Kestomagneetit — magneettien tyypit ja ominaisuudet, muodot, vuorovaikutus

Mikä on kestomagneetti

Ferromagneettista tuotetta, joka pystyy säilyttämään merkittävän jäännösmagnetoinnin ulkoisen magneettikentän poistamisen jälkeen, kutsutaan kestomagneetiksi.

Kestomagneetit on valmistettu erilaisista metalleista, kuten koboltista, raudasta, nikkelistä, harvinaisista maametalliseoksista (neodyymimagneeteille) sekä luonnollisista mineraaleista, kuten magnetiiteista.

Kestomagneettien käyttöalue on nykyään hyvin laaja, mutta niiden tarkoitus on pohjimmiltaan sama kaikkialla - pysyvänä magneettikentän lähteenä ilman virtalähdettä… Siten magneetti on kappale, jolla on omansa magneettikenttä.

Sana "magneetti" tulee kreikan sanasta, joka tarkoittaa Magnesian kivi, nimetty aasialaisen kaupungin mukaan, josta löydettiin muinaisina aikoina magnetiitin, magneettisen rautamalmin, esiintymiä.… Fysikaalisesta näkökulmasta alkeismagneetti on elektroni, ja magneettien magneettiset ominaisuudet määräytyvät yleensä magnetoidun materiaalin muodostavien elektronien magneettisten momenttien perusteella.

Kestomagneetti on osa sähkötuotteiden magneettijärjestelmät… Kestomagneettilaitteet perustuvat yleensä energian muuntamiseen:

• mekaanisesta mekaaniseen (erottimet, magneettiliittimet jne.);

• mekaanisista sähkömagneettisiin (sähkögeneraattorit, kaiuttimet jne.);

• sähkömagneettisesta mekaaniseen (sähkömoottorit, kaiuttimet, magnetosähköiset järjestelmät jne.);

• mekaanisesta sisäiseen (jarrulaitteet jne.).

Kestomagneetteja koskevat seuraavat vaatimukset:

• korkea ominaismagneettinen energia;

• vähimmäismitat tietylle kentänvoimakkuudelle;

• suorituskyvyn ylläpitäminen laajalla käyttölämpötila-alueella;

• kestävyys ulkoisille magneettikentille; — tekniikka;

• alhaiset raaka-aineiden kustannukset;

• magneettisten parametrien stabiilisuus ajan kuluessa.

Kestomagneettien avulla ratkaistavien tehtävien moninaisuus edellyttää niiden toteuttamismuotojen luomista, kestomagneetit ovat usein hevosenkengän muotoisia (ns. "hevosenkengän" magneetteja).

Kuvassa on esimerkkejä teollisesti valmistettujen kestomagneettien muodoista, jotka perustuvat harvinaisten maametallien elementteihin suojapinnoitteella.

Kaupallisesti valmistetut erimuotoiset kestomagneetit: a — levy; b — rengas; c — suuntaissärmiö; g - sylinteri; d - pallo; e - onton sylinterin sektori

Magneetteja valmistetaan myös kovista magneettisista metalliseoksista ja ferriiteistä pyöreinä ja suorakaiteen muotoisina tankoina sekä putkimaisina, C-muotoisina, hevosenkengän muotoisina, suorakaiteen muotoisina levyinä jne.

Kun materiaali on muotoiltu, se on magnetisoitava eli asetettava ulkoiseen magneettikenttään, koska kestomagneettien magneettiset parametrit määräytyvät paitsi niiden muodon tai materiaalin, josta ne on valmistettu, vaan myös magneettikentän suunnan perusteella. magnetointi.

Työkappaleet magnetoidaan kestomagneeteilla, DC-sähkömagneeteilla tai magnetointikeloilla, joiden läpi virtapulssit kulkevat. Magnetointimenetelmän valinta riippuu kestomagneetin materiaalista ja muodosta.

Voimakkaan kuumennuksen, iskujen seurauksena kestomagneetit voivat menettää osittain tai kokonaan magneettisia ominaisuuksiaan (demagnetisoituminen).

Ilmanpoisto-osan ominaisuudet magneettiset hystereesisilmukat materiaali, josta kestomagneetti on valmistettu, määrittää tietyn kestomagneetin ominaisuudet: mitä suurempi pakkovoima Hc ja sitä suurempi jäännösarvo magneettinen induktio Br - vahvempi ja vakaampi magneetti.

Pakotusvaltaa (käännettynä kirjaimellisesti latinasta - "pitovoima") - voima, joka estää magneettisen polarisaation muutoksen ferromagneetteja.

Niin kauan kuin ferromagneetti ei ole polarisoitunut, eli alkuainevirrat eivät ole suunnattuja, pakottava voima estää alkuainevirtojen suuntautumisen. Mutta kun ferromagneetti on jo polarisoitunut, se pitää alkuainevirrat suunnatussa asennossa myös ulkoisen magnetointikentän poistamisen jälkeen.

Tämä selittää monissa ferromagneeteissa havaitun jäännösmagnetismin. Mitä suurempi pakkovoima, sitä voimakkaampi on jäännösmagnetismiilmiö.

Pakkovoima siis on magneettikentän voimakkuustarvitaan ferro- tai ferrimagneettisen aineen täydelliseen demagnetointiin. Siten mitä voimakkaampi tietyllä magneetilla on, sitä kestävämpi se on demagnetisoiville tekijöille.

Pakkovoiman mittayksikkö NE - Ampere / metri. A magneettinen induktio, kuten tiedätte, on vektorisuure, joka on magneettikentän ominaisuus. Kestomagneettien jäännösmagneettisen induktion ominaisarvo on luokkaa 1 Tesla.

Magneettinen hystereesi — magneettien polarisaatiovaikutusten läsnäolo johtaa siihen, että magneettisen materiaalin magnetoituminen ja demagnetoituminen etenevät epätasaisesti, koska materiaalin magnetoituminen jää koko ajan hieman magnetointikentän jälkeen.

Tässä tapauksessa osa kehon magnetointiin käytetystä energiasta ei palaudu demagnetoinnin aikana, vaan muuttuu lämmöksi. Siksi materiaalin magnetoinnin toistuva kääntäminen päinvastaiseksi liittyy huomattaviin energiahäviöihin ja voi joskus aiheuttaa magnetoidun kappaleen voimakasta kuumenemista.

Mitä voimakkaampi hystereesi materiaalissa on, sitä suurempi häviö siinä on, kun magnetointi käännetään. Siksi materiaaleja, joissa ei ole hystereesiä, käytetään magneettipiireissä, joissa on vaihtuva magneettivuo (katso - Sähkölaitteiden magneettisydämet).

Kestomagneettien magneettiset ominaisuudet voivat muuttua ajan ja ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta, mukaan lukien:

• lämpötila;

• magneettikentät;

• mekaaniset kuormat;

• säteily jne.

Magneettisten ominaisuuksien muutokselle on ominaista kestomagneetin epävakaus, joka voi olla rakenteellista tai magneettista.

Rakenteelliseen epävakauteen liittyy muutoksia kiderakenteessa, faasimuutoksia, sisäisten jännitysten vähenemistä jne. Tällöin alkuperäiset magneettiset ominaisuudet voidaan saada palauttamalla rakenne (esimerkiksi materiaalin lämpökäsittelyllä).

Magneettinen epävakaus johtuu magneettisen aineen magneettisen rakenteen muutoksesta, joka pyrkii termodynaamiseen tasapainoon ajan myötä ja ulkoisten vaikutusten vaikutuksesta. Magneettinen epävakaus voi olla:

• palautuva (alkuolosuhteisiin paluu palauttaa alkuperäiset magneettiset ominaisuudet);

• peruuttamaton (alkuperäisten ominaisuuksien palautus voidaan saavuttaa vain toistuvalla magnetoinnilla).

Kestomagneetti vai sähkömagneetti – kumpi on parempi?

Kestomagneettien käyttäminen pysyvän magneettikentän luomiseen vastaavien sähkömagneettien sijaan mahdollistaa:

• vähentää tuotteiden painoa ja kokoominaisuuksia;

• sulkee pois ylimääräisten energialähteiden käytön (joka yksinkertaistaa tuotteiden suunnittelua, vähentää niiden tuotanto- ja käyttökustannuksia);

• tarjoavat lähes rajattoman ajan magneettikentän ylläpitämiseen työolosuhteissa (käytetystä materiaalista riippuen).

Kestomagneettien haitat ovat:

• niiden luomisessa käytettyjen materiaalien hauraus (tämä vaikeuttaa tuotteiden mekaanista käsittelyä);

• tarve suojata kosteuden ja homeen vaikutukselta (ferriiteille GOST 24063), samoin kuin korkean kosteuden ja lämpötilan vaikutukselta.

Kestomagneettien tyypit ja ominaisuudet

Ferriitti

Vaikka ferriittimagneetit ovat hauraita, niillä on hyvä korroosionkestävyys, mikä tekee niistä yleisimpiä edullisin kustannuksin. Nämä magneetit on valmistettu rautaoksidin seoksesta bariumin tai strontiumferriitin kanssa. Tämä koostumus mahdollistaa materiaalin magneettisten ominaisuuksien säilyttämisen laajalla lämpötila-alueella -30 ° C - + 270 ° C.

Magneettisia tuotteita ferriittirenkaiden, tankojen ja hevosenkenkien muodossa käytetään laajalti sekä teollisuudessa että jokapäiväisessä elämässä, tekniikassa ja elektroniikassa. Niitä käytetään kaiutinjärjestelmissä, generaattoreissa, DC-moottoreissa… Autoteollisuudessa ferriittimagneetteja asennetaan käynnistimiin, ikkunoihin, jäähdytysjärjestelmiin ja tuulettimiin.

Ferriittimagneeteille on tunnusomaista noin 200 kA/m:n koersitiivivoima ja noin 0,4 Teslan jäännösmagneettinen induktio. Keskimäärin ferriittimagneetti voi kestää 10-30 vuotta.

Alnico (alumiini-nikkeli-koboltti)

Alumiinin, nikkelin ja koboltin seokseen perustuville kestomagneeteille on ominaista ylivoimainen lämpötilan stabiilisuus ja stabiilisuus: ne pystyvät säilyttämään magneettiset ominaisuutensa jopa + 550 °C:n lämpötiloissa, vaikka niiden pakottava voima on suhteellisen pieni. Suhteellisen pienen magneettikentän vaikutuksesta tällaiset magneetit menettävät alkuperäiset magneettiset ominaisuutensa.

Arvioi itse: tyypillinen pakkovoima on noin 50 kA / m jäännösmagnetisaatiolla noin 0,7 Teslaa. Tästä ominaisuudesta huolimatta alnico-magneetit ovat välttämättömiä joissakin tieteellisissä tutkimuksissa.

Tyypillinen komponenttien pitoisuus alnico-seoksissa, joilla on korkeat magneettiset ominaisuudet, vaihtelee seuraavissa rajoissa: alumiini - 7 - 10%, nikkeli - 12 - 15%, koboltti - 18 - 40 % ja 3 - 4 % kupari.

Mitä enemmän kobolttia, sitä suurempi on seoksen kyllästysinduktio ja magneettinen energia. Lisäaineet, jotka ovat 2-8 % titaania ja vain 1 % niobiumia, auttavat saavuttamaan suuremman pakkovoiman - jopa 145 kA / m. 0,5-1 % piin lisäys varmistaa isotrooppiset magneettiset ominaisuudet.

Samaria

Jos tarvitset poikkeuksellista korroosionkestävyyttä, hapettumista ja +350 °C:n lämpötiloja, tarvitset samariumin magneettiseosta koboltin kanssa.

Tietyllä hinnalla samarium-kobolttimagneetit ovat kalliimpia kuin neodyymimagneetit harvemman ja kalliimman metallin, koboltin, vuoksi. Siitä huolimatta on suositeltavaa käyttää niitä, jos lopputuotteiden vähimmäismitat ja paino ovat tarpeen.

Tämä sopii parhaiten avaruusaluksiin, ilmailu- ja tietotekniikkaan, pienoissähkömoottoreihin ja magneettikytkimiin, puettaviin laitteisiin ja laitteisiin (kellot, kuulokkeet, matkapuhelimet jne.)

Erityisen korroosionkestävyyden vuoksi samariummagneetteja käytetään strategisessa kehityksessä ja sotilaallisissa sovelluksissa. Sähkömoottorit, generaattorit, nostojärjestelmät, moottoriajoneuvot - samarium-kobolttiseoksesta valmistettu vahva magneetti on ihanteellinen aggressiivisiin ympäristöihin ja vaikeisiin työolosuhteisiin. Pakovoima on luokkaa 700 kA/m jäännösmagneettisen induktion luokkaa 1 Tesla.

Neodyymi

Neodyymimagneeteilla on nykyään suuri kysyntä ja ne näyttävät olevan lupaavimpia. Neodyymi-rauta-boori-seoksella voit luoda supermagneetteja erilaisiin sovelluksiin lukoista ja leluista sähkögeneraattoreihin ja tehokkaisiin nostokoneisiin.

Suuri pakkovoima, noin 1000 kA / m ja jäännösmagnetointi noin 1,1 Tesla mahdollistavat magneetin ylläpitämisen useiden vuosien ajan, 10 vuoden ajan neodyymimagneetti menettää vain 1 % magnetisoitumisestaan, jos sen lämpötila käyttöolosuhteissa ei ylitä + 80 ° C (joillakin merkeillä jopa + 200 ° C). Näin ollen neodyymimagneeteilla on vain kaksi haittaa - hauraus ja alhainen käyttölämpötila.

Magnetoplastit

Magneettinen jauhe muodostaa yhdessä sideaineen kanssa pehmeän, joustavan ja kevyen magneetin. Liimauskomponentit, kuten vinyyli, kumi, muovi tai akryyli, mahdollistavat erimuotoisten ja -kokoisten magneettien valmistamisen.

Magneettinen voima on luonnollisesti pienempi kuin puhdas magneettinen materiaali, mutta joskus tällaiset ratkaisut ovat välttämättömiä tiettyjen epätavallisten magneettien tarkoituksiin: mainostuotteiden valmistuksessa, irrotettavien autotarrojen valmistuksessa sekä erilaisia ​​paperitavaroita ja matkamuistoja.

Magneettien vuorovaikutus

Kuten magneettien navat hylkivät ja toisin kuin navat vetävät puoleensa. Magneettien vuorovaikutus selittyy sillä, että jokaisella magneetilla on magneettikenttä ja nämä magneettikentät ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Mikä on esimerkiksi syy raudan magnetoitumiseen?

Ranskalaisen tiedemiehen Amperen hypoteesin mukaan aineen sisällä on elementaarisia sähkövirtoja (Ampeerivirrat), jotka muodostuvat elektronien liikkumisesta atomiytimien ympäri ja oman akselinsa ympäri.

Elementaariset magneettikentät syntyvät elektronien liikkeestä.Ja jos pala rautaa viedään ulkoiseen magneettikenttään, niin kaikki tämän raudan alkeismagneettikentät suuntautuvat samalla tavalla ulkoiseen magneettikenttään muodostaen oman magneettikentän raudanpalasta. Joten jos käytetty ulkoinen magneettikenttä olisi tarpeeksi voimakas, sen sammuttamisen jälkeen raudanpalasta tulisi kestomagneetti.

Kestomagneetin muodon ja magnetoinnin tunteminen mahdollistaa laskelmien korvaamisen vastaavalla sähkömagnetointivirtojen järjestelmällä. Tällainen korvaaminen on mahdollista sekä laskettaessa magneettikentän ominaisuuksia että laskettaessa magneettiin ulkoisesta kentästä vaikuttavia voimia.

Lasketaan esimerkiksi kahden kestomagneetin vuorovaikutusvoima. Olkoon magneetit ohuiden sylinterien muotoisia, niiden säteet merkitään r1 ja r2, paksuudet ovat h1, h2, magneettien akselit ovat samat, magneettien välinen etäisyys merkitään z:llä, oletetaan, että se on paljon suurempi kuin magneettien koko.

Magneettien välisen vuorovaikutusvoiman ilmeneminen selitetään perinteisellä tavalla: yksi magneetti luo magneettikentän, joka vaikuttaa toiseen magneetiin.

Vuorovaikutusvoiman laskemiseksi korvaamme henkisesti tasaisesti magnetoidut magneetit J1 ja J2 sylinterien sivupinnalla virtaavilla ympyrävirroilla. Näiden virtojen vahvuudet ilmaistaan ​​magneettien magnetisoitumisena ja niiden säteet katsotaan yhtä suureksi kuin magneettien säteet.

Jaetaan ensimmäisen magneetin sijasta ensimmäisen magneetin luoman magneettikentän induktiovektori B kahdeksi komponentiksi: aksiaaliseen, joka on suunnattu magneetin akselia pitkin, ja säteittäiseen, kohtisuoraan sitä vastaan.

Renkaaseen vaikuttavan kokonaisvoiman laskemiseksi on tarpeen jakaa se henkisesti pieniin elementteihin Idl ja summa ampeeriajokaiseen tällaiseen elementtiin.

Vasemmalla olevan säännön avulla on helppo osoittaa, että magneettikentän aksiaalinen komponentti aiheuttaa ampeerivoimia, jotka pyrkivät venyttämään (tai puristamaan) rengasta - näiden voimien vektorisumma on nolla.

Kentän säteittäisen komponentin läsnäolo johtaa magneettien akselia pitkin suuntautuneiden ampeerivoimien esiintymiseen, toisin sanoen niiden vetovoimaan tai hylkimiseen. On vielä laskettava ampeerivoimat - nämä ovat kahden magneetin välisiä vuorovaikutusvoimia.

Katso myös:Kestomagneettien käyttö sähkötekniikassa ja energiateollisuudessa