О постоянных магнитах: назначение, свойства, принципы взаимодействия магнитов

Из истории магнетизма

В VI веке до нашей эры в Древнем Китае был обнаружен минерал (горная порода), притягивающий железные предметы. Китайцы дали ему название «чу-ши», что переводится как «камень любви». «Любящий» — в смысле притягивающий.

Слово «магнит» было введено в обиход древними греками в V веке до нашей эры. Существует легенда, что первые образцы этих необычных «черных камней» были найдены недалеко от городка Магнес, где были обнаружены залежи магнетита. Магнит переводится как «камень из магнезии”.

Магнетит — черный железорудный минерал, оксид железа Fe3O4, обладающий природными магнитными свойствами.

Свойства постоянных магнитов

Мощные магниты

Основные свойства постоянных магнитов и создаваемого ими поля:

• наличие двух полюсов;
• противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются (как положительные и отрицательные заряды);
• магнитная сила незаметно распространяется в пространстве и проходит через предметы (бумагу, дерево);
• наблюдается увеличение интенсивности МП вблизи полюсов.

Постоянные магниты поддерживают МТ без посторонней помощи. Материалы в зависимости от магнитных свойств делятся на основные виды:

• ферромагнетики – легко намагничиваются;
• парамагнетики – намагничиваются с большим трудом;
• диамагнетики — имеют свойство отражать внешнее МП при намагничивании в обратном направлении.

Важно! Магнитомягкие материалы, такие как сталь, проводят магнетизм, когда он прикреплен к магниту, но это прекращается, когда его удаляют. Постоянные магниты изготавливаются из магнитотвердых материалов.

Как работает постоянный магнит

Его работа связана со структурой атома. Все ферромагнетики создают естественное, хотя и слабое, магнитное поле благодаря электронам, окружающим атомные ядра. Эти группы атомов способны ориентироваться в одном направлении и называются магнитными доменами.

Каждый домен имеет два полюса: северный и южный. Когда ферромагнитный материал не намагничен, его домены ориентированы в случайных направлениях, и их МП компенсируют друг друга.

Для изготовления постоянных магнитов ферромагнетики нагревают до очень высоких температур и подвергают воздействию сильного внешнего магнитного поля. Это приводит к тому, что отдельные магнитные домены внутри материала начинают ориентироваться в направлении внешнего МП до тех пор, пока все домены не выровняются и не достигнут точки магнитного насыщения.

Затем материал охлаждается, и выровненные домены фиксируются на месте. После удаления внешнего МП магнитотвердые материалы сохранят большую часть своих доменов, создавая постоянный магнит.

 

Характеристики постоянного магнита

1. Магнитная сила характеризуется остаточной магнитной индукцией. Назначен Бр. Это сила, которая остается после исчезновения внешнего МТ. Измеряется в тестах (Tl) или гауссах (Gs);
2. Коэрцитивная сила или сопротивление размагничиванию — Ns. Измеряется в А/м. Показывает, какой должна быть интенсивность внешнего МП для размагничивания материала;
3. Максимальная энергия — BHmax. Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы Br на коэрцитивную силу Hc. Измеряется в MGSE (мегагауссный сайт);
4. Температурный коэффициент остаточной магнитной силы Тс Br. Характеризует зависимость Br от значения температуры;
5. Tmax — максимальное значение температуры, при котором постоянные магниты теряют свои свойства с возможностью обратного восстановления;
6. Tcur — максимальное значение температуры, при котором магнитный материал необратимо теряет свои свойства. Этот показатель называется температурой Кюри.

Индивидуальные свойства магнита меняются с температурой. При разных температурах разные типы магнитных материалов работают по-разному.

Важно! Все постоянные магниты теряют процент своего магнетизма при повышении температуры, но с разной скоростью в зависимости от типа.

Типы постоянных магнитов

Генератор на неодимовых магнитах

Всего существует пять типов постоянных магнитов, каждый из которых изготовлен по-разному на основе материалов с разными свойствами:

• алнико;
• ферриты;
• редкоземельные элементы SmCo на основе кобальта и самария;
• неодим;
• полимер.

Альнико

Это постоянные магниты, которые в основном состоят из комбинации алюминия, никеля и кобальта, но также могут включать медь, железо и титан.

Благодаря свойствам магнитов Alnico они могут работать при самых высоких температурах, сохраняя при этом свой магнетизм, но размагничиваются легче, чем феррит или редкоземельный SmCo. Это были первые постоянные магниты массового производства, заменившие намагниченные металлы и дорогие электромагниты.

Заявка:

• электродвигатели;
• термическая обработка;
• склады;
• космический корабль;
• военная техника;
• высокотемпературное погрузочно-разгрузочное оборудование;
• микрофоны.

Ферриты

Для производства ферритовых магнитов, также известных как керамика, используют карбонат стронция и оксид железа в соотношении 10/90. Оба материала в изобилии и экономически доступны.

Благодаря низкой себестоимости, устойчивости к нагреву (до 250°С) и коррозии ферритовые магниты являются одними из самых популярных для повседневного использования. Они обладают большей внутренней коэрцитивной силой, чем альнико, но меньшей магнитной силой, чем их неодимовые аналоги.

Заявка:

• аудио Динамики;
• системы безопасности;
• большие пластинчатые магниты для удаления железных примесей с технологических линий;
• электродвигатели и генераторы;
• медицинские инструменты;
• подъемные магниты;
• морские поисковые магниты;
• устройства, основанные на работе вихревых токов;
• переключатели и реле;
• тормоза.

Редкоземельные магниты SmCo

Кобальтовые и самариевые магниты работают в широком диапазоне температур, имеют высокие температурные коэффициенты и высокую коррозионную стойкость. Этот тип сохраняет свои магнитные свойства даже при температурах ниже абсолютного нуля, что делает их популярными для использования в криогенных приложениях.

Заявка:

• турбо технология;
• муфты насосов;
• влажная среда;
• высокотемпературные устройства;
• миниатюрные электрические гоночные автомобили;
• электронные устройства для работы в критических условиях.

Неодимовые магниты

Сильнейшие из существующих магнитов, состоящие из сплава неодима, железа и бора. Из-за их огромной силы эффективны даже миниатюрные магниты. Это обеспечивает универсальное использование. Каждый человек постоянно находится рядом с одним из неодимовых магнитов.

Они есть, например, в смартфоне. Производство электродвигателей, медицинского оборудования, радиоэлектроники зависит от мощных неодимовых магнитов. Благодаря их сверхпрочности, огромной магнитной силе и стойкости к размагничиванию можно изготавливать образцы до 1 мм.

Заявка:

• жесткие диски;
• звуковоспроизводящие устройства — микрофоны, акустические датчики, наушники, колонки;
• протезы;
• насосы с магнитной муфтой;
• дверные доводчики;
• двигатели и генераторы;
• замки на украшениях;
• сканеры МРТ;
• магнитотерапия;
• датчики АБС в автомобилях;
• подъемное оборудование;
• магнитные сепараторы;
• тростниковые прерыватели и так далее

Полимерные магниты

Гибкие магниты содержат магнитные частицы внутри полимерного связующего. Их используют для уникальных устройств, где невозможно установить солидные аналоги.

Заявка:

• медийная реклама — быстрое закрепление и быстрое снятие на выставках и мероприятиях;
• номерной знак транспортного средства; образовательная школьная панель; логотипы компании;
• игрушки, головоломки и игры;
• маскировка поверхностей под покраску;
• календари и магнитные закладки;
• оконные и дверные уплотнители.

Большинство постоянных магнитов хрупкие и не должны использоваться в качестве конструктивных элементов. Изготавливаются стандартной формы: кольца, стержни, диски и отдельные: трапеции, дуги и т д. Из-за высокого содержания железа неодимовые магниты подвержены коррозии, поэтому сверху их покрывают никелем, нержавеющей сталью, тефлоном, титаном, резина и другие материалы.

Природа магнетизма

Демонстрация свойств магнита притягивать к себе металлические предметы у человека ставит вопрос: что такое постоянные магниты? Какова природа такого явления, как появление упирания металлических предметов в магнетит?

Первое объяснение природы магнетизма дал в своей гипотезе великий ученый — Ампер. В любом случае электрические токи текут с разной силой. Иначе их называют токами Ампера. Электроны, которые вращаются вокруг своей оси, также вращаются вокруг ядра атома. Благодаря этому возникают элементарные магнитные поля, которые, взаимодействуя между собой, образуют общее поле материи.

В потенциальных магнетитах при отсутствии внешнего воздействия поля элементов атомной решетки ориентированы хаотично. Внешнее магнитное поле «выстраивает» микрополя структуры материала в строго определенном направлении.

Потенциалы противоположных концов магнетита отталкиваются друг от друга. Если подойти к одним и тем же полюсам двух полосовых ФЭУ, руки человека почувствуют сопротивление движению. Разные полюса будут питать друг друга.

Когда сталь или сплав железа помещаются во внешнее магнитное поле, внутреннее поле металла ориентировано строго в одном направлении. В результате материал приобретает свойства постоянного магнита (ПМ).

Читайте также: Понижающие трансформаторы где и для чего применяются, особенности работы понижающих трансформаторов

Как увидеть магнитное поле

 

Чтобы визуально ощутить структуру магнитного поля, достаточно провести простой опыт. Для этого возьмите два магнита и небольшие кусочки металла.

Важно! В быту постоянные магниты встречаются в двух видах: в виде прямой полосы и в виде подковы.

После покрытия полоски ПМ листом бумаги на нее насыпают железные опилки. Частицы сразу же выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля, что дает наглядное представление об этом явлении.

Демонстрация структуры магнитного поля

Виды магнитов

Сопротивление резистора — формула для расчета

Постоянные магниты делятся на 2 типа:

• естественный;
• искусственный.

Естественные

В природе природный постоянный магнит представляет собой ископаемое в виде фрагмента железной руды. Магнитная горная порода (магнетит) у каждого народа имеет свое название. Но в каждом названии есть что-то вроде «любящий», «привлекательный металл».

Название Магнитогорск означает расположение города рядом с горными месторождениями природного магнетита. Активная добыча магнитной руды велась здесь на протяжении многих десятилетий. Сегодня от Магнитной горы ничего не осталось. Это была разработка и добыча природного магнетита.

Пока человечество не достигло соответствующего уровня научно-технического прогресса, природные постоянные магниты служили для разных забав и фокусов.

Искусственные

Искусственные ФЭУ получают путем наведения внешнего магнитного поля на различные металлы и их сплавы. Было замечено, что некоторые материалы длительное время сохраняют приобретенное поле — их называют твердыми магнитами. Материалы, которые быстро теряют свойства постоянных магнитов, называются мягкими магнитами.

В условиях заводского производства используются сложные металлические сплавы. В состав сплава «магнико» входят железо, никель и кобальт. Сплав Alnico содержит алюминий вместо железа.

Изделия из этих сплавов взаимодействуют с мощными электромагнитными полями. В результате получаются достаточно мощные ПМ.

Применение постоянных магнитов

ПМ имеет немаловажное значение в различных сферах человеческой деятельности. В зависимости от сферы применения ПМ имеет разные свойства. В последнее время активно используется важнейший магнитный сплав NdFeB, состоящий из следующих химических элементов:

• «Nd» — ниодий,
• «Фе» — железо,
• «В» — жить.

Основы электротехники

Области, где используются постоянные магниты:

1. экология;
2. Цинкование;
3. Лекарственное средство;
4. Транспорт;
5. Компьютерные технологии;
6. Бытовая техника;
7. Электротехника.

Экология

Разработаны и эксплуатируются различные системы очистки промышленных отходов. Магнитные системы очищают жидкости при производстве аммиака, метанола и других веществ. Магнитные ловушки «отбирают» из потока все железные частицы.

Кольцевые ПМ устанавливаются внутри газоходов, отводящих газообразные выбросы из ферромагнитных конфайнментов.

Сепараторные магнитные ловушки активно отбирают металлосодержащие отходы на конвейерные ленты для переработки техногенных отходов.

Гальваника

Гальваническое производство основано на движении заряженных ионов металлов к противоположным полюсам электродов постоянного тока. Менеджеры по проектам играют роль держателей продукта в гальваническом пуле. В промышленных установках с гальваническими процессами устанавливаются только магниты NdFeB.

Медицина

В последнее время производители медицинского оборудования широко анонсировали приборы и устройства на основе постоянных магнитов. Постоянное интенсивное поле обеспечивается характеристикой сплава NdFeB.

Свойство постоянных магнитов используется для нормализации работы системы кровообращения, тушения воспалительных процессов, восстановления хрящевой ткани и так далее.

Транспорт

Транспортные системы в производстве комплектуются установками с ПМ. Во время движения конвейерной ленты сырья магниты удаляют из массива ненужные металлические включения. С помощью магнитов разные товары выравниваются в разных плоскостях.

Примечание! Постоянные магниты используются для разделения таких материалов, где присутствие людей может нанести вред их здоровью.

Автомобильный транспорт оснащен множеством приборов, узлов и устройств, где главную роль играет ПМ. Это электронное зажигание, автоматические электрические стеклоподъемники, регулятор холостого хода, бензиновые, дизельные насосы, приборная панель и многое другое.

Компьютерные технологии

Все устройства мобильной и компьютерной техники оснащены магнитными элементами. В список входят принтеры, приводные двигатели, приводные двигатели и другие устройства.

Бытовые приспособления

В основном это держатели мелких бытовых предметов. Полки с магнитными держателями, карнизы и держатели для штор, держатели для набора кухонных ножей и разнообразной другой бытовой техники.

Электротехника

Электротехника, построенная на ПМ, касается таких областей, как радиотехнические узлы, генераторы и электродвигатели.

Радиотехника

ПМ используется для повышения компактности радиотехнических устройств, обеспечения автономности устройства.

Генераторы

Генераторы на ПМ решают проблему подвижных контактов — колец со щетками. В традиционных агрегатах промышленного назначения остро стоят проблемы, связанные со сложным обслуживанием оборудования, быстрым износом деталей и значительными потерями энергии в цепях возбуждения.

Единственным препятствием для создания таких генераторов является проблема установки ПМ на вращающемся роторе. Совсем недавно в продольные канавки ротора помещали магниты, заполняя их легкоплавким материалом.

Электродвигатели

В бытовой технике и в некотором промышленном оборудовании получили распространение синхронные электродвигатели с постоянными магнитами — это бесщеточные двигатели постоянного тока.

Как и в описанных выше генераторах, ПМ установлен на роторах, вращающихся внутри статоров с неподвижной обмоткой. Основным преимуществом электродвигателя является отсутствие кратковременных токоведущих контактов на коллекторе ротора.

Двигатель с постоянными магнитами

Двигатели этого типа относятся к маломощным агрегатам. Однако это ничуть не умаляет их полезности в электротехнике.

Дополнительная информация. Отличительной особенностью устройства является наличие датчика Холла, регулирующего скорость вращения ротора.

Автор надеется, что после прочтения этой статьи у читателя будет четкое представление о том, что такое постоянный магнит. Активное внедрение постоянных магнитов в сферу человеческой деятельности стимулирует изобретение и создание новых ферромагнитных сплавов с улучшенными магнитными свойствами.

Разница магнитных и электрических взаимодействий

Хотя мы провели аналогию с электрическими зарядами, это не позволяет нам применить все законы электричества к магнетизму.

Например, есть одно очень большое отличие. Мы можем разделить электрические заряды. Это происходит при электрификации в источниках питания. Но полюса магнита неразделимы. Если мы разрежем магнит, мы все равно не сможем отделить один полюс от другого. Мы просто получаем два новых магнита (рисунок 9).

Разделяемые части могут быть одинаковыми или разными — результат все равно один. Вы получите новые магниты, каждый из которых будет иметь два полюса и нейтральную зону.