Kalıcı mıknatıslar — türleri ve özellikleri, biçimleri, mıknatısların etkileşimi

kalıcı mıknatıs nedir

Dış manyetik alanın kaldırılmasından sonra önemli artık mıknatıslanmayı koruyabilen bir ferromanyetik ürüne kalıcı mıknatıs denir.

Kalıcı mıknatıslar, kobalt, demir, nikel, nadir toprak alaşımları (neodimiyum mıknatıslar için) gibi çeşitli metallerin yanı sıra manyetit gibi doğal minerallerden yapılır.

Kalıcı mıknatısların uygulama alanı günümüzde çok geniştir, ancak amaçları temelde her yerde aynıdır — güç kaynağı olmadan kalıcı bir manyetik alan kaynağı olarak… Böylece bir mıknatıs, kendine ait bir cisimdir. manyetik alan.

"Mıknatıs" kelimesinin kendisi, şu şekilde tercüme edilen Yunanca ifadeden gelir: Antik çağlarda manyetik bir demir cevheri olan manyetit yataklarının keşfedildiği Asya şehrinin adını taşıyan "Magnesia Taşı"... Fiziksel bir bakış açısından, temel bir mıknatıs bir elektrondur ve mıknatısların manyetik özellikleri genellikle mıknatıslanmış malzemeyi oluşturan elektronların manyetik momentleri tarafından belirlenir.

Kalıcı mıknatıs bir parçadır elektrikli ürünlerin manyetik sistemleri… Kalıcı mıknatıslı cihazlar genellikle enerji dönüşümüne dayalıdır:

• mekanikten mekaniğe (ayırıcılar, manyetik konektörler, vb.);

• mekanikten elektromanyetike (elektrik jeneratörleri, hoparlörler, vb.);

• elektromanyetikten mekaniğe (elektrik motorları, hoparlörler, manyetoelektrik sistemler, vb.);

• mekanikten dahiliye (fren cihazları, vb.).

Kalıcı mıknatıslar için aşağıdaki gereksinimler geçerlidir:

• yüksek özgül manyetik enerji;

• belirli bir alan gücü için minimum boyutlar;

• çok çeşitli çalışma sıcaklıklarında performansın korunması;

• harici manyetik alanlara direnç; — teknoloji;

• düşük hammadde maliyeti;

• manyetik parametrelerin zaman içindeki kararlılığı.

Kalıcı mıknatısların yardımıyla çözülen görevlerin çeşitliliği, uygulamalarının birçok biçiminin oluşturulmasını gerektirir Kalıcı mıknatıslar genellikle bir at nalı şeklindedir ("at nalı" mıknatıslar olarak adlandırılır).

Şekil, koruyucu kaplamalı nadir toprak elementlerine dayanan endüstriyel olarak üretilen kalıcı mıknatıs formlarının örneklerini göstermektedir.

Çeşitli şekillerde ticari olarak üretilen kalıcı mıknatıslar: a — disk; getirmek; c - paralel yüzlü; g — silindir; d — top; e - içi boş bir silindirin sektörü

Mıknatıslar ayrıca sert manyetik metal alaşımlarından ve ferritlerden yuvarlak ve dikdörtgen çubuklar şeklinde üretildiği gibi boru şeklinde, C şeklinde, at nalı şeklinde, dikdörtgen plakalar vb. şeklinde de üretilirler.

Malzeme şekillendirildikten sonra mıknatıslanmalıdır, yani harici bir manyetik alana yerleştirilmelidir, çünkü kalıcı mıknatısların manyetik parametreleri yalnızca şekilleri veya yapıldıkları malzeme ile değil, aynı zamanda yönü ile de belirlenir. manyetizasyon.

İş parçaları, kalıcı mıknatıslar, DC elektromıknatıslar veya içinden akım darbelerinin geçtiği mıknatıslama bobinleri kullanılarak mıknatıslanır. Mıknatıslanma yönteminin seçimi kalıcı mıknatısın malzemesine ve şekline bağlıdır.

Güçlü ısınma, darbeler sonucunda kalıcı mıknatıslar manyetik özelliklerini kısmen veya tamamen kaybedebilir (manyetikliği giderme).

Manyetikliği giderme bölümünün özellikleri manyetik histerezis döngüleri Kalıcı bir mıknatısın yapıldığı malzeme, belirli bir kalıcı mıknatısın özelliklerini belirler: Hc zorlayıcı kuvvet ne kadar yüksekse ve artık değer o kadar yüksek olur manyetik indüksiyon Br — daha güçlü ve daha kararlı mıknatıs.

Baskıcı güç (kelimenin tam anlamıyla Latince'den çevrilmiştir - "tutma kuvveti") - manyetik polarizasyonda bir değişikliği önleyen bir kuvvet ferromıknatıslar.

Ferromıknatıs kutuplanmadığı, yani elementer akımlar yönlenmediği sürece, zorlayıcı kuvvet elementer akımların yönlenmesini engeller. Ancak ferromanyet zaten polarize olduğunda, dış mıknatıslanma alanı kaldırıldıktan sonra bile temel akımları yönlendirilmiş bir konumda tutar.

Bu, birçok ferromanyetlerde görülen artık manyetizmayı açıklar. Zorlayıcı kuvvet ne kadar büyükse, artık manyetizma fenomeni o kadar güçlüdür.

Yani zorlayıcı güç manyetik alan kuvvetiferro- veya ferrimanyetik bir maddenin tamamen manyetikliği giderilmesi için gereklidir. Bu nedenle, belirli bir mıknatıs ne kadar zorlayıcı ise, manyetikliği giderici faktörlere karşı o kadar dirençlidir.

Zorlayıcı kuvvetin bir ölçü birimi kuzeydoğuda — Amper / metre. A manyetik indüksiyon, bildiğiniz gibi, manyetik alanın bir kuvvet özelliği olan bir vektör miktarıdır. Kalıcı mıknatısların artık manyetik indüksiyonunun karakteristik değeri 1 Tesla mertebesindedir.

Manyetik histerezis - Mıknatısların polarizasyonunun etkilerinin varlığı, manyetik malzemenin mıknatıslanmasının ve demanyetizasyonunun düzensiz bir şekilde ilerlemesine neden olur, çünkü malzemenin mıknatıslanması her zaman mıknatıslanma alanının biraz gerisinde kalır.

Bu durumda, vücudu mıknatıslamak için harcanan enerjinin bir kısmı demanyetizasyon sırasında geri gönderilmez, ısıya dönüşür. Bu nedenle, malzemenin manyetizasyonunu tekrar tekrar tersine çevirmek, fark edilebilir enerji kayıplarıyla ilişkilidir ve bazen manyetize edilmiş gövdenin güçlü bir şekilde ısınmasına neden olabilir.

Malzemedeki histerezis ne kadar belirgin olursa, manyetizasyon tersine çevrildiğinde malzemedeki kayıp o kadar büyük olur. Bu nedenle, alternatif manyetik akıya sahip manyetik devreler için histerezisi olmayan malzemeler kullanılır (bkz. Elektrikli cihazların manyetik çekirdekleri).

Kalıcı mıknatısların manyetik özellikleri, zamanın ve aşağıdakileri içeren dış faktörlerin etkisi altında değişebilir:

• sıcaklık;

• manyetik alanlar;

• mekanik yükler;

• radyasyon vb.

Manyetik özelliklerdeki değişiklik, yapısal veya manyetik olabilen kalıcı mıknatısın kararsızlığı ile karakterize edilir.

Yapısal kararsızlık, kristal yapıdaki değişiklikler, faz dönüşümleri, iç gerilimlerin azalması vb. ile ilişkilidir. Bu durumda, orijinal manyetik özellikler yapının eski haline getirilmesiyle (örneğin, malzemenin ısıl işlemiyle) elde edilebilir.

Manyetik kararsızlık, zamanla ve dış etkilerin etkisiyle termodinamik dengeye yönelen manyetik maddenin manyetik yapısının değişmesinden kaynaklanır. Manyetik kararsızlık şunlar olabilir:

• tersine çevrilebilir (başlangıç ​​koşullarına dönüş, orijinal manyetik özellikleri geri yükler);

• geri döndürülemez (orijinal özelliklerin geri dönüşü yalnızca tekrarlanan mıknatıslanma ile elde edilebilir).

Kalıcı mıknatıs veya elektromıknatıs - hangisi daha iyi?

Eşdeğer elektromıknatıslar yerine kalıcı bir manyetik alan oluşturmak için kalıcı mıknatısların kullanılması şunları sağlar:

• ürünlerin ağırlık ve boyut özelliklerini azaltmak;

• ek enerji kaynaklarının kullanımını hariç tutar (ürünlerin tasarımını basitleştirir, üretim ve işletme maliyetlerini azaltır);

• çalışma koşullarında (kullanılan malzemeye bağlı olarak) manyetik alanı korumak için neredeyse sınırsız bir süre sağlar.

Kalıcı mıknatısların dezavantajları şunlardır:

• yaratılışlarında kullanılan malzemelerin kırılganlığı (bu, ürünlerin mekanik olarak işlenmesini zorlaştırır);

• nem ve küfün etkisine (ferritler için GOST 24063) ve ayrıca yüksek nem ve sıcaklığın etkisine karşı koruma ihtiyacı.

Kalıcı mıknatısların türleri ve özellikleri

ferrit

Ferrit mıknatıslar kırılgan olmalarına rağmen iyi korozyon direncine sahiptir ve bu da onları düşük maliyetle en yaygın hale getirir. Bu mıknatıslar, baryum veya stronsiyum ferrit ile bir demir oksit alaşımından yapılmıştır. Bu bileşim, malzemenin manyetik özelliklerini geniş bir sıcaklık aralığında - -30 ° C ila + 270 ° C arasında tutmasını sağlar.

Ferrit halka, çubuk ve at nalı şeklindeki manyetik ürünler hem endüstride hem de günlük hayatta, teknoloji ve elektronikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Hoparlör sistemlerinde kullanılırlar, jeneratörlerde, DC motorlarda… Otomotiv endüstrisinde marş motorlarına, camlara, soğutma sistemlerine ve fanlara ferrit mıknatıslar takılır.

Ferrit mıknatıslar, yaklaşık 200 kA/m'lik bir zorlayıcı kuvvet ve yaklaşık 0,4 Tesla'lık bir artık manyetik indüksiyon ile karakterize edilir. Ortalama olarak, bir ferrit mıknatıs 10 ila 30 yıl dayanabilir.

Alnico (alüminyum-nikel-kobalt)

Alüminyum, nikel ve kobalt alaşımına dayanan kalıcı mıknatıslar, eşsiz sıcaklık kararlılığı ve kararlılığı ile karakterize edilir: zorlayıcı kuvvetleri nispeten küçük olmasına rağmen, manyetik özelliklerini + 550 ° C'ye kadar sıcaklıklarda koruyabilirler. Nispeten küçük bir manyetik alanın etkisi altında, bu tür mıknatıslar orijinal manyetik özelliklerini kaybederler.

Kendinize hakim olun: tipik bir zorlayıcı kuvvet, yaklaşık 0,7 Tesla'lık bir artık mıknatıslanma ile yaklaşık 50 kA / m'dir. Bu özelliğine rağmen alniko mıknatıslar bazı bilimsel araştırmaların vazgeçilmezidir.

Yüksek manyetik özelliklere sahip alniko alaşımlarındaki bileşenlerin tipik içeriği şu sınırlar içinde değişir: alüminyum — %7 ila 10, nikel — %12 ila 15, kobalt — %18 ila 40 ve %3 ila 4 bakır.

Daha fazla kobalt, alaşımın doygunluk indüksiyonu ve manyetik enerjisi o kadar yüksek olur. %2 ila %8 titanyum ve yalnızca %1 niyobyum şeklindeki katkı maddeleri, 145 kA/m'ye kadar daha yüksek bir zorlama kuvveti elde etmeye katkıda bulunur. %0,5 ila %1 silikon ilavesi, izotropik manyetik özellikler sağlar.

Samiriye

Korozyona, oksidasyona ve + 350 ° C'ye kadar sıcaklıklara karşı olağanüstü bir dirence ihtiyacınız varsa, ihtiyacınız olan şey kobaltlı bir samaryum manyetik alaşımıdır.

Belirli bir fiyata, samaryum-kobalt mıknatıslar, daha az bulunan ve daha pahalı bir metal olan kobalt nedeniyle neodimyum mıknatıslardan daha pahalıdır. Yine de nihai ürünlerin boyutlarının ve ağırlığının minimum olması gerekiyorsa bunların kullanılması tavsiye edilir.

Bu, en çok uzay araçlarında, havacılık ve bilgisayar teknolojisinde, minyatür elektrik motorlarında ve manyetik kaplinlerde, giyilebilir ve cihazlarda (saatler, kulaklıklar, cep telefonları vb.)

Korozyona karşı özel direnci nedeniyle stratejik geliştirme ve askeri uygulamalarda kullanılan samaryum mıknatıslardır. Elektrik motorları, jeneratörler, kaldırma sistemleri, motorlu taşıtlar - samaryum-kobalt alaşımından yapılmış güçlü bir mıknatıs, agresif ortamlar ve zorlu çalışma koşulları için idealdir. Zorlayıcı kuvvet 700 kA/m mertebesindedir ve 1 Tesla mertebesinde artık manyetik indüksiyon vardır.

neodimyum

Neodimyum mıknatıslar bugün büyük talep görüyor ve en umut verici görünüyor. Neodimyum-demir-bor alaşımı, kilitler ve oyuncaklardan elektrik jeneratörlerine ve güçlü kaldırma makinelerine kadar çeşitli uygulamalar için süper mıknatıslar oluşturmanıza olanak tanır.

Yaklaşık 1000 kA / m'lik yüksek bir zorlayıcı kuvvet ve yaklaşık 1,1 Tesla'lık artık mıknatıslanma, mıknatısın uzun yıllar korunmasına izin verir, 10 yıl boyunca, çalışma koşulları altındaki sıcaklığı geçmezse, bir neodimyum mıknatıs mıknatıslanmasının yalnızca% 1'ini kaybeder. +80°C (bazı markalar için +200°C'ye kadar). Bu nedenle, neodimyum mıknatısların yalnızca iki dezavantajı vardır - kırılganlık ve düşük çalışma sıcaklığı.

manyetoplastlar

Manyetik toz, bağlayıcı ile birlikte yumuşak, esnek ve hafif bir mıknatıs oluşturur. Vinil, kauçuk, plastik veya akrilik gibi yapıştırma bileşenleri, mıknatısların çeşitli şekil ve boyutlarda üretilmesine olanak tanır.

Manyetik kuvvet, elbette, saf manyetik malzemeden daha düşüktür, ancak bazen bu tür çözümler, mıknatıslar için bazı alışılmadık amaçlara ulaşmak için gereklidir: reklam ürünlerinin üretiminde, çıkarılabilir araba çıkartmaları üretiminde ve ayrıca üretiminde. çeşitli kırtasiye ve hediyelik eşyalar.

mıknatısların etkileşimi

Mıknatısların kutuplarının birbirini ittiği gibi, kutuplarının aksine çeker. Mıknatısların etkileşimi, her mıknatısın bir manyetik alana sahip olması ve bu manyetik alanların birbiriyle etkileşmesi ile açıklanır. Örneğin, demirin mıknatıslanmasının nedeni nedir?

Fransız bilim adamı Ampere'nin hipotezine göre, maddenin içinde temel elektrik akımları vardır (Amper akımları), elektronların atom çekirdeği etrafında ve kendi eksenleri etrafında hareket etmesi nedeniyle oluşur.

Temel manyetik alanlar elektronların hareketinden kaynaklanır.Ve eğer bir dış manyetik alana bir demir parçası sokulursa, o zaman bu demirdeki tüm temel manyetik alanlar, bir demir parçasından kendi manyetik alanını oluşturan bir dış manyetik alana aynı şekilde yönlendirilir. Yani uygulanan dış manyetik alan yeterince güçlüyse, kapattığınızda demir parçası kalıcı bir mıknatıs olur.

Kalıcı bir mıknatısın şeklini ve mıknatıslanmasını bilmek, hesaplamaların eşdeğer bir elektrik mıknatıslama akımları sistemi ile değiştirilmesine izin verir. Böyle bir değiştirme, hem manyetik alanın özelliklerini hesaplarken hem de mıknatısa dış alandan etki eden kuvvetleri hesaplarken mümkündür.

Örneğin, iki sabit mıknatısın etkileşim kuvvetini hesaplayalım. Mıknatıslar ince silindir şeklinde olsun, yarıçapları r1 ve r2 ile gösterilecek, kalınlıkları h1, h2, mıknatısların eksenleri çakışıyor, mıknatıslar arasındaki mesafe z ile gösterilecek, olduğunu varsayacağız mıknatısların boyutundan çok daha büyüktür.

Mıknatıslar arasındaki etkileşim kuvvetinin görünümü geleneksel şekilde açıklanır: bir mıknatıs, ikinci mıknatısa etki eden bir manyetik alan yaratır.

Etkileşim kuvvetini hesaplamak için, zihinsel olarak eşit şekilde mıknatıslanmış mıknatıslar J1 ve J2'yi silindirlerin yan yüzeyinde akan dairesel akımlarla değiştiririz. Bu akımların güçleri mıknatısların mıknatıslanması cinsinden ifade edilecek ve yarıçapları mıknatısların yarıçaplarına eşit kabul edilecektir.

Birinci mıknatıs tarafından ikincinin yerine oluşturulan manyetik alanın indüksiyon vektörü B'yi iki bileşene ayıralım: eksenel, mıknatısın ekseni boyunca yönlendirilmiş ve radyal, ona dik.

Halkaya etki eden toplam kuvveti hesaplamak için, onu zihinsel olarak küçük öğelere ayırmak gerekir. İdl ve toplam Amperbu tür her eleman üzerinde hareket eder.

Soldaki kuralı kullanarak, manyetik alanın eksenel bileşeninin, halkayı germe (veya sıkıştırma) eğiliminde olan Amper kuvvetlerine yol açtığını göstermek kolaydır; bu kuvvetlerin vektörel toplamı sıfırdır.

Alanın radyal bileşeninin varlığı, mıknatısların ekseni boyunca yönlendirilen Amper kuvvetlerinin ortaya çıkmasına, yani bunların çekilmesine veya itilmesine yol açar. Amper kuvvetlerini hesaplamak için kalır - bunlar iki mıknatıs arasındaki etkileşim kuvvetleri olacaktır.

Ayrıca bakınız:Kalıcı mıknatısların elektrik mühendisliği ve enerjide kullanımı