Постоянни магнити, тяхното описание и принцип на действие

Заедно с триенето на кехлибар с електрифициращи парчета от кехлибар, постоянните магнити за древните хора са първите материални доказателства за електромагнитни явления (светкавицата в зората на историята определено се отнася до сферата на проявление на нематериални сили). Обяснението на природата на феромагнетизма винаги е било заето от любознателни умове на учените, но дори и сега физическата природа на постоянното намагнитване на определени вещества, както естествени, така и изкуствено създадени, все още не е напълно разкрита, оставяйки значителна сфера на дейност за съвременните и бъдещите изследователи.

Традиционни материали за постоянни магнити

Те се използват активно в промишлеността от 1940 г. с появата на сплавта Alnico (AlNiCo). Преди това постоянните магнити от различни видове стомана се използват само в компаси и магнито. Alniko направи възможно смяна на електромагнити и използването им в устройства като двигатели, генератори и високоговорители.

Тяхното проникване в нашето ежедневие получи нов тласък със създаването на феритни магнити и оттогава постоянните магнити станаха нещо обичайно.

Революцията в магнитните материали започва около 1970 г. със създаването на самарий-кобалтово семейство твърди магнитни материали с безпрецедентна плътност на магнитната енергия. След това беше открито ново поколение магнити на редки земя на основата на неодим, желязо и бор с много по-голяма плътност на магнитна енергия от тази на самарий-кобалт (SmCo) и с очакваните ниски разходи. Тези две семейства на редкоземни магнити имат толкова високи енергийни плътности, че не само могат да заменят електромагнитите, но и да се използват в области, недостъпни за тях. Примерите включват малък стъпков двигател с постоянен магнит в часовника и звукови преобразуватели в слушалките на Walkman.

Постепенното подобряване на магнитните свойства на материалите е представено на диаграмата по-долу.

Неодимови постоянни магнити

Те представляват най-новото и най-значимото постижение в тази област през последните десетилетия. За първи път откритието им беше обявено почти едновременно в края на 1983 г. от специалисти по метали от Sumitomo и General Motors. Те се основават на интерметалното съединение NdFeB: сплав от неодим, желязо и бор. От тях неодимът е редкоземен елемент, извлечен от минералния моназит.

Огромният интерес, който предизвика тези постоянни магнити, възниква, защото за първи път се получава нов магнитен материал, който е не само по-силен от предишното поколение, но и по-икономичен. Състои се главно от желязо, което е много по-евтино от кобалта, и от неодим, който е един от най-често срещаните редкоземни материали и има повече запаси на Земята от оловото. Основните редкоземни минерали на моназит и бастанезит съдържат пет до десет пъти повече неодим от самария.

Физически механизъм на постоянното намагнитване

За да обясним функционирането на постоянен магнит, трябва да погледнем вътре в нея до атомна скала. Всеки атом има набор от завъртания на своите електрони, които заедно образуват нейния магнитен момент. За нашите цели можем да третираме всеки атом като малък магнит. Когато постоянен магнит размагнетизирани (или чрез нагряване до висока температура или чрез външно магнитно поле), всеки атомен момент е ориентиран на случаен принцип (виж фигурата по-долу) и не се наблюдава закономерност.

Когато се намагнетизират в силно магнитно поле, всички атомни моменти са ориентирани по посока на полето и са заключени в "заключване" един с друг (виж фигурата по-долу). Това свързване ви позволява да запазите полето на постоянния магнит при премахване на външното поле и също така да устои на размагнитването при промяна на посоката му. Мярката на кохезионната сила на атомните моменти е величината на коерцитивната сила на магнита. Повече за това по-късно.

При по-дълбоко представяне на механизма за намагнитване те не работят с понятията за атомни моменти, а използват понятията за миниатюрни (около 0.001 см) области вътре в магнита, които първоначално имат постоянна намагнитване, но са ориентирани в отсъствието на външно поле по случаен начин, така че стриктно механизмът не е към магнита като цяло. и до неговия отделен домейн.

Индукция и намагнитване

Атомните моменти се сумират и образуват магнитния момент на целия постоянен магнит, а неговото намагнитване М показва величината на този момент за единица обем. Магнитна индукция В показва, че постоянният магнит е резултат от външна магнитна сила (сила на полето) H, приложена по време на първичното намагнитване, както и на вътрешното намагнитване М, дължащо се на ориентацията на атомните (или доменните) моменти. Нейната стойност обикновено се дава с формулата:

В = ц ₀ (Н + М),

където µ ₀ е константа.

При постоянен пръстен и равномерен магнит, силата на полето H вътре в нея (при отсъствие на външно поле) е нула, тъй като съгласно закона на тоталния ток интегралът от него по всеки кръг вътре в такова ядро ​​е равен на:

H π 2πR = iw = 0, откъдето H = 0.

Следователно, намагнитването в пръстеновидния магнит:

М = B / µ ₀ .

В отворен магнит, например в същия пръстеновиден, но с въздушна междина от ширина l междина в сърцевината с дължина l _ser , при отсъствие на външно поле и същата индукция B вътре в сърцевината и в процепа според закона на общия ток получаваме:

H _ser l _ser + (1 / µ ₀ ) Bl _Zaz = iw = 0.

Тъй като B = µ ₀ (H _ser + M _ser ), тогава, замествайки израза си с предишния, получаваме:

H _ser (l _ser + l _заз ) + M _ser l _zaz = 0,

или

H _ser = ─ M _ser l _zaz (l _ser + l _zaz ).

Във въздушната междина:

H _ZAZ = B / µ ₀ ,

освен това, В се определя от даденото М _ser и е намерено H _ser .

Крива на намагнитването

Започвайки от немагнитното състояние, когато Н нараства от нула, поради ориентацията на всички атомни моменти в посока на външното поле, М и Б бързо нарастват, променяйки се по "а" част от основната крива на намагнитване (виж фигурата по-долу).

Когато всички атомни моменти са подравнени, М достига стойността си на насищане и по-нататъшното увеличение на В се дължи единствено на приложеното поле (раздел б на основната крива на фигурата по-долу). Когато външното поле намалява до нула, индукцията Б намалява не по първоначалния път, а по протежение на участък "в", поради свързването на атомните моменти, които са склонни да ги държат в една и съща посока. Кривата на намагнитване започва да описва така наречената хистерезисна верига. Когато H (външно поле) се приближава до нула, индукцията се приближава до остатъчна стойност, определена само от атомни моменти:

В _r = μ ₀ (0 + M _g ).

След като се промени посоката на Н, Н и М действат в противоположни посоки, а В намалява (част от кривата "d" на фигурата). Стойността на полето, при което B се свежда до нула, се нарича коерцитивна сила на магнита _B H _C. Когато величината на приложеното поле е достатъчно голяма, за да прекъсне сцеплението на атомните моменти, те са ориентирани в новата посока на полето, а посоката М е обърната. Стойността на полето, в което това се случва, се нарича вътрешна коерцитивна сила на постоянния магнит _M H _C. Така че, има две различни, но свързани с това принудителни сили, свързани с постоянен магнит.

Фигурата по-долу показва основните криви на размагнитването на различни материали за постоянни магнити. Това показва, че най-голямата остатъчна индукция B _r и коерцитивната сила (както пълна, така и вътрешна, т.е. определена без отчитане на интензивността Н, само чрез намагнитване М) са точно магнитите на NdFeB.

Повърхностни (амперни) токове

Магнитните полета на постоянните магнити могат да се разглеждат като полета на някои от теченията, свързани с тях, протичащи по техните повърхности. Тези течения се наричат ​​Ампер. В обичайния смисъл на думата няма токове вътре в постоянните магнити. Въпреки това, сравнявайки магнитните полета на постоянните магнити и полетата на теченията в рулони, френският физик Ампер предлага, че намагнитването на дадено вещество може да се обясни с потока от микроскопични токове, които образуват микроскопични затворени контури. Наистина, аналогията между полето на соленоида и дългия цилиндричен магнит е почти завършена: има северен и южен полюс на постоянен магнит и същите полюси на соленоида, а снимките на линиите на полетата на техните полета също са много сходни (виж фигурата по-долу).

Има ли течения вътре в магнита?

Представете си, че целият обем на един постоянен магнит с произволно напречно сечение е запълнен с микроскопични амперни токове. Напречното сечение на магнита с такива токове е показано на фигурата по-долу. Всеки от тях има магнитен момент. Със същата ориентация по посока на външното поле, те образуват ненулев резултатния магнитен момент. Той определя наличието на магнитно поле при явното отсъствие на подредено движение на зарядите, при липса на ток през която и да е част на магнита. Също така е лесно да се разбере, че вътре в него се компенсират токове на съседни (съседни) вериги. Некомпенсирани са само теченията по повърхността на тялото, образуващи повърхност DC ток магнит. Нейната плътност е равна на намагнитването М.

Как да се отървете от движещите се контакти

Известен проблем за създаване на безконтактна синхронна машина. Традиционният му дизайн с електромагнитно възбуждане от полюсите на ротора с бобини включва подаването на ток към тях през подвижните контакти - контактни пръстени с четки. Недостатъците на това техническо решение са добре известни: те са трудности при поддържането, ниска надеждност и големи загуби в подвижните контакти, особено когато става дума за мощни турбо и хидрогенератори, в възбуждащите вериги, в които се изразходва значителна електрическа енергия.

Ако направите такъв генератор с постоянни магнити, проблемът с контакта веднага си отива. Вярно е, че се появява проблемът за надеждното закрепване на магнити върху въртящ се ротор. Тук опитът, придобит в тракторната индустрия, може да бъде полезен. От дълго време е използван индуктор генератор с постоянни магнити, разположени в процепите на ротора, запълнени с нископлавилен сплав.

Двигател с постоянен магнит

През последните десетилетия вентилните врати станаха широко разпространени. постояннотокови двигатели. Такова устройство е самият двигател и електронният превключвател на намотката на котвата, който служи като колектор. Двигателят е a синхронен двигател на постоянни магнити, разположени на ротора, както на фиг. по-горе, с фиксираната намотка на котвата върху статора. Електронната верига за превключване е постояннотоково напрежение на инвертора (или ток) на електрическата мрежа.

Основното предимство на този двигател е неговото безконтактно. Неговият специфичен елемент е фото, индукционен или сензор за положение на ротора на Хол, който контролира работата на инвертора.