Магниты повсеместно используются в двигателях, динамо-машинах, холодильниках, кредитных и дебетовых карточках, различных электронных устройствах, например в звукоснимателях на электрогитарах, стереодинамиках, жестких дисках компьютеров. Магниты могут быть постоянными и состоять из естественных магнитных материалов (железа или сплавов), либо представлять собой электромагниты. В электромагнитах магнитное поле создается за счет пропускания электрического поля через проволочную катушку, обвитую вокруг железного сердечника. Существует несколько факторов, которые влияют на силу магнитного поля, и эту силу можно изменить несколькими способами. Эти факторы и способы описаны в данной статье.

Шаги

Определите факторы, которые влияют на силу магнитного поля

Рассмотрим характеристики магнита. Свойства магнита описываются следующими параметрами:

Учтите, из какого материала изготовлен постоянный магнит. Постоянные магниты обычно делают из следующих материалов:

• Сплав неодима, железа и бора. Данный материал обладает самой высокой магнитной индукцией (12.800 гауссов), коэрцитивной силой магнитного поля (12.300 эрстедов) и максимальной плотностью магнитного потока (40). Также он характеризуется самыми низкими максимальной рабочей температурой и температурой Кюри (150 и 310 градусов Цельсия соответственно), его температурный коэффициент составляет -0,12.
• Сплав самария с кобальтом занимает второе место по величине коэрцитивной силы магнитного поля, которая составляет 9.200 эрстедов. Он создает магнитную индукцию силой 10.500 гауссов и максимальную плотность магнитного потока 26. Его максимальная рабочая температура намного выше, чем у сплава неодима, железа и бора, и составляет 300 градусов Цельсия, а температура Кюри равна 750 градусов Цельсия. Температурный коэффициент данного слава составляет 0,04.
• Альнико представляет собой сплав алюминия, никеля и кобальта. Его индукция магнитного поля (12.500 гауссов) близка к этой же характеристике сплава неодима, железа и бора, однако он имеет намного меньшую коэрцитивную силу магнитного поля (640 эрстедов) и, следовательно, более низкую максимальную плотность магнитного потока (5,5). По сравнению со сплавом самария и кобальта данный материал имеет более высокую максимальную рабочую температуру (540 градусов Цельсия) и температуру Кюри (860 градусов Цельсия). Его температурный коэффициент составляет 0,02.
• Магниты из керамики и феррита имеют намного меньшие значения индукции магнитного поля и максимальной плотности магнитного потока, они составляют соответственно 3.900 гауссов и 3,5. Однако их коэрцитивная сила магнитного поля намного выше, чем у альнико, и составляет 3.200 эрстедов. Их максимальная рабочая температура аналогична сплаву самария с кобальтом, в то время как температура Кюри значительно ниже (460 градусов Цельсия). Температурный коэффициент данных материалов составляет -0,2, то есть с ростом температуры сила их магнитного поля уменьшается намного быстрее, чем у других материалов.

1. Посчитайте количество витков электромагнитной катушки. Чем больше витков приходится на единицу длины катушки, тем выше сила магнитного поля. Стандартные электромагниты снабжены довольно массивным сердечником из одного из описанных выше материалов, вокруг которого расположены крупные витки. Тем не менее, простой электромагнит легко сделать самому: достаточно взять гвоздь, обмотать его проволокой и подсоединить ее концы к батарейке с напряжением 1,5 вольта.

   Проверьте силу тока, который проходит через обмотку электромагнита. Используйте для этого мультиметр . Чем выше ток, тем сильнее создаваемое им магнитное поле.

   • Еще одной единицей измерения силы магнитного поля в метрической системе служит ампер-виток. Эта величина определяет, насколько увеличивается сила магнитного поля при росте тока и/или числа витков.

   Оцените магнитное поле с помощью скрепок

   1. Сделайте держатель для постоянного магнита в виде бруска. Для этого можно использовать одежную прищепку и бумажный или пластиковый стакан. Данный способ хорошо подходит для демонстрации действия магнитного поля школьникам младших классов.

      • С помощью скотча прикрепите один из длинных концов прищепки к дну стакана.
      • Поставьте стакан с прикрепленной к нему прищепкой на стол вверх дном.

   2. Разогните скрепку так, чтобы получился крючок. Для этого можно просто отогнуть внешний край скрепки. На этот крючок вы подвесите другие скрепки.

      Чтобы измерить силу магнитного поля, добавьте другие скрепки. Приложите изогнутую крючком скрепку к одному из полюсов магнита. При этом изогнутое крючком место должно свободно свисать вниз. Подвесьте к крючку другие скрепки. Продолжайте добавлять скрепки, пока под их весом крючок не оторвется от магнита и все скрепки упадут на стол.

      Отметьте количество скрепок, при котором крючок оторвался от магнита. После того как вы добавите достаточно скрепок и верхняя скрепка оторвется от магнита, аккуратно подсчитайте число скрепок, при котором это произошло, и запишите его.

      Наклейте на нижний полюс магнита изоляционную ленту. Прикрепите к полюсу магнита три небольших полоски изоляционной ленты и снова подвесьте изогнутую крючком скрепку.

      Добавляйте скрепки к крючку, пока он вновь не оторвется от магнита. Повторите предыдущую процедуру и подвесьте к крючку скрепки, так чтобы в конце концов они вновь оторвались от магнита и упали на стол.

      Запишите, сколько скрепок потребовалось на этот раз. Кроме числа скрепок запишите также количество полосок изоляционной ленты, которые вы наклеили на полюс магнита.

      Повторите предыдущий шаг несколько раз со все бо льшим количеством полосок изоляционной ленты. Каждый раз записывайте число скрепок, при котором они отрываются от магнита, и количество полосок изоляционной ленты. По мере увеличения числа полосок для отрыва от магнита будет требоваться все меньше скрепок.

   Измерьте магнитное поле гауссметром

   1. Определите базовое, или исходное напряжение. Это можно сделать с помощью гауссметра, который называют также магнитометром или детектором ЭДС (электродвижущей силы). Это ручной прибор, который позволяет измерить силу и направление магнитного поля. Гауссметр можно приобрести в магазине электроники, он прост в использовании. Данный метод подходит для демонстрации действия магнитного поля школьникам старших классов и студентам. Для начала проделайте следующее:

      • Выставьте максимальное значение напряжения 10 вольт, DC (постоянный ток).
      • Отметьте показания на дисплее прибора, когда он находится в стороне от магнита. Это будет базовое, или исходное напряжение V0.

Неодимовые магниты - это постоянные редкоземельные магниты, которые изготавливаются из сплавов на основе редкоземельных материалов,химическая формула Nd2Fe14B(неодим-железо-бор). Магниты из сплава NdFeBобладают наиболее высокими магнитными параметрами из всех постоянных магнитов, выпускаемых на сегодняшний день.

В настоящее время одно из самых перспективным направлением в производстве и продаже постоянных магнитов, является производство неодимовых магнитов. И эта популярность обусловлена следующим:

1) Магниты Nd2Fe14B обладают наиболее высокими магнитными параметрами Br, Нсв, Hcм, ВН

2) магниты NdFeB имеют преимущество в цене перед магнитами из сплава SmCo из-за отсутствия в сплаве NdFeB дорогого кобальта.

3) Nd(неодим) в составе сплава NdFeB может частично заменяться на другие редкоземельные металлы, например, (Dy) Диспрозий - химический элемент, лантаноид.

4) Способность работать без потерь магнитных характеристик в температурном диапазоне - 60 ...+ 240 градусов Цельсия, с точкой Кюри +310 градусов.

5) Возможность производить магниты из данного сплава практически любых форм и размеров (цилиндры, диски, кольца, шары, стержни, кубы и др.)

К недостаткам можно отнести хрупкость и коррозионную стойкость, которую легко устранить, покрытием магнитов защитными слоями меди, цинка, никеля, хрома никель-медь-эпоксидная смола,никель-медь-никель и др.

Технология изготовления и производство неодимовых магнитов

1). Плавка магнитного материала. Исходные компоненты магнитного материала сплавляются в вакуумной индукционной печи. В этот момент задаются магнитные характеристики материала.

2). Дробление и измельчение. Частицы магнитного материала подвергаются дроблению и размолу.

3). Прессование в магнитном поле. Из полученного порошка, методами прессования в магнитном поле, делают заготовки. На этой стадии задается направление магнитного поля, происходит выстраивание доменов.

4). Спекание магнитов. Магнитные заготовки спекают при температуре 1000°С — 1100°С, они проходят термообработку в инертной среде.

5). Шлифовка. Изделия проходят механическую шлифовку.

6). Намагничивание в установке импульсного магнитного поля. Полученные неодимовые магниты, помещают в намагничивающую установку с индукцией магнитного поля ~ 3 - 4 Тл.

7). Нанесение коррозионно-устойчивого покрытия для предотвращения коррозии.

Неодимовые магниты Nd2Fe14B характеристики:

Магнитная индукция В. Это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля “Сила магнита” Единицы измерения - Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ), 1 Тесла = 10 000 Гаусс.

Остаточная магнитная индукция Br. Это намагниченность, которую имеет магнитный материал при напряжённости внешнего магнитного поля, равной нулю. Единицы измерения - Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ). Определяет насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.

Коэрцитивная магнитная сила Hc. Данная величина характеризует сопротивляемость магнита к размагничиванию. Это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания неодимового магнита, намагниченного до состояния насыщения. Чем больше коэрцитивная сила, тем "прочнее" магнитный материал удерживает остаточную намагниченность. Единицы измерения - Ампер/метр (в системе СИ) или Эрстед (в системе СГСЕ)

Магнитная энергия (BH)max. Полная плотность энергии, максимальное энергетическое произведение.Единицы измерения - МГауссЭрстед (в системе СГСЕ).Определяет, насколько сильным является неодимовый магнит. Чем больше данная величина, тем более мощным является магнит.

Температурный коэффициент остаточной магнитной индукции Tc of Br. Единицы измерения - процент на градус Цельсия. Определяет, насколько сильно магнитная индукция изменяется от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20%.

Максимальная рабочая температура Tmax. Определяет предел температуры, при которой мощный магнит временно теряет часть своих магнитных свойств. При снижении температуры неодимовый магнит полностью восстанавливает все магнитные свойства. Единицы измерения - градус Цельсия.

Температура Кюри Tcur . Определяет предел температуры, при которой неодимовый магнит полностью размагничивается. При снижении температуры магнит не восстанавливает магнитные свойства. Если нагревается в пределах от Tmax до Tcur, при снижении температуры магнитные свойства восстанавливаются частично. Единицы измерения - градус Цельсия.

Для того, что бы понять, насколько один магнит мощнее другого, необходимо значение остаточной магнитной индукции одного магнита разделить на значение остаточной магнитной индукции другого магнита.

Пример: неодимовый магнит N38 с В=1220 мТ и магнит N50 с В=1400 мТ, делим их магнитные индукции и получаем 1400/1220 = 1,14, т.е. магнит N50 «мощнее» магнита N38 на 14%, при условии, что линейные размеры магнитов одинаковые.

Цифры, обозначающие класс магнитов 30, 33, 35 ,38, 40, 42 и т.д., указывают на Магнитную Энергию, отвечающая за мощность магнитов (чем выше класс, тем сильнее магнит неодимовый), или «усилие на отрыв», т.е. сила, которую необходимо приложить к магниту, чтобы его оторвать от поверхности, к которой он примагничивается.

Наш магазин предлагает по выгодным ценам и удобным условиям.

Сила магнита рассчитывается, в первую очередь, исходя из его массы. То есть, чем больше масса магнита, тем больше его сила, так называемая, сила на отрыв.

Обращаем внимание на то, что сила на отрыв измеряется в единицах килограмм-сила. Сила на отрыв не измеряется просто в килограммах.

Тангенциальная составляющая силы

Стоит понимать, что сила на отрыв - это усилие (сила), которое необходимо приложить к магниту, чтобы оторвать его от стальной поверхности, например, от стального листа. При этом данное усилие должно быть приложено перпендикулярно к магниту. Если мы попытаемся оторвать магнит от поверхности, приложив силу под углом к поверхности, то нам потребуется меньшее усилие, так как в данном случае сила будет высчитываться через тангенциальную составляющую, которая, в свою очередь, высчитывается через косинусы углов приложенной силы.

Физические характеристики или класс магнита

Во-вторых, сила на отрыв рассчитывается исходя из физических характеристик магнита. Например, магнит класса N45 сложнее оторвать от поверхности, чем магнит таких же размеров класса N35. Это связано с магнитной энергией магнита: чем она выше (энергия), тем сложнее оторвать магнит от поверхности.
Рассмотрим пример на магните размером 30*10 мм. Сила на отрыв такого магнита классом N35 от стального листа составляет 17,87 кг/с (или просто килограмм). Сила на отрыв такого же магнита от стального листа, но уже классом N45, составляет 22,92 кг/с. То есть разница составляет 28%!

Система, в которую помещен магнит

В-третьих, попробуем рассмотреть силу на отрыв магнита , помещенного между двумя стальными листами (схематично, лист-магнит-лист). В этом случае, мы будем отрывать один из листов от магнита (второй лист надежно закреплен).
Рассмотрим тот же пример, магнит 30*10 мм. Чтобы оторвать лист от магнита классом N35, нам потребуется сила 30,55 кг/с!!! Для класса N45 эта величина составит и вовсе рекордные 39,28 кг/с!!! Делаем вывод: сила на отрыв рассчитывается исходя из системы характеристик, в которую помещен магнит.

Площадь соприкосновения

В-четвертых, сила на отрыв рассчитывается исходя из площади соприкосновения поверхности магнита с поверхностью стального листа.
Рассмотрим наглядный пример: два магнита, первый 25*20 мм, второй 30*10 мм, оба имеют одинаковый класс N35. Масса магнита 25*20 мм составляет 76,09 грамм, масса магнита 30*10 мм составляет 54,79 грамм, то есть, если бы мы рассчитывали силу на отрыв исходя только из массы магнита, то магнит 25*20 мм должен быть сильнее магнита 30*10 мм примерно на 38% процентов. Однако если учесть площадь соприкосновения магнита со стальным листом (25 мм против 30 мм), то сила на отрыв даст нам следующие показатели: у магнита 25*20 мм - 20,65 кг/с, у магнита 30*10 мм - 17,87 кг/с. То есть магнит 25*20 мм сильнее магнита 30*10 мм всего на 16%! Таким образом, разница в массе магнитов была компенсирована площадью соприкосновения. Делаем вывод: площадь соприкосновения магнита со стальным листом имеет не меньшее значение, чем масса или класс магнита.

Итог: сила на отрыв - сложная система

Подведем итог. Сила на отрыв магнита - это очень сложная, в какой-то мере тонкая система, составленная из множества приложенных сил и зависящая от мелочей. И очень сложно дать универсальный ответ, который на 100% будет соответствовать истине в различных вариантах применения. Поэтому для расчета силы на отрыв, предлагаем воспользоваться помощью наших менеджеров. От вас - детали сиcтемы, в которую помещен магнит, от нас - точный расчет.

Если же Вам достаточно теоретических расчетов, то каждая карточка магнита имеет информацию о массе и силе на отрыв. Удачных покупок!

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.

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.

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.

Характеристики постоянного магнита

1. Магнитную силу характеризует остаточная магнитная индукция. Обозначается Br. Это та сила, которая остается после исчезновения внешнего МП. Измеряется в тестах (Тл) или гауссах (Гс);
2. Коэрцитивность или сопротивление размагничиванию – Нс. Измеряется в А/м. Показывает, какова должна быть напряженность внешнего МП для того, чтобы размагнитить материал;
3. Максимальная энергия – BHmax. Рассчитывается путем умножения остаточной магнитной силы Br и коэрцитивности Нс. Измеряется в МГсЭ (мегагауссэрстед);
4. Коэффициент температуры остаточной магнитной силы – Тс of Br. Характеризует зависимость Br от температурного значения;
5. Tmax – наивысшее значение температуры, при достижении которого постоянные магниты утрачивают свойства с возможностью обратного восстановления;
6. 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.

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.

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.

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.

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.

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

Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.

Традиционные материалы для постоянных магнитов

Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.

Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.

Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.

Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.

Неодимовые постоянные магниты

Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.

Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.

Физический механизм постоянной намагниченности

Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнитразмагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.

Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.

При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.

Индукция и намагниченность

Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:

B = µ 0 (H + M),

где µ 0 является константой.

В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:

H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.

Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:

В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной l заз в сердечнике длиной l сер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:

H сер l сер + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.

Поскольку B = µ 0 (H сер + М сер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:

H сер (l сер + l заз) + М сер l заз =0,

H сер = ─ М сер l заз (l сер + l заз).

В воздушном зазоре:

H заз = B/µ 0 ,

причем B определяется по заданной М сер и найденной H сер.

Кривая намагничивания

Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).

Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:

В r = μ 0 (0 + М г).

После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита B H C . Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита М Н C . Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.

На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.

Из него видно, что наибольшей остаточной индукцией B r и коэрцитивной силой (как полной, так и внутренней, т. е. определяемой без учета напряженности H, только по намагниченности M) обладают именно NdFeB-магниты.

Поверхностные (амперовские) токи

Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).

Есть ли токи внутри магнита?

Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.

Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.

Как избавиться от подвижных контактов

Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты - контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.

Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.

Двигатель на постоянных магнитах

В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.

Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.