Трајни магнети, њихов опис и принцип рада

26. 3. 2019.

Уз трљање јантара електрифицираним комадима јантара, стални магнети за древне људе били су први материјални доказ електромагнетних феномена (муња у зору историје дефинитивно се односила на сферу испољавања нематеријалних сила). Објашњење природе феромагнетизма одувек су заузимали знатижељни умови научника, али чак и сада физичка природа сталне магнетизације одређених супстанци, како природних тако и умјетно створених, још није у потпуности разоткривена, остављајући значајно поље дјеловања модерним и будућим истраживачима. трајни магнети

Традиционални материјали за трајне магнете

Активно се користе у индустрији од 1940. године са изгледом легуре Алницо (АлНиЦо). Пре тога, трајни магнети различитих врста челика коришћени су само у компасима и магнетима. Алнико је омогућио замјену електромагнета и њихово кориштење у уређајима као што су мотори, генератори и звучници.

Њихов продор у наш свакодневни живот добио је нови замах стварањем феритних магнета, и од тада су трајни магнети постали уобичајена појава.

Револуција у магнетним материјалима почела је око 1970. године, стварањем породице самаријум-кобалт чврстих магнетних материјала са невиђеном густином магнетне енергије. Тада је откривена нова генерација магнета ријетких земаља на бази неодимијума, гвожђа и бора са много већом густином магнетне енергије него самаријум-кобалт (СмЦо) и са очекиваним ниским трошковима. Ове две породице магнета ретке земље имају тако високе густине енергије да не само да могу да замене електромагнете, већ да се користе у подручјима која су за њих недоступна. Примери укључују мали корачни мотор са сталним магнетом у ручном сату и звучнике у Валкман слушалицама.

Постепено побољшање магнетних својстава материјала приказано је на доњем дијаграму. трајни магнети

Неодимијумски стални магнети

Они представљају најновије и најзначајније достигнуће у овој области током протеклих деценија. По први пут, њихово откриће је скоро истовремено објављено крајем 1983. године од стране стручњака за метал из Сумитома и Генерал Моторса. Засновани су на интерметалном једињењу НдФеБ: легура неодимијума, гвожђа и бора. Од тога, неодимијум је ретко-земаљски елемент екстрахован из минералног моназита.

Огроман интерес који је изазвао ове сталне магнете настао је јер је по први пут добивен нови магнетни материјал, који је не само јачи од претходне генерације, већ и економичнији. Састоји се углавном од гвожђа, које је много јефтиније од кобалта, и од неодимијума, који је један од најчешћих ретких земљаних материјала, и има више резерви на Земљи од олова. Главни минерали ријетких земаља моназита и бастанесита садрже пет до десет пута више неодимијума од самаријума.

Физички механизам трајне магнетизације

Да бисмо објаснили функционисање перманентног магнета, морамо погледати унутар њега до атомске скале. Сваки атом има скуп спинова својих електрона, који заједно формирају његов магнетни моменат. За наше потребе, можемо третирати сваки атом као мали магнет. Када је трајни магнет демагнетизовани (или загрејавањем до високе температуре или спољашњим магнетним пољем), сваки атомски моменат је насумично оријентисан (види слику испод) и не примећује се правилност. магнетна поља трајних магнета

Када се магнетизира у јаком магнетном пољу, сви атомски моменти су оријентисани у правцу поља и, као што су, закључани у "брави" један са другим (види слику испод). Ова спојница вам омогућава да сачувате поље перманентног магнета приликом уклањања спољашњег поља, а такође и отпорност на демагнетизацију при промени његовог правца. Мера кохезивне силе атомских момената је величина коерцитивне силе магнета. Више о овоме касније. магнетна поља трајних магнета

Са дубљим приказом механизма магнетизације, они не функционишу са концептима атомских момената, већ користе концепте минијатурних (око 0.001 цм) подручја унутар магнета, који у почетку имају константну магнетизацију, али су насумично оријентисани у одсуству спољашњег поља, тако да је строга механизам није за магнет као целину. и на његов одвојени домен.

Индукција и магнетизација

Атомски моменти се сабирају и формирају магнетни моменат читавог перманентног магнета, а његова магнетизација М означава величину тог момента по јединици волумена. Магнетна индукција Б показује да је перманентни магнет резултат спољашње магнетне силе (јакости поља) Х примењене током примарне магнетизације, као и унутрашње магнетизације М услед оријентације атомских (или доменских) момената. Његова вредност се обично даје формулом:

Б = µ 0 (Х + М),

где је µ 0 константа.

У константном прстену и једноличном магнету, јачина поља Х унутар њега (у одсуству спољашњег поља) је нула, јер је према закону укупне струје, интеграл тога дуж било ког круга унутар таквог језгра једнак:

Х π 2πР = ив = 0, одакле Х = 0.

Дакле, магнетизација у прстенастом магнету:

М = Б / µ 0 .

У отвореном магнету, на пример, у истом прстенастом, али са ваздушним размаком ширине л зазора у језгру дужине л сер , у одсуству спољашњег поља и исте индукције Б унутар језгра и у размаку према закону укупне струје добијамо:

Х сер л сер + (1 / µ 0 ) Бл Заз = ив = 0.

Пошто је Б = µ 0сер + М сер ), онда, замењујући његово изражавање претходном, добијамо:

Х серсер + л заз ) + М сер л заз = 0,

или

Х сер = ─ М сер л зазсер + л заз ).

У ваздушном процепу:

Х ЗАЗ = Б / µ 0 ,

штавише, Б је одређен датим М сер и нађен је Х сер .

Кривуља магнетизације

Почевши од немагнетизованог стања, када се Х повећава од нуле, услед оријентације свих атомских момената у правцу спољашњег поља, М и Б брзо се повећавају, мењајући се дуж “а” дела главне криве магнетизације (види слику испод). магнетно поље

Када су сви атомски моменти поравнати, М долази до своје вредности засићења, а даље повећање Б је искључиво због примењеног поља (одељак б главне криве на слици испод). Када се спољно поље смањи на нулу, индукција Б се смањује не дуж првобитне стазе, већ дуж секције “ц” због спајања атомских момената, који теже да их држе у истом правцу. Крива магнетизације почиње да описује такозвану петљу хистерезе. Када се Х (спољашње поље) приближава нули, индукција се приближава резидуалној вредности коју одређују само атомски моменти:

У р = μ 0 (0 + М г ).

Након промене правца Х, Х и М делују у супротним правцима, а Б се смањује (део кривуље "д" на слици). Вредност поља на коме је Б редукована на нулу назива се коерцитивна сила магнета Б Х Ц. Када је величина примењеног поља довољно велика да разбије адхезију атомских момената, они су оријентисани у новом правцу поља, а правац М је обрнут. Вредност поља у коме се то дешава назива се унутрашња коерцибилна сила перманентног магнета М Х Ц. Дакле, постоје две различите, али повезане силе присиле повезане са сталним магнетом.

На доњој слици приказане су главне кривуље демагнетизације различитих материјала за трајне магнете. магнетно поље То показује да је највећа резидуална индукција Б р и коерцибилна сила (и пуна и унутрашња, тј. Одређена без узимања у обзир интензитета Х, само магнетизацијом М) управо НдФеБ магнети.

Површинске (ампер) струје

Магнетна поља перманентних магнета могу се посматрати као поља неких струја које су повезане са њима, које тече дуж њихових површина. Ове струје се зову Ампере. У уобичајеном смислу те речи, не постоје струје унутар трајних магнета. Међутим, поредећи магнетна поља трајних магнета и поља струја у завојницама, француски физичар Ампере је сугерисао да се магнетизација супстанце може објаснити протоком микроскопских струја које формирају микроскопске затворене контуре. Заиста, аналогија између поља соленоида и дугог цилиндричног магнета је готово завршена: постоји северни и јужни пол сталног магнета и исти полови соленоида, а слике линија поља њихових поља су такође веома сличне (види слику испод). стални магнетни пол

Постоје ли струје унутар магнета?

Замислимо да је целокупна запремина одређеног сталног магнета (са произвољним обликом попречног пресека) испуњена микроскопским амперима. Попречни пресек магнета са таквим струјама је приказан на слици испод. струја сталног магнета Сваки од њих има магнетни моменат. Са истом оријентацијом у смеру спољног поља, они формирају магнетни момент који није резултат нуле. Он одређује постојање магнетног поља у очигледном одсуству уредног кретања набоја, у одсуству струје кроз било који део магнета. Такође је лако разумети да се унутар њега надокнађују струје сусједних (сусједних) кругова. Некомпензовани су само струје на површини тела, које формирају површину ДЦ цуррент магнет. Његова густина је једнака магнетизацији М.

Како се ријешити покретних контаката

Познати проблем стварања бесконтактне синхроне машине. Његов традиционални дизајн са електромагнетним побуђивањем од полова ротора са завојницама подразумева снабдевање њима струје кроз покретне контакте - контактне прстене са четкама. Недостаци овог техничког рјешења су добро познати: тешкоће у одржавању, ниска поузданост и велики губици у покретним контактима, посебно када је ријеч о снажним турбо и хидрогенераторима, у узбудним круговима код којих се троши значајна електрична енергија.

Ако направите такав генератор са перманентним магнетима, проблем са контактом се одмах губи. Истина, појављује се проблем поузданог причвршћивања магнета на ротирајући ротор. Искуство стечено у индустрији трактора може бити корисно. Одавно се користи индукторски генератор са сталним магнетима, који се налази у отворима ротора, напуњен легуром ниског талишта. генератор са перманентним магнетима

Мотор са сталним магнетом

Последњих деценија, вентилска врата су постала широко распрострањена. дц моторс. Таква јединица је сам мотор и електронски прекидач његовог арматурног намота, који служи као колектор. Мотор је синхрони мотор на перманентним магнетима који се налазе на ротору, као на сл. изнад, са фиксним намотом арматуре на статору. Електронски прекидач је претварач истосмјерног напона (или струје) мреже. мотор са перманентним магнетима

Главна предност овог мотора је његов бесконтактни контакт. Његов специфичан елемент је фото, индукциони сензор или сензор положаја ротора Халл који контролише рад претварача.