מגנטים קבועים - סוגים ומאפיינים, צורות, אינטראקציה של מגנטים

מהו מגנט קבוע

מוצר פרומגנטי המסוגל לשמור על מגנטיזציה משמעותית לאחר הסרת השדה המגנטי החיצוני נקרא מגנט קבוע.

מגנטים קבועים עשויים ממתכות שונות כגון קובלט, ברזל, ניקל, סגסוגות אדמה נדירות (עבור מגנטים ניאודימיום) וכן מינרלים טבעיים כגון מגנטים.

היקף היישום של מגנטים קבועים כיום הוא רחב מאוד, אבל המטרה שלהם זהה ביסודה בכל מקום - כמקור שדה מגנטי קבוע ללא ספק כוח... לפיכך מגנט הוא גוף שיש לו משלו שדה מגנטי.

עצם המילה "מגנט" מגיעה מהביטוי היווני שמתורגם כ "אבן מגנזיה", על שם העיר האסייתית שבה התגלו מרבצי מגנטיט - עפרת ברזל מגנטית - בימי קדם... מנקודת מבט פיזית, מגנט אלמנטרי הוא אלקטרון, והתכונות המגנטיות של מגנטים נקבעות בדרך כלל על ידי המומנטים המגנטיים של האלקטרונים המרכיבים את החומר הממוגנט.

המגנט הקבוע הוא חלק מערכות מגנטיות של מוצרי חשמל... התקני מגנט קבוע מבוססים בדרך כלל על המרת אנרגיה:

• מכני למכני (מפרידים, מחברים מגנטיים וכו');

• מכני עד אלקטרומגנטי (גנרטורים חשמליים, רמקולים וכו');

• אלקטרומגנטי למכני (מנועים חשמליים, רמקולים, מערכות מגנטואלקטריות וכו');

• מכני עד פנימי (התקני בלמים וכו').

הדרישות הבאות חלות על מגנטים קבועים:

• אנרגיה מגנטית ספציפית גבוהה;

• מידות מינימום עבור חוזק שדה נתון;

• שמירה על ביצועים בטווח רחב של טמפרטורות הפעלה;

• התנגדות לשדות מגנטיים חיצוניים; - טכנולוגיה;

• עלות נמוכה של חומרי גלם;

• יציבות של פרמטרים מגנטיים לאורך זמן.

מגוון המשימות הנפתרות בעזרת מגנטים קבועים מחייב יצירת צורות רבות לביצוען, מגנטים קבועים מעוצבים לרוב כמו פרסה (מה שנקרא מגנטים "פרסה").

האיור מציג דוגמאות לצורות של מגנטים קבועים המיוצרים באופן תעשייתי המבוססים על יסודות אדמה נדירים עם ציפוי מגן.

מגנטים קבועים מיוצרים באופן מסחרי בצורות שונות: א - דיסק; ב - טבעת; ג - מקבילי; g - צילינדר; ד - כדור; ה - מגזר של גליל חלול

מגנטים מיוצרים גם מסגסוגות מתכת מגנטיות קשות ומפריטים בצורת מוטות עגולים ומלבניים, וכן צינוריים, בצורת C, בצורת פרסה, בצורת לוחות מלבניים וכו'.

לאחר עיצוב החומר, יש למגנט אותו, כלומר למקם אותו בשדה מגנטי חיצוני, מכיוון שהפרמטרים המגנטיים של מגנטים קבועים נקבעים לא רק לפי צורתם או החומר ממנו הם עשויים, אלא גם לפי הכיוון של המגנטים הקבועים. מגנטיזציה.

חלקי העבודה ממוגנטים באמצעות מגנטים קבועים, אלקטרומגנטים DC או סלילים מגנטים שדרכם עוברים פולסי זרם. בחירת שיטת המגנטיזציה תלויה בחומר ובצורת המגנט הקבוע.

כתוצאה מחימום חזק, פגיעות, מגנטים קבועים יכולים לאבד חלקית או מלאה את התכונות המגנטיות שלהם (דה-מגנטיזציה).

מאפיינים של קטע degassing לולאות היסטרזיס מגנטיות החומר שממנו עשוי מגנט קבוע קובע את תכונותיו של מגנט קבוע מסוים: ככל שכוח הכפייה Hc גבוה יותר והערך השיורי גבוה יותר אינדוקציה מגנטית Br — המגנט החזק והיציב יותר.

כוח כפייה (מתורגם מילולית מלטינית - "כוח מחזיק") - כוח המונע שינוי בקיטוב מגנטי פרומגנטים.

כל עוד הפרומגנט אינו מקוטב, כלומר הזרמים האלמנטריים אינם מכוונים, כוח הכפייה מונע את כיוון הזרמים היסודיים. אבל כאשר הפרומגנט כבר מקוטב, הוא שומר על הזרמים היסודיים במצב מכוון גם לאחר הסרת שדה המגנט החיצוני.

זה מסביר את המגנטיות השיורית הנראית בפרומגנטים רבים. ככל שכוח הכפייה גדול יותר, תופעת המגנטיות השיורית חזקה יותר.

אז כוח כפייה הוא כוח שדה מגנטינדרש עבור דה-מגנטיזציה מלאה של חומר ברזל או פרומגנטי. לפיכך, ככל שלמגנט מסוים יש יותר כוח כפייה, כך הוא עמיד יותר בפני גורמים דה-מגנטיים.

יחידת מדידה של כוח כפייה ב-NE - אמפר/מטר. א אינדוקציה מגנטית, כידוע, היא כמות וקטורית, שהיא כוח המאפיין את השדה המגנטי. הערך האופייני של האינדוקציה המגנטית השיורית של מגנטים קבועים הוא בסדר גודל של 1 טסלה.

היסטרזיס מגנטי - הנוכחות של ההשפעות של הקיטוב של מגנטים מובילה לעובדה שהמגנטיזציה והדה-מגנטיזציה של החומר המגנטי מתנהלת בצורה לא אחידה, מכיוון שהמגנטיזציה של החומר כל הזמן מפגרת מעט מאחורי שדה המגנט.

במקרה זה, חלק מהאנרגיה המושקעת במגנט הגוף לא מוחזרת במהלך דה-מגנטיזציה, אלא הופכת לחום. לכן, היפוך חוזר של המגנטיזציה של החומר קשור לאובדי אנרגיה ניכרים ולעיתים עלול לגרום לחימום חזק של הגוף הממוגנט.

ככל שההיסטרזה בחומר בולטת יותר, כך ההפסד בו גדול יותר כאשר המגנטיזציה מתהפכת. לכן, חומרים שאין להם היסטרזיס משמשים למעגלים מגנטיים עם שטף מגנטי לסירוגין (ראה - ליבות מגנטיות של מכשירים חשמליים).

התכונות המגנטיות של מגנטים קבועים יכולים להשתנות בהשפעת הזמן וגורמים חיצוניים, הכוללים:

• טֶמפֶּרָטוּרָה;

• שדה מגנטי;

• עומסים מכניים;

• קרינה וכו'.

השינוי בתכונות המגנטיות מאופיין בחוסר יציבות של המגנט הקבוע, שיכול להיות מבני או מגנטי.

חוסר יציבות מבנית קשורה לשינויים במבנה הגבישי, טרנספורמציות פאזה, הפחתת מתחים פנימיים וכו'. במקרה זה ניתן לקבל את התכונות המגנטיות המקוריות על ידי שחזור המבנה (למשל על ידי טיפול בחום של החומר).

אי יציבות מגנטית נגרמת משינוי במבנה המגנטי של החומר המגנטי, הנוטה לשיווי משקל תרמודינמי לאורך זמן ובהשפעת השפעות חיצוניות. אי יציבות מגנטית יכולה להיות:

• הפיך (חזרה לתנאים התחלתיים משחזרת תכונות מגנטיות מקוריות);

• בלתי הפיך (החזרת המאפיינים המקוריים יכולה להיות מושגת רק על ידי מגנטיזציה חוזרת).

מגנט קבוע או אלקטרומגנט - מה עדיף?

שימוש במגנטים קבועים ליצירת שדה מגנטי קבוע במקום האלקטרומגנטים השווים להם מאפשר:

• כדי להפחית את מאפייני המשקל והגודל של המוצרים;

• אינו כולל שימוש במקורות אנרגיה נוספים (מה שמפשט את העיצוב של מוצרים, מפחית את עלות הייצור והתפעול שלהם);

• לספק זמן כמעט בלתי מוגבל לשמירה על השדה המגנטי בתנאי עבודה (תלוי בחומר המשמש).

החסרונות של מגנטים קבועים הם:

• שבריריות החומרים המשמשים ליצירתם (זה מסבך את העיבוד המכני של המוצרים);

• הצורך בהגנה מפני השפעת לחות ועובש (עבור פריטים GOST 24063), כמו גם מפני השפעת לחות וטמפרטורה גבוהה.

סוגים ומאפיינים של מגנטים קבועים

פֵרִיט

למגנטים פריט, למרות שבירים, יש עמידות טובה בפני קורוזיה, מה שהופך אותם לנפוצים ביותר בעלות נמוכה. מגנטים אלה עשויים מסגסוגת של תחמוצת ברזל עם בריום או סטרונציום פריט. הרכב זה מאפשר לחומר לשמור על תכונותיו המגנטיות בטווח טמפרטורות רחב - מ-30 מעלות צלזיוס עד +270 מעלות צלזיוס.

מוצרים מגנטיים בצורת טבעות פריט, מוטות ופרסות נמצאים בשימוש נרחב הן בתעשייה והן בחיי היומיום, בטכנולוגיה ובאלקטרוניקה. הם משמשים במערכות רמקולים, בגנרטורים, במנועי DC... בתעשיית הרכב מותקנים מגנטים של פריט בסטרטרים, חלונות, מערכות קירור ומאווררים.

מגנטים של פריט מאופיינים בכוח כפייה של כ-200 kA/m ובאינדוקציה מגנטית שיורית של כ-0.4 טסלה. בממוצע, מגנט פריט יכול להחזיק מעמד 10 עד 30 שנים.

אלניקו (אלומיניום-ניקל-קובלט)

מגנטים קבועים המבוססים על סגסוגת של אלומיניום, ניקל וקובלט מאופיינים ביציבות ויציבות טמפרטורות ללא תחרות: הם מסוגלים לשמור על תכונותיהם המגנטיות בטמפרטורות של עד +550 מעלות צלזיוס, אם כי כוח הכפייה שלהם קטן יחסית. בהשפעת שדה מגנטי קטן יחסית, מגנטים כאלה יאבדו את התכונות המגנטיות המקוריות שלהם.

תשפטו בעצמכם: כוח כפייה טיפוסי הוא כ-50 kA/m עם מגנטיזציה שיורית של כ-0.7 טסלה. למרות תכונה זו, מגנטים של אלניקו הם הכרחיים עבור מחקר מדעי כלשהו.

התוכן הטיפוסי של רכיבים בסגסוגות אלניקו עם תכונות מגנטיות גבוהות משתנה בגבולות הבאים: אלומיניום - מ-7 עד 10%, ניקל - מ-12 עד 15%, קובלט - מ-18 עד 40%, ומ-3 עד 4% נחושת.

ככל שיותר קובלט, אינדוקציית הרוויה והאנרגיה המגנטית של הסגסוגת גבוהים יותר. תוספים בצורת 2 עד 8% טיטניום ורק 1% ניוביום תורמים להשגת כוח כפייה גבוה יותר - עד 145 kA/m. תוספת של 0.5 עד 1% סיליקון מבטיחה תכונות מגנטיות איזוטרופיות.

שומרון

אם אתה צריך עמידות יוצאת דופן בפני קורוזיה, חמצון וטמפרטורות של עד + 350 מעלות צלזיוס, אז סגסוגת מגנטית של סמריום עם קובלט היא מה שאתה צריך.

במחיר מסוים, מגנטים סמריום-קובלט יקרים יותר ממגנטים ניאודימיום בגלל המתכת הנמוכה והיקרה יותר, קובלט. עם זאת, מומלץ להשתמש בהם אם יש צורך במידות ומשקל מינימליות של המוצרים הסופיים.

זה מתאים ביותר בחלליות, תעופה ומחשבים, מנועים חשמליים מיניאטוריים וצימודים מגנטיים, בחפצים לבישים ובמכשירים (שעונים, אוזניות, טלפונים ניידים וכו').

בגלל העמידות המיוחדת שלו בפני קורוזיה, מדובר במגנטים של סמריום המשמשים בפיתוח אסטרטגי ויישומים צבאיים. מנועים חשמליים, גנרטורים, מערכות הרמה, כלי רכב מנועיים - מגנט חזק העשוי מסגסוגת סמריום-קובלט אידיאלי עבור סביבות אגרסיביות ותנאי עבודה קשים. כוח הכפייה הוא בסדר גודל של 700 kA/m עם אינדוקציה מגנטית שיורית בסדר גודל של 1 טסלה.

ניאודימיום

למגנטים ניאודימיום יש היום ביקוש רב ונראה שהם המבטיחים ביותר. סגסוגת הנאודימיום-ברזל-בורון מאפשרת ליצור מגנטים על למגוון יישומים, ממנעולים וצעצועים ועד לגנרטורים חשמליים ומכונות הרמה חזקות.

כוח כפייה גבוה של כ-1000 kA/m ומגנטיזציה שיורית של כ-1.1 טסלה מאפשרים את שמירת המגנט לאורך שנים רבות, במשך 10 שנים מגנט ניאודימיום מאבד רק 1% מהמגנטיות שלו אם הטמפרטורה שלו בתנאי הפעלה אינה עולה על + 80 מעלות צלזיוס (עבור מותגים מסוימים עד + 200 מעלות צלזיוס). לפיכך, ישנם רק שני חסרונות של מגנטים ניאודימיום - שבריריות וטמפרטורת פעולה נמוכה.

Magnetoplasts

האבקה המגנטית יחד עם הקלסר יוצרים מגנט רך, גמיש וקל. רכיבי הדבקה כמו ויניל, גומי, פלסטיק או אקריליק מאפשרים לייצר מגנטים במגוון צורות וגדלים.

הכוח המגנטי נמוך כמובן מחומר מגנטי טהור, אבל לפעמים יש צורך בפתרונות כאלה כדי להשיג מטרות חריגות מסוימות למגנטים: בייצור מוצרי פרסום, בייצור מדבקות רכב נשלפות וכן בייצור של כלי כתיבה ומזכרות שונים.

אינטראקציה של מגנטים

כמו הקטבים של מגנטים דוחים ובניגוד לקטבים מושכים. האינטראקציה של מגנטים מוסברת בכך שלכל מגנט יש שדה מגנטי ושדות מגנטיים אלו מקיימים אינטראקציה זה עם זה. למשל, מה הסיבה למגנטיזציה של ברזל?

על פי השערתו של המדען הצרפתי אמפר, בתוך החומר ישנם זרמים חשמליים אלמנטריים (זרמי אמפר), הנוצרים עקב תנועת אלקטרונים סביב גרעיני האטומים וסביב הציר שלהם.

שדות מגנטיים יסודיים נובעים מתנועת אלקטרונים.ואם חתיכת ברזל מוכנסת לשדה מגנטי חיצוני, אז כל השדות המגנטיים היסודיים בברזל הזה מכוונים באותו אופן בשדה מגנטי חיצוני, ויוצרים שדה מגנטי משלו מחתיכת ברזל. אז אם השדה המגנטי החיצוני המופעל היה חזק מספיק, ברגע שתכבה אותו, פיסת הברזל תהפוך למגנט קבוע.

הכרת הצורה והמגנטיזציה של מגנט קבוע מאפשרת להחליף את החישובים במערכת מקבילה של זרמי מגנט חשמליים. החלפה כזו אפשרית הן בעת ​​חישוב מאפייני השדה המגנטי והן בעת ​​חישוב הכוחות הפועלים על המגנט מהשדה החיצוני.

לדוגמה, בואו נחשב את כוח האינטראקציה של שני מגנטים קבועים. תנו למגנטים להיות בצורת גלילים דקים, הרדיוסים שלהם יסומנו ב-r1 ו-r2, העוביים הם h1, h2, צירי המגנטים חופפים, המרחק בין המגנטים יסומן ב-z, נניח שהוא הוא הרבה יותר גדול מגודל המגנטים.

הופעת כוח האינטראקציה בין מגנטים מוסברת בדרך המסורתית: מגנט אחד יוצר שדה מגנטי הפועל על המגנט השני.

כדי לחשב את כוח האינטראקציה, אנו מחליפים מנטלית את המגנטים הממוגנטים באופן אחיד J1 ו-J2 בזרמים מעגליים הזורמים על פני הצד של הגלילים. חוזקם של זרמים אלו יבוא לידי ביטוי במונחים של מגנטיזציה של המגנטים, והרדיוסים שלהם ייחשבו שווים לרדיוסים של המגנטים.

הבה נפרק את וקטור האינדוקציה B של השדה המגנטי שנוצר על ידי המגנט הראשון במקום השני לשני מרכיבים: צירי, מכוון לאורך ציר המגנט, ורדיאלי, בניצב לו.

כדי לחשב את הכוח הכולל הפועל על הטבעת, יש צורך לחלק אותה נפשית לאלמנטים קטנים Idl וסכום אמפרפועל על כל מרכיב כזה.

באמצעות הכלל בצד שמאל, קל להראות שהמרכיב הצירי של השדה המגנטי מוליד כוחות אמפר הנוטים למתוח (או לדחוס) את הטבעת - הסכום הווקטורי של הכוחות הללו הוא אפס.

הנוכחות של המרכיב הרדיאלי של השדה מובילה להופעת כוחות אמפר המכוונים לאורך ציר המגנטים, כלומר למשיכתם או הדחייה שלהם. נותר לחשב את כוחות האמפר - אלה יהיו כוחות האינטראקציה בין שני המגנטים.

ראה גם:השימוש במגנטים קבועים בהנדסת חשמל ואנרגיה