Magneti permanenti: tipi e proprietà, forme, interazione dei magneti

Cos'è un magnete permanente

Un prodotto ferromagnetico in grado di mantenere una significativa magnetizzazione residua dopo la rimozione del campo magnetico esterno è chiamato magnete permanente.

I magneti permanenti sono realizzati con vari metalli come cobalto, ferro, nichel, leghe di terre rare (per i magneti al neodimio) e minerali naturali come la magnetite.

L'ambito di applicazione dei magneti permanenti oggi è molto ampio, ma il loro scopo è fondamentalmente lo stesso ovunque: come sorgente di campo magnetico permanente senza alimentazione… Quindi un magnete è un corpo che ha il suo campo magnetico.

La stessa parola "magnete" deriva dalla frase greca che si traduce come "Pietra di Magnesia", dal nome della città asiatica dove nell'antichità furono scoperti depositi di magnetite, un minerale di ferro magnetico… Da un punto di vista fisico, un magnete elementare è un elettrone, e le proprietà magnetiche dei magneti sono solitamente determinate dai momenti magnetici degli elettroni che compongono il materiale magnetizzato.

Il magnete permanente è una parte sistemi magnetici di prodotti elettrici… I dispositivi a magneti permanenti sono generalmente basati sulla conversione di energia:

• da meccanico a meccanico (separatori, connettori magnetici, ecc.);

• da meccanico a elettromagnetico (generatori elettrici, altoparlanti, ecc.);

• da elettromagnetico a meccanico (motori elettrici, altoparlanti, sistemi magnetoelettrici, ecc.);

• da meccanico a interno (dispositivi di frenatura, ecc.).

I seguenti requisiti si applicano ai magneti permanenti:

• elevata energia magnetica specifica;

• dimensioni minime per una data intensità di campo;

• mantenere le prestazioni in un'ampia gamma di temperature di esercizio;

• resistenza ai campi magnetici esterni; - tecnologia;

• basso costo delle materie prime;

• stabilità dei parametri magnetici nel tempo.

La varietà di compiti risolti con l'aiuto di magneti permanenti richiede la creazione di molte forme della loro implementazione.I magneti permanenti hanno spesso la forma di un ferro di cavallo (i cosiddetti magneti "a ferro di cavallo").

La figura mostra esempi di forme di magneti permanenti prodotti industrialmente basati su elementi di terre rare con un rivestimento protettivo.

Magneti permanenti prodotti commercialmente di varie forme: a - disco; Portare; c — parallelepipedo; g — cilindro; d - palla; e — settore di un cilindro cavo

I magneti sono anche prodotti da leghe di metalli magnetici duri e ferriti sotto forma di aste tonde e rettangolari, nonché tubolari, a forma di C, a forma di ferro di cavallo, sotto forma di piastre rettangolari, ecc.

Dopo che il materiale è stato modellato, deve essere magnetizzato, cioè posto in un campo magnetico esterno, perché i parametri magnetici dei magneti permanenti sono determinati non solo dalla loro forma o dal materiale di cui sono fatti, ma anche dalla direzione di magnetizzazione.

I pezzi vengono magnetizzati mediante magneti permanenti, elettromagneti CC o bobine magnetizzanti attraverso i quali passano impulsi di corrente. La scelta del metodo di magnetizzazione dipende dal materiale e dalla forma del magnete permanente.

A causa di un forte riscaldamento, urti, i magneti permanenti possono perdere parzialmente o completamente le loro proprietà magnetiche (smagnetizzazione).

Caratteristiche della sezione di smagnetizzazione cicli di isteresi magnetica il materiale di cui è composto un magnete permanente determina le proprietà di un particolare magnete permanente: maggiore è la forza coercitiva Hc e maggiore è il valore residuo induzione magnetica Br — il magnete più forte e più stabile.

Potere coercitivo (tradotto letteralmente dal latino - "forza di tenuta") - una forza che impedisce un cambiamento nella polarizzazione magnetica ferromagneti.

Finché il ferromagnete non è polarizzato, cioè le correnti elementari non sono orientate, la forza coercitiva impedisce l'orientamento delle correnti elementari. Ma quando il ferromagnete è già polarizzato, mantiene le correnti elementari in posizione orientata anche dopo che il campo magnetizzante esterno è stato rimosso.

Questo spiega il magnetismo residuo visto in molti ferromagneti. Maggiore è la forza coercitiva, più forte è il fenomeno del magnetismo residuo.

Così è il potere coercitivo intensità del campo magneticonecessario per la completa smagnetizzazione di una sostanza ferromagnetica o ferrimagnetica. Pertanto, più un certo magnete è coercitivo, più è resistente ai fattori di smagnetizzazione.

Unità di misura della forza coercitiva in NE — Ampere/metro. UN induzione magnetica, come sai, è una quantità vettoriale, che è una forza caratteristica del campo magnetico. Il valore caratteristico dell'induzione magnetica residua dei magneti permanenti è dell'ordine di 1 Tesla.

Isteresi magnetica — la presenza degli effetti della polarizzazione dei magneti porta al fatto che la magnetizzazione e la smagnetizzazione del materiale magnetico procede in modo non uniforme, poiché la magnetizzazione del materiale rimane sempre leggermente indietro rispetto al campo magnetizzante.

In questo caso, parte dell'energia spesa per magnetizzare il corpo non viene restituita durante la smagnetizzazione, ma si trasforma in calore. Pertanto, l'inversione ripetuta della magnetizzazione del materiale è associata a notevoli perdite di energia e talvolta può causare un forte riscaldamento del corpo magnetizzato.

Più pronunciata è l'isteresi nel materiale, maggiore è la perdita in esso quando la magnetizzazione viene invertita. Pertanto, i materiali che non hanno isteresi vengono utilizzati per circuiti magnetici con flusso magnetico alternato (vedi — Nuclei magnetici di dispositivi elettrici).

Le proprietà magnetiche dei magneti permanenti possono cambiare sotto l'influenza del tempo e di fattori esterni, che includono:

• temperatura;

• campi magnetici;

• carichi meccanici;

• radiazioni ecc.

Il cambiamento delle proprietà magnetiche è caratterizzato dall'instabilità del magnete permanente, che può essere strutturale o magnetico.

L'instabilità strutturale è associata a cambiamenti nella struttura cristallina, trasformazioni di fase, riduzione delle sollecitazioni interne, ecc. In questo caso, le proprietà magnetiche originali possono essere ottenute ripristinando la struttura (ad esempio, mediante trattamento termico del materiale).

L'instabilità magnetica è causata da un cambiamento nella struttura magnetica della sostanza magnetica, che tende all'equilibrio termodinamico nel tempo e sotto l'influenza di influenze esterne. L'instabilità magnetica può essere:

• reversibile (il ritorno alle condizioni iniziali ripristina le proprietà magnetiche originarie);

• irreversibile (il ritorno delle proprietà originali può essere ottenuto solo mediante ripetute magnetizzazioni).

Magnete permanente o elettromagnete: quale è meglio?

L'utilizzo di magneti permanenti per creare un campo magnetico permanente al posto dei loro elettromagneti equivalenti consente:

• ridurre le caratteristiche di peso e dimensioni dei prodotti;

• esclude l'uso di fonti energetiche aggiuntive (che semplifica la progettazione dei prodotti, riduce i costi della loro produzione e funzionamento);

• fornire un tempo quasi illimitato per mantenere il campo magnetico nelle condizioni di lavoro (a seconda del materiale utilizzato).

Gli svantaggi dei magneti permanenti sono:

• fragilità dei materiali utilizzati nella loro creazione (questo complica la lavorazione meccanica dei prodotti);

• la necessità di protezione contro l'influenza di umidità e muffe (per ferriti GOST 24063), nonché contro l'influenza di umidità e temperatura elevate.

Tipi e proprietà dei magneti permanenti

Ferrite

I magneti in ferrite, sebbene fragili, hanno una buona resistenza alla corrosione, rendendoli i più comuni a basso costo. Questi magneti sono realizzati in una lega di ossido di ferro con ferrite di bario o stronzio. Questa composizione consente al materiale di mantenere le sue proprietà magnetiche in un ampio intervallo di temperature, da -30 ° C a + 270 ° C.

I prodotti magnetici sotto forma di anelli di ferrite, aste e ferri di cavallo sono ampiamente utilizzati sia nell'industria che nella vita di tutti i giorni, nella tecnologia e nell'elettronica. Sono utilizzati nei sistemi di altoparlanti, nei generatori, nei motori a corrente continua… Nell'industria automobilistica, i magneti in ferrite sono installati in motorini di avviamento, finestrini, sistemi di raffreddamento e ventole.

I magneti in ferrite sono caratterizzati da una forza coercitiva di circa 200 kA/me un'induzione magnetica residua di circa 0,4 Tesla. In media, un magnete in ferrite può durare dai 10 ai 30 anni.

Alnico (alluminio-nichel-cobalto)

I magneti permanenti basati su una lega di alluminio, nichel e cobalto sono caratterizzati da stabilità e stabilità alla temperatura insuperabili: sono in grado di mantenere le loro proprietà magnetiche a temperature fino a + 550 ° C, sebbene la loro forza coercitiva sia relativamente piccola. Sotto l'influenza di un campo magnetico relativamente piccolo, tali magneti perderanno le loro proprietà magnetiche originali.

Giudicate voi stessi: una tipica forza coercitiva è di circa 50 kA/m con una magnetizzazione residua di circa 0,7 Tesla. Nonostante questa caratteristica, i magneti in alnico sono indispensabili per alcune ricerche scientifiche.

Il contenuto tipico di componenti in leghe alnico con elevate proprietà magnetiche varia entro i seguenti limiti: alluminio — dal 7 al 10%, nichel — dal 12 al 15%, cobalto — dal 18 al 40% e dal 3 al 4% rame.

Più cobalto, maggiore è l'induzione di saturazione e l'energia magnetica della lega. Gli additivi sotto forma di titanio dal 2 all'8% e solo l'1% di niobio contribuiscono a ottenere una forza coercitiva più elevata, fino a 145 kA / m. L'aggiunta dallo 0,5 all'1% di silicio garantisce proprietà magnetiche isotrope.

Samaria

Se hai bisogno di un'eccezionale resistenza alla corrosione, all'ossidazione e alle temperature fino a +350°C, allora una lega magnetica di samario con cobalto è quello che ti serve.

Ad un certo prezzo, i magneti in samario-cobalto sono più costosi dei magneti al neodimio a causa del metallo più raro e costoso, il cobalto. Tuttavia, si consiglia di utilizzarli se è necessario avere dimensioni e peso minimi dei prodotti finali.

Ciò è più appropriato nei veicoli spaziali, nell'aviazione e nella tecnologia informatica, nei motori elettrici in miniatura e negli accoppiamenti magnetici, nei dispositivi indossabili e nei dispositivi (orologi, cuffie, telefoni cellulari, ecc.)

A causa della sua speciale resistenza alla corrosione, sono i magneti in samario che vengono utilizzati nello sviluppo strategico e nelle applicazioni militari. Motori elettrici, generatori, sistemi di sollevamento, autoveicoli: un potente magnete in lega di samario-cobalto è ideale per ambienti aggressivi e condizioni di lavoro difficili. La forza coercitiva è dell'ordine di 700 kA/m con un'induzione magnetica residua dell'ordine di 1 Tesla.

Neodimio

I magneti al neodimio sono oggi molto richiesti e sembrano essere i più promettenti. La lega di neodimio-ferro-boro consente di creare supermagneti per una varietà di applicazioni, da serrature e giocattoli a generatori elettrici e potenti macchine di sollevamento.

Un'elevata forza coercitiva di circa 1000 kA/m ed una magnetizzazione residua di circa 1,1 Tesla permettono di mantenere il magnete per molti anni, per 10 anni un magnete al neodimio perde solo l'1% della sua magnetizzazione se la sua temperatura in condizioni operative non supera +80°C (per alcune marche fino a +200°C). Pertanto, ci sono solo due svantaggi dei magneti al neodimio: fragilità e bassa temperatura operativa.

Magnetoplasti

La polvere magnetica insieme al legante forma un magnete morbido, flessibile e leggero. I componenti di incollaggio come vinile, gomma, plastica o acrilico consentono di produrre magneti in una varietà di forme e dimensioni.

La forza magnetica è, ovviamente, inferiore al puro materiale magnetico, ma a volte tali soluzioni sono necessarie per raggiungere determinati scopi insoliti per i magneti: nella produzione di prodotti pubblicitari, nella produzione di adesivi per auto rimovibili, nonché nella produzione di vari articoli di cartoleria e souvenir.

Interazione dei magneti

Come i poli dei magneti si respingono e diversamente dai poli si attraggono. L'interazione dei magneti è spiegata dal fatto che ogni magnete ha un campo magnetico e questi campi magnetici interagiscono tra loro. Ad esempio, qual è la ragione della magnetizzazione del ferro?

Secondo l'ipotesi dello scienziato francese Ampere, all'interno della sostanza ci sono correnti elettriche elementari (Ampere correnti), che si formano a causa del movimento degli elettroni attorno ai nuclei degli atomi e attorno al proprio asse.

I campi magnetici elementari derivano dal movimento degli elettroni.E se un pezzo di ferro viene introdotto in un campo magnetico esterno, allora tutti i campi magnetici elementari in questo ferro sono orientati allo stesso modo in un campo magnetico esterno, formando il proprio campo magnetico da un pezzo di ferro. Quindi, se il campo magnetico esterno applicato fosse abbastanza forte, una volta spento, il pezzo di ferro diventerebbe un magnete permanente.

Conoscere la forma e la magnetizzazione di un magnete permanente consente di sostituire i calcoli con un sistema equivalente di correnti elettriche di magnetizzazione. Tale sostituzione è possibile sia quando si calcolano le caratteristiche del campo magnetico sia quando si calcolano le forze che agiscono sul magnete dal campo esterno.

Ad esempio, calcoliamo la forza di interazione di due magneti permanenti. Lascia che i magneti abbiano la forma di cilindri sottili, i loro raggi saranno indicati con r1 e r2, gli spessori sono h1, h2, gli assi dei magneti coincidono, la distanza tra i magneti sarà indicata con z, assumeremo che è molto più grande della dimensione dei magneti.

L'aspetto della forza di interazione tra i magneti è spiegato in modo tradizionale: un magnete crea un campo magnetico che agisce sul secondo magnete.

Per calcolare la forza di interazione, sostituiamo mentalmente i magneti uniformemente magnetizzati J1 e J2 con correnti circolari che scorrono sulla superficie laterale dei cilindri. Le forze di queste correnti saranno espresse in termini di magnetizzazione dei magneti e i loro raggi saranno considerati uguali ai raggi dei magneti.

Scomponiamo il vettore di induzione B del campo magnetico creato dal primo magnete al posto del secondo in due componenti: assiale, diretta lungo l'asse del magnete, e radiale, perpendicolare ad esso.

Per calcolare la forza totale agente sull'anello è necessario suddividerla mentalmente in piccoli elementi Idl e sum Ampereagendo su ciascuno di questi elementi.

Usando la regola a sinistra, è facile dimostrare che la componente assiale del campo magnetico dà origine a forze Ampere che tendono ad allungare (o comprimere) l'anello: la somma vettoriale di queste forze è zero.

La presenza della componente radiale del campo porta alla comparsa di forze Ampere dirette lungo l'asse dei magneti, cioè alla loro attrazione o repulsione. Resta da calcolare le forze Ampere: queste saranno le forze di interazione tra i due magneti.

Guarda anche:L'uso dei magneti permanenti nell'ingegneria elettrica e nell'energia