðà.
Ìàãíèòîïëàñòû
Ìàãíèòíûé ïîðîøîê âìåñòå ñî ñâÿçóþùèì êîìïîíåíòîì îáðàçóåò ìÿãêèé, ãèáêèé è ëåãêèé ìàãíèò. Ñâÿçóþùèå êîìïîíåíòû, òàêèå êàê âèíèë, êàó÷óê, ïëàñòèê èëè àêðèë ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü ìàãíèòû ðàçëè÷íûõ ôîðì è ðàçìåðîâ.
Ìàãíèòíàÿ ñèëà, êîíå÷íî, óñòóïàåò ÷èñòîìó ìàãíèòíîìó ìàòåðèàëó, íî èíîãäà òàêèå ðåøåíèÿ íåîáõîäèìû äëÿ äîñòèæåíèÿ îïðåäåëåííûõ íåîáû÷íûõ äëÿ ìàãíèòîâ öåëåé: â ïðîèçâîäñòâå ðåêëàìíîé ïðîäóêöèè, ïðè èçãîòîâëåíèè ñúåìíûõ íàêëååê íà àâòî, à òàêæå â èçãîòîâëåíèè ðàçëè÷íûõ êàíöåëÿðñêèõ è ñóâåíèðíûõ òîâàðîâ.
Âçàèìîäåéñòâèå ìàãíèòîâ
Îäíîèìåííûå ïîëþñà ìàãíèòîâ îòòàëêèâàþòñÿ, à ðàçíîèìåííûå ïîëþñà ïðèòÿãèâàþòñÿ. Âçàèìîäåéñòâèå ìàãíèòîâ îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî ëþáîé ìàãíèò èìååò ìàãíèòíîå ïîëå, è ýòè ìàãíèòíûå ïîëÿ âçàèìîäåéñòâóþò ìåæäó ñîáîé.  ÷åì, íàïðèìåð, ïðè÷èíà íàìàãíè÷èâàíèÿ æåëåçà?
Ñîãëàñíî ãèïîòåçå ôðàíöóçñêîãî ó÷åíîãî Àìïåðà, âíóòðè âåùåñòâà ñóùåñòâóþò ýëåìåíòàðíûå ýëåêòðè÷åñêèå òîêè (òîêè Àìïåðà), êîòîðûå îáðàçóþòñÿ âñëåäñòâèå äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ âîêðóã ÿäåð àòîìîâ è âîêðóã ñîáñòâåííîé îñè.
Ïðè äâèæåíèè ýëåêòðîíîâ âîçíèêàþò ýëåìåíòàðíûå ìàãíèòíûå ïîëÿ. È åñëè êóñîê æåëåçà âíåñòè âî âíåøíåå ìàãíèòíîå ïîëå, òî âñå ýëåìåíòàðíûå ìàãíèòíûå ïîëÿ â ýòîì æåëåçå îðèåíòèðóþòñÿ îäèíàêîâî âî âíåøíåì ìàãíèòíîì ïîëå, îáðàçóÿ ñîáñòâåííîå ìàãíèòíîå ïîëå êóñêà æåëåçà. Òàê, åñëè ïðèëîæåííîå âíåøíåå ìàãíèòíîå ïîëå áûëî äîñòàòî÷íî ñèëüíûì, òî ïîñëå åãî îòêëþ÷åíèÿ êóñîê æåëåçà ñòàíåò ïîñòîÿííûì ìàãíèòîì.
Çíàíèå ôîðìû è íàìàãíè÷åííîñòè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà ïîçâîëÿåò äëÿ ðàñ÷åòîâ çàìåíèòü åãî ýêâèâàëåíòíîé ñèñòåìîé ýëåêòðè÷åñêèõ òîêîâ íàìàãíè÷èâàíèÿ. Òàêàÿ çàìåíà âîçìîæíà êàê ïðè ðàñ÷åòå õàðàêòåðèñòèê ìàãíèòíîãî ïîëÿ, òàê è ïðè ðàñ÷åòàõ ñèë, äåéñòâóþùèõ íà ìàãíèò ñî ñòîðîíû âíåøíåãî ïîëÿ.
Äëÿ ïðèìåðà ïðîâåäåì ðàñ÷åò ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ äâóõ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ. Ïóñòü ìàãíèòû èìåþò ôîðìó òîíêèõ öèëèíäðîâ, èõ ðàäèóñû îáîçíà÷èì r1 è r2, òîëùèíû h1, h2 , îñè ìàãíèòîâ ñîâïàäàþò, ðàññòîÿíèå ìåæäó ìàãíèòàìè îáîçíà÷èì z, áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî îíî çíà÷èòåëüíî áîëüøå ðàçìåðîâ ìàãíèòîâ.
Âîçíèêíîâåíèå ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó ìàãíèòàìè îáúÿñíÿåòñÿ òðàäèöèîííûì ñïîñîáîì: îäèí ìàãíèò ñîçäàåò ìàãíèòíîå ïîëå, êîòîðîå âîçäåéñòâóåò íà âòîðîé ìàãíèò.
Äëÿ ðàñ÷åòà ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìûñëåííî çàìåíèì ìàãíèòû ñ îäíîðîäíîé íàìàãíè÷åííîñòüþ J1 è J2 êðóãîâûìè òîêàìè, òåêóùèìè ïî áîêîâîé ïîâåðõíîñòè öèëèíäðîâ. Ñèëû ýòèõ òîêîâ âûðàçèì ÷åðåç íàìàãíè÷åííîñòè ìàãíèòîâ, à èõ ðàäèóñû áóäåì ñ÷èòàòü ðàâíûìè ðàäèóñàì ìàãíèòîâ.
Ðàçëîæèì âåêòîð èíäóêöèè B ìàãíèòíîãî ïîëÿ, ñîçäàâàåìîãî ïåðâûì ìàãíèòîì â ìåñòå ðàñïîëîæåíèÿ âòîðîãî íà äâå ñîñòàâëÿþùèå: îñåâóþ, íàïðàâëåííóþ âäîëü îñè ìàãíèòà, è ðàäèàëüíóþ – ïåðïåíäèêóëÿðíóþ åé.
Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ñóììàðíîé ñèëû, äåéñòâóþùåé íà êîëüöî, íåîáõîäèìî ìûñëåííî ðàçáèòü åãî íà ìàëûå ýëåìåíòû Idl è ïðîñóììèðîâàòü ñèëû Àìïåðà, äåéñòâóþùèå íà êàæäûå òàêîé ýëåìåíò.
Èñïîëüçóÿ ïðàâèëî ëåâîé ðóêè, ëåãêî ïîêàçàòü, ÷òî îñåâàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ ñèë Àìïåðà, ñòðåìÿùèõñÿ ðàñòÿíóòü (èëè ñæàòü) êîëüöî âåêòîðíàÿ ñóììà ýòèõ ñèë ðàâíà íóëþ.
Íàëè÷èå ðàäèàëüíîé ñîñòàâëÿþùåé ïîëÿ ïðèâîäèò ê âîçíèêíîâåíèþ ñèë Àìïåðà, íàïðàâëåííûõ âäîëü îñè ìàãíèòîâ, òî åñòü ê èõ ïðèòÿæåíèþ èëè îòòàëêèâàíèþ. Îñòàíåòñÿ âû÷èñëèòü ñèëû Àìïåðà ýòî è áóäóò ñèëû âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó äâóìÿ ìàãíèòàìè.
Ñìîòðèòå òàêæå: Èñïîëüçîâàíèå ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ â ýëåêòðîòåõíèêå è ýëåêòðîýíåðãåòèêå
Источник
Наиболее знакомыми и привычными для многих людей являются постоянные магниты. Их постоянство заключается в поддержании определенного уровня намагниченности, в зависимости от конкретных условий, в которых они находятся. Поэтому свойства постоянных магнитов могут различаться в зависимости от индивидуальных характеристик и материалов, использованных для их изготовления.
Современные магнитотвердые материалы
Во многих электрических машинах применяются магнитные цепи, возбуждение которых проходят через постоянные магниты. Для изготовления этих элементов используются специальные материалы двух основных типов. Первый тип относится к магнитомягким материалам, характеризующимся узкой петлей гистерезиса. Основой для изготовления служит низкоуглеродистая сталь или железоникелевые и железокобальтовые сплавы.
Во втором случае используются магнитотвердые материалы с высокой остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Их собственная намагниченность позволяет создавать интенсивные магнитные потоки. Материалами для изготовления служат сплавы, основой которых является алюминий, железо, кобальт, никель и редкоземельные материалы.
Использование редкоземельных материалов в интерметаллических соединениях считается наиболее эффективным при создании постоянных магнитов. Среди них следует отметить соединение кобальт-самарий, а также сплав железо-неодим-бор. Они отличаются высокой удельной магнитной энергией. Кривая размагничивания имеет форму с очень высоким коэффициентом. Нестабильные характеристики отличаются низким температурным коэффициентом. Благодаря хорошим технологическим показателям, данные материалы при необходимости легко свариваются или склеиваются. Это позволяет использовать магнитные элементы в самых разных конструкциях машин. Рабочий температурный диапазон таких магнитов находится в пределах от -60 до +200 градусов.
Физические качества постоянных магнитов
К постоянным магнитам относятся физические тела, способные сохранять намагниченность в течение продолжительного времени. Основное свойство заключается в возможности притягивать железные предметы и тела, изготовленные из сплавов на основе железа.
В каждом постоянном магните имеются северный и южный магнитные полюса. В этих местах сила магнитного поля имеет максимальное значение. Для изготовления наиболее сильных магнитов используется железо, сталь или чугун. Основой магнитов со слабыми свойствами являются кобальт и никель. Природные магниты естественного происхождения происходят из магнитного железняка, существующего в природе в виде железной руды. Взаимодействие магнитного поля с железом позволяет получать искусственные магниты.
Основные свойства магнитов проявляются в их взаимодействии. При сближении происходит притягивание разноименных полюсов друг к другу. И, наоборот, полюсы с одинаковым значением отталкиваются. Такое поведение физических тел объясняется наличием в них магнитных полей, взаимодействующих между собой.
Многие ученые с давних пор интересовались причинами, по которым происходит намагничивание железа. Французский физик Ампер выдвинул гипотезу о существовании элементарных электрических токов, действующих внутри определенных веществ. Причиной их образования считаются электроны, движущиеся вокруг атомных ядер и одновременно вокруг собственной оси. Движение электронов приводит к возникновению элементарных магнитных полей. Когда железный предмет попадает под действие внешнего магнитного поля, происходит переориентация всех полей, имеющихся в железе, и образование собственного поля. В результате такого воздействия железо превращается в магнит.
Источник
Существует два основных типа магнитов: постоянные и электромагниты. Определить, что же такое постоянный магнит, можно на основании главного его свойства. Постоянный магнит получил свое название за то, что его магнетизм всегда «включен». Он генерирует собственное магнитное поле, в отличие от электромагнита, сделанного из проволоки, обернутой вокруг железного сердечника, и требующего протекания тока для создания магнитного поля.
Постоянный магнит
История изучения магнитных свойств
Столетия назад люди открыли, что некоторые типы горных пород обладают оригинальными особенностями: притягиваются к железным предметам. Упоминание о магнетите встречается в древних исторических летописях: больше двух тысячелетий назад в европейских и намного ранее в восточноазиатских. Сначала он оценивался как любопытный предмет.
Позже магнетит стали использовать для навигации, обнаружив, что он стремится занять определенное положение, когда ему предоставлена свобода вращения. Научное исследование, проведенное П. Перегрином в 13-м веке, показало, что сталь может приобрести эти особенности после потирания магнетитом.
У намагниченных предметов было два полюса: «северный» и «южный», относительно магнитного поля Земли. Как обнаружил Перегрин, изоляция одного из полюсов не представлялась возможной, если разрезать осколок магнетита надвое, – каждый отдельный фрагмент имел в результате собственную пару полюсов.
В соответствии с сегодняшними представлениями магнитное поле постоянных магнитов – это результирующая ориентация электронов в едином направлении. Только некоторые разновидности материалов взаимодействуют с магнитными полями, значительно меньшее их количество способно сохранять постоянное МП.
Свойства постоянных магнитов
Основными свойствами постоянных магнитов и создаваемого ими поля являются:
- существование двух полюсов;
- противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются (как положительные и отрицательные заряды);
- магнитная сила незаметно распространяется в пространстве и проходит через объекты (бумага, дерево);
- наблюдается усиление интенсивности МП вблизи полюсов.
Взаимодействие магнитных полюсов
Постоянные магниты поддерживают МП без внешней помощи. Материалы в зависимости от магнитных свойств делятся на основные виды:
- ферромагнетики – легко намагничивающиеся;
- парамагнетики – намагничиваются с большим трудом;
- диамагнетики – склонны отражать внешнее МП путем намагничивания в противоположном направлении.
Важно! Магнито-мягкие материалы, такие как сталь, проводят магнетизм при прикреплении к магниту, но это прекращается при его удалении. Постоянные магниты изготавливаются из магнито-твердых материалов.
Как работает постоянный магнит
Его работа связана с атомной структурой. Все ферромагнетики создают естественное, хотя и слабое, МП, благодаря электронам, окружающим ядра атомов. Эти группы атомов способны ориентироваться в едином направлении и называются магнитными доменами. Каждый домен обладает двумя полюсами: северным и южным. Когда ферромагнитный материал не намагничен, его области ориентированы в случайных направлениях, а их МП компенсируют друг друга.
Чтобы создать постоянные магниты, ферромагнетики нагреваются при очень высоких температурах и подвергаются воздействию сильного внешнего МП. Это приводит к тому, что отдельные магнитные домены внутри материала начинают ориентироваться по направлению внешнего МП до тех пор, пока все домены не выровняются, достигнув точки магнитного насыщения. Затем материал охлаждают, и выровненные домены блокируются в нужном положении. После удаления внешнего МП магнито-твердые материалы будут удерживать большую часть своих доменов, создавая постоянный магнит.
Производство постоянных магнитов
Характеристики постоянного магнита
- Магнитную силу характеризует остаточная магнитная индукция. Обозначается Br. Это та сила, которая остается после исчезновения внешнего МП. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс);
- Коэрцитивность или сопротивление размагничиванию – Нс. Измеряется в А/м. Показывает, какова должна быть напряженность внешнего МП для того, чтобы размагнитить материал;
- Максимальная энергия – BHmax. Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы Br и коэрцитивности Нс. Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед);
- Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – Тс of Br. Характеризует зависимость Br от температурного значения;
- Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;
- Tcur – наивысшее значение температуры, когда магнитный материал безвозвратно утрачивает свойства. Этот показатель называется температурой Кюри.
Индивидуальные характеристики магнита изменяются в зависимости от температуры. При разных значениях температуры разные типы магнитных материалов работают по-разному.
Важно! Все постоянные магниты теряют процент магнетизма при подъеме температуры, но с разной скоростью, зависящей от их типа.
Типы постоянных магнитов
Всего существует пять типов постоянных магнитов, каждый из которых изготовляется по-разному на основе материалов с отличающимися свойствами:
- альнико;
- ферриты;
- редкоземельные SmCo на основе кобальта и самария;
- неодимовые;
- полимерные.
Альнико
Это постоянные магниты, состоящие в основном из комбинации алюминия, никеля и кобальта, но могут также включать медь, железо и титан. Благодаря свойствам магнитов альнико, они могут работать при самых высоких температурах, сохраняя свой магнетизм, однако они легче размагничиваются, чем ферритовые или редкоземельные SmCo. Они были первыми серийными постоянными магнитами, заменяющими намагниченные металлы и дорогие электромагниты.
Магниты в электродвигателях
Применение:
- электродвигатели;
- термическая обработка;
- подшипники;
- аэрокосмические аппараты;
- военная техника;
- высокотемпературное погрузо-разгрузочное оборудование;
- микрофоны.
Ферриты
Для изготовления ферритовых магнитов, известных еще как керамические, применяются карбонат стронция и оксид железа, в соотношении 10/90. Оба материала в изобилии и экономически доступны.
Из-за низких издержек производства, устойчивости к нагреву (до 250°C) и коррозии ферритовые магниты – одни из самых популярных для повседневного применения. Они имеют большую внутреннюю коэрцитивность, чем альнико, но меньшую магнитную силу, чем неодимовые аналоги.
Применение:
- звуковые колонки;
- охранные системы;
- большие пластинчатые магниты для удаления загрязнения железом технологических линий;
- электродвигатели и генераторы;
- медицинские инструменты;
- подъемные магниты;
- морские поисковые магниты;
- устройства, основанные на работе вихревых токов;
- выключатели и реле;
- тормоза.
Магнит в звуковом динамике
Редкоземельные магниты SmCo
Магниты из кобальта и самария работают в широком температурном диапазоне, имеют высокие температурные коэффициенты и высокую коррозионную стойкость. Этот вид сохраняет магнитные свойства даже при температурах ниже абсолютного нуля, что делает их популярными для использования в криогенных установках.
Применение:
- турботехника;
- насосные муфты;
- влажные среды;
- высокотемпературные устройства;
- миниатюрные гоночные автомобили с электроприводом;
- радиоэлектронные устройства для работы в критических условиях.
Неодимовые магниты
Сильнейшие существующие магниты, состоящие из сплава неодима, железа и бора. Благодаря их огромной силе, даже миниатюрные магниты эффективны. Это обеспечивает универсальность использования. Каждый человек постоянно находится рядом с одним из неодимовых магнитов. Они есть, например, в смартфоне. Изготовление электродвигателей, медтехника, радиоэлектроника опираются на сверхпрочные неодимовые магниты. Из-за их сверхпрочности, огромной магнитной силы и стойкости к размагничиванию возможно изготовление образцов до 1 мм.
Неодимовые магниты разной формы
Применение:
- жесткие диски;
- звуковоспроизводящие устройства – микрофоны, акустические датчики, наушники, громкоговорители;
- протезы;
- насосы с магнитной связью;
- дверные доводчики;
- двигатели и генераторы;
- замки на ювелирных изделиях;
- сканеры МРТ;
- магнитотерапия;
- датчики ABS в автомобилях;
- подъемное оборудование;
- магнитные сепараторы;
- герконовые переключатели и т. д.
Полимерные магниты
Гибкие магниты содержат магнитные частицы, находящиеся внутри полимерного связующего. Используются для уникальных устройств, где невозможна установка твердых аналогов.
Применение:
- дисплейная реклама – быстрая фиксация и быстрое удаление на выставках и мероприятиях;
- знаки транспортных средств, учебные школьные панели, логотипы компаний;
- игрушки, головоломки и игры;
- маскирование поверхностей для окраски;
- календари и магнитные закладки;
- оконные и дверные уплотнения.
Полимерные магниты
Большинство постоянных магнитов являются хрупкими и не должны использоваться в качестве структурных элементов. Они изготавливаются в стандартных формах: кольца, стержни, диски, и индивидуальных: трапеции, дуги и др. Неодимовые магниты из-за высокого содержания железа подвержены коррозии, поэтому покрываются сверху никелем, нержавеющей сталью, тефлоном, титаном, каучуком и другими материалами.
Видео
Источник