Магнит принцип работы. Постоянные магниты: принцип действия, производство и использование

В электромагните магнитное поле порождается изменением электрического поля, либо за счёт движения проводника с постоянным током, либо за счёт протекания по проводнику переменного тока. В любом случае, при отключении тока магнитный эффект пропадает. Совсем другое дело - постоянный магнит. Никакого тока здесь и в помине нет. А магнитное поле есть.

Строгое объяснение принципа действия постоянного магнита невозможно без привлечения аппарата квантовой физики. Если же объяснять «на пальцах», то наиболее адекватное объяснение звучит следующим образом. Каждый электрон сам по себе является магнитом, обладает магнитным моментом - это его неотъемлемое физическое свойство. Если атомы, которым «принадлежат» электроны, в веществе ориентированы хаотично, то магнитные моменты электронов друг друга компенсируют и вещество магнитных свойств не проявляет. Если по какой-то причине атомы (хотя бы какая-то их часть) ориентируются в каком-то одном направлении, то магнитные свойства электронов складываются и вещество становится магнитом. Получается, что сильный магнит - это такой магнит, в котором много атомов ориентированы в одном направлении, и чем меньше атомов имеют одинаковую ориентацию, тем слабее получается магнит. Понятно также, что жидкости и газы магнитами в принципе быть не могут - ведь сохранять ориентацию атомы могут только в твёрдых телах.

Со временем магниты теряют свои свойства, но это происходит под действием внешних причин: внешнего магнитного поля, высокой температуры, механических повреждений. Притягивая какое-то тело, магнит затрачивает часть своей энергии на это притяжение и становится чуть-чуть менее сильным. Но когда вы отрываете это тело от магнита, он полностью возвращает себе потраченную энергию. Таким образом, суммарная механическая работа постоянного магнита остаётся нулевой, и теоретически магнит может сохранять свои свойства сколь угодно долгое время.

Производство и использование постоянных магнитов

Не смотря на то, что магниты были известны людям тысячи лет назад, их промышленное производство стало возможным только в двадцатом веке. Причём самые сильные постоянные магниты на основе неодимовых сплавов были изобретены только в 80-х годах прошлого века. А наиболее дешёвые и популярные из производимых сегодня магнитов - полимерные магнитные материалы, к числу которых относится, например, магнитный винил , так и вовсе были разработаны на рубеже второго и третьего тысячелетий.

Первое практическое использование постоянных магнитов относится к 12 веку и не потеряло актуальности до сих пор. Это использование магнитной стрелки в компасе. До начала массового производства магнитных материалов ни для чего другого магниты и не использовались (применение их в качестве игрушек или «лечебных» амулетов - не в счёт).

В современной же технике постоянные магниты используются повсеместно. Достаточно перечислить магнитные носители информации (от дисковых накопителей в вашем компьютере, до магнитной полосы в вашей пластиковой карте), микрофоны и динамики (постоянные магнитики есть и в звуковых колонках на вашем столе, и в вашем мобильном телефоне), в электродвигателях и генераторах (не во всех типах электродвигателей используются постоянные магниты, но, например, в вентиляторах в вашем компьютере они точно есть), в многочисленных электронных датчиках (задумывались ли вы, что именно такого типа датчик, например, не позволяет лифту начать движение при незакрытых дверях) и во множестве других устройств. Некоторые виды применения магнитов постепенно устаревают: так сегодня уже мало актуальны электронно-лучевые трубки, на основе которых ещё недавно выпускалось 100 % телевизоров и мониторов; постепенно сходят со сцены магнитные носители информации. Но в целом производство и применение постоянных магнитов растёт с каждым годом.

Для того чтобы ответить на все эти вопросы, необходимо вначале дать определение самому магниту и понять его принцип. Магниты – это тела, обладающие способностью притягивать железные и стальные предметы и отталкивать некоторые другие благодаря действию своего магнитного поля. Силовые линии магнитного поля проходят с южного полюса магнита, а выходят с северного полюса. Постоянный или жесткий магнит постоянно создает сам свое магнитное поле. Электромагнит или мягкий магнит может создавать магнитные поля только в наличие магнитного поля и только на короткое время, пока находится в зоне действия того или иного магнитного поля. Электромагниты создают магнитные поля только в том случае, когда через провод катушки проходит электричество.

До недавнего времени, все магниты изготовлялись из металлических элементов или сплавов. Состав магнита и определял его мощность. Например:

Керамические магниты, подобны тем, что используются в холодильниках и для проведения примитивных экспериментов, содержат помимо керамических композиционных материалов также железную руду. Большинство керамических магнитов, также называемых железными магнитами, не обладают большой силой притягивания.

«Альнико магниты» состоят из сплавов алюминия, никеля и кобальта. Они мощнее керамических магнитов, но значительно слабее некоторых редких элементов.

Неодимовые магниты состоят из железа, бора и редко встречаемого в природе неодимового элемента.

Магниты кобальта-самария включают кобальт и редко встречающиеся в природе элементы самария. За последние несколько лет ученые также обнаружили магнитные полимеры, или так называемые пластичные магниты. Некоторые из них очень гибкие и пластичные. Однако, одни работают только при чрезвычайно низких температурах, а другие могут поднимать только очень легкие материалы, например, металлические опилки. Но чтобы обладать свойствами магнита, каждому из этих металлов нужна сила.

Создание магнитов

Где-то в 12-ом веке люди обнаружили, что с помощью железняка можно намагничивать частицы железа – так люди создали компас. Также они заметили, что если постоянно проводить магнитом вдоль железной иглы, то происходит намагничивание иголки. Саму иголку тянет в северо-южном направлении. Позже, известный ученый Уильям Гилберт объяснил, что движение намагниченной иглы в северо-южном направление происходит за счет того, что наша планета Земля очень напоминает огромный магнит с двумя полюсами – северным и южным полюсом. Стрелка компаса не настолько сильная как многие перманентные магниты, используемые в наше время. Но физический процесс, который намагничивает стрелки компаса и куски неодимового сплава, практически одинаков. Все дело в микроскопических областях, называемых магнитными доменами, которые являются частью структуры ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт и никель. Каждый домен представляет собой крошечный, отдельный магнит с северным и южным полюсом. В ненамагниченных ферромагнитных материалах каждый из северных полюсов указывает в различные направления. Магнитные домены, направленные в противоположных направлениях, уравновешивают друг друга, поэтому сам материал не производит магнитное поле.

В магнитах, с другой стороны, практически все или, по крайней мере, большая часть магнитных доменов направлены в одну сторону. Вместо того, чтобы уравновешивать друг друга, микроскопические магнитные поля объединяются вместе, чтобы создать одно большое магнитное поле. Чем больше доменов указывает в одном направление, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле каждого домена проходит от его северного полюса и до южного полюса.

Это объясняет, почему, если разломить магнит напополам, получается два маленьких магнита с северными и южными полюсами. Это также объясняет, почему противоположные полюса притягивают – силовые линии выходят из северного полюса одного магнита и проникают в южный полюс другого, в результате чего металлы притягиваются и получается один больший магнит. По такому же принципу происходит отталкивание – силовые линии двигаются в противоположных направлениях, и в результате такого столкновения магниты начинают отталкиваться друг от друга.

Создание Магнитов

Поместить металл в сильное магнитное поле в северо-южном направлении. -- Двигать магнит в северо-южном направлении, постоянно ударяя по нему молотком, выравнивая его магнитные домены. -- Пропустить через магнит электрический ток.

Ученые предполагают, что два из этих методов объясняют то, как естественные магниты формируются в природе. Другие же ученые утверждают, что магнитный железняк становится магнитом только в том случае, когда его ударяет молния. Третьи же считают, что железняк в природе превратился в магнит еще в момент формирования Земли и сохранился до наших дней.

Наиболее распространенным способом изготовления магнитов на сегодняшний день считается процесс помещения металла в магнитное поле. Магнитное поле вращается вокруг данного объекта и начинает выравнивать все его домены. Однако в этот момент может возникнуть отставание в одном из этих связанных между собой процессов, что называется гистерезисом. На то, чтобы заставить домены поменять свое направление в одну сторону, может уйти несколько минут. Вот что происходит во время этого процесса: Магнитные области начинают вращаться, выстраиваясь в линию вдоль северо-южной линии магнитного поля.

Области, которые уже направлены в северо-южном направлении становятся больше, в то время как окружающие их области становятся меньше. Стены домена, границы между соседними доменами, постепенно расширяются, за счет чего сам домен увеличивается. В очень сильном магнитном поле некоторые стены домена полностью исчезают.

Получается, что мощность магнита зависит от количества силы, используемой для смены направления доменов. Прочность магнитов зависит от того, насколько трудно было выровнять эти домены. Материалы, которые трудно намагнитить, сохраняют свой магнетизм в течение более длинных периодов, в то время как материалы, которые легко поддаются намагничиванию, обычно быстроразмагничиваются.

Уменьшить силу магнита или размагнитить его полностью можно, если направить магнитное поле в противоположном направлении. Размагнитить материал можно также, если нагреть его до точки Кюри, т.е. температурной границы сегнетоэлектрического состояния, при которой материал начинает терять свой магнетизм. Высокая температура размагничивает материал и возбуждает магнитные частицы, нарушая равновесие магнитных доменов.

Транспортировка магнитов

Поэтому при транспортировке очень большие магниты помещают в специальные ящики или просто перевозят ферромагнитные материалы, из которых с помощью специального оборудования изготовляют магниты. По сути дела, таким оборудованием является простой электромагнит.

Почему магниты «липнут» друг к другу?

Из занятий по физике Вам вероятно известно, что когда электрический ток проходит по проволоке, он создает магнитное поле. В постоянных магнитах магнитное поле также создается за счет движения электрического заряда. Но магнитное поле в магнитах образуется не из-за движения тока по проводам, а за счет движения электронов.

Многие люди считают, что электроны это крошечные частицы, которые вращаются вокруг ядра атома, словно планеты вращаются вокруг солнца. Но как объясняют квантовые физики, движение электронов значительно сложнее этого. Во-первых, электроны заполняют раковинообразные орбитали атома, где они ведут себя и как частицы и как волны. Электроны имеют заряд и массу, а также могут двигаться в разных направлениях.

И хотя электроны атома не перемещаются на большие расстояния, такого движения достаточно для того, чтобы создать крошечное магнитное поле. И поскольку спаренные электроны двигаются в противоположных направлениях, их магнитные поля уравновешивают друг друга. В атомах ферромагнитных элементов, наоборот, электроны не спарены и двигаются в одном направление. Например, у железа есть целых четыре несоединенных электрона, которые движутся в одну сторону. Поскольку у них нет сопротивляющихся полей, у этих электронов есть орбитальный магнитный момент. Магнитный момент – это вектор, который имеет свою величина и направленность.

В таких металлах как железо орбитальный магнитный момент заставляет соседние атомы выстраиваться вдоль северо-южных силовых линий. Железо, как и другие ферромагнитные материалы, имеют кристаллическую структуру. Когда они остывают после процесса литья, группы атомов с параллельной орбиты вращения выстраиваются в линию внутри кристаллической структуры. Так образуются магнитные домены.

Вы, возможно, заметили, что материалы, из которых получаются хорошие магниты, также способны притягивать сами магниты. Это происходит потому, что магниты притягивают материалы с непарными электронами, которые вращаются в одном направлении. Иными словами, качество, которое превращает металл в магнит также притягивает металл к магнитам. Многие другие элементы - диамагнитны – они состоят из неспаренных атомов, которые создают магнитное поле, слегка отталкивающее магнит. Несколько материалы совсем не взаимодействуют с магнитами.

Измерение магнитного поля

Измерить магнитное поле можно с помощью специальных инструментов, например, флюксметра. Описать его можно несколькими способами: -- Магнитные силовые линии измеряются в веберах (ВБ). В электромагнитных системах этот поток сравнивают с током.

Сила поля, или плотность потока, измеряется в Тесла (T) или в единице измерения гаусс (Гс). Один тесла равен 10 000 гаусс.

Напряженность поля можно также измерить в веберах на квадратный метр. -- Величина магнитного поля измеряется в амперах на метр или эрстедах.

Мифы о магните

Приборы отображения магнитного резонанса, работающие за счет магнитного поля, позволяют докторам исследовать внутренние органы пациентов. Также доктора используют электромагнитное импульсное поле для того, чтобы посмотреть правильно ли срастаются сломанные кости после удара. Подобное электромагнитное поле используется астронавтами, которые долгое время находятся в невесомости для того, чтобы предотвратить растяжение мышц и ломки костей.

Магниты также применяются в ветеринарной практики для лечения животных. Например, коровы часто страдают травматическим ретикулоперикардитисом, эта сложная болезнь, развивающаяся у этих животных, которые часто вместе с кормом заглатывают мелкие металлические предметы, которые могут повредить стенки желудка, легкие или сердце животного. Поэтому, часто перед кормлением коров опытные фермеры с помощью магнита очищают их пищу от мелких несъедобных деталей. Однако, если корова уже проглотила вредные металлы, то магнит дают ей вместе с едой. Длинные, тонкие алнико магниты, также называемые «коровьими магнитами», притягивают все металлы и не позволяют им причинить вред желудку коровы. Такие магниты действительно помогают вылечить больное животное, но все же лучше следить за тем, чтобы в коровью еду не попадало вредных элементов. Что касается людей, то им противопоказано глотать магниты, поскольку те, попав в разные части организма, все равно будут притягиваться, что может привести к блокированию кровяного потока и разрушению мягких тканей. Поэтому, когда человек глотает магнит, ему необходима операция.

Некоторые люди считают, что магнитная терапия – это будущее медицины, поскольку это один из наиболее простых, но эффективных методов лечения многих болезней. Многие люди уже на практике убедились в действии магнитного поля. Магнитные браслеты, ожерелья, подушки и многие другие подобные изделия лучше таблеток лечат самые разнообразные заболевания – от артрита и до рака. Некоторые врачи также считают, что стакан намагниченной воды в качестве профилактики может избавить от появления большинства неприятных недугов. В Америке ежегодно на магнитную терапию расходуется около 500 миллионов долларов, а люди во всем мире на такое лечение в среднем тратят 5 миллиардов долларов.

Сторонники магнитной терапии по-разному трактуют полезность этого метода лечения. Одни говорят, что магнит способен притягивать железо, содержащееся в гемоглобине в крови, тем самым улучшая кровообращение. Другие уверяют, что магнитное поле каким-то образом меняет структуру соседних клеток. Но в то же время проведенные научные исследования не подтвердили, что использование статических магнитов может избавить человека от боли или вылечить болезнь.

Некоторые сторонники также предлагают всем людям использовать магниты для очищения воды в домах. Как говорят сами производители, большие магниты могут очистить жесткую воду за счет того, что удалят из нее все вредные ферромагнитные сплавы. Однако, ученые говорят, что жесткой воду делают не ферромагниты. Более того два года использования магнитов на практике не показали никаких изменений в составе воды.

Но, даже не смотря на то, что магниты вряд ли обладают лечебным действием, они все равно стоят изучения. Кто знает, возможно, в будущем мы все же раскроем полезные свойства магнитов.

В широком смысле магнит представляет собой элемент, обладающий собственным магнитным полем . Это кусок стали или железной руды с примесями алюминия, кобальта и никеля. В состав магнита входит огромное число компонентов, которые называются доменами, у каждого из которых есть южный и северный полюс. В объединенном состоянии домены образуют единую магнитную массу с множеством сориентированных полюсов. Если домены находятся в беспорядочном состоянии, то они теряют свойство притягивать железо, а их магнитная сила теряется полностью.

Благодаря специфике соединения доменов, каждый магнит имеет два полюса – южный и северный. Если магнит разрезать, то их полярность также сохранится. Всего существует три разновидности магнитов: природные, электромагниты и временные магниты. Природные магниты – это железная руда. Временные – это элементы, которые подвержены влиянию магнитного поля (гвозди, скрепки, гайки, монеты). Электромагниты — это магниты с индукционной катушкой и проводимым через нее электрическим током.

Почему магниты притягивают железо?

Каждый домен магнита представляет собой отдельный маленький магнитик микроскопического размера. При приближении к ним железа, элементы меняют свое положение и выстраиваются в своеобразный ряд. Полюсы при этом направлены в одну сторону, за счет чего создается единство магнитного поля. Элементы железа сразу вступают в контакт с доменами магнита и начинают притягиваться.

Процесс притягивания магнитом железа и других магнитов обусловлен законами физики . Домены магнита, представляющие собой электроды, обладают собственной массой и зарядом. При совпадении зарядов домены начинают передвигаться с небольшой скоростью. Элементы железа в магните и кусок чистого железа без примесей обладают сходствами в своем составе. Такой нюанс становится главной причиной притягивания электродов друг к другу.

Магнит не будет притягивать дерево, пластик или другие неметаллические материалы. Свойством упорядоченного движения и расположения электродов отличаются только сталь и железо. В силу таких факторов, единственными материалами, которые притягивает магнит, становятся сталь и железо.

Отдельный кусок стали или железа можно превратить во временный магнит . Если долго держать соединенными магнит и один из указанных элементов, то электроды в стали иди железе начнут образовывать собственное магнитное поле. Атомы при этом будут увеличивать свой размер. В течение некоторого времени способность магнититься сохранится и кусок стали или железа можно будет использовать в качестве самостоятельного магнита.

Еще в древние времена люди обнаружили уникальные свойства определенных камней - притягивание металла. В наше время мы часто сталкиваемся с предметами, которые обладают этими качествами. Что такое магнит? В чем его сила? Об этом мы расскажем в этой статье.

Примером временного магнита являются скрепки, кнопки, гвозди, нож и другие предметы обихода, изготовленные из железа. Их сила в том, что они притягиваются к постоянному магниту, а при исчезновении магнитного поля, теряют свое свойство.

Полем электромагнита можно управлять с помощью электрического тока. Как это происходит ? Провод, витками намотанный на железный сердечник, при подаче и изменении величины тока меняет силу магнитного поля и его полярность.

Типы постоянных магнитов

Ферритовые магниты являются самыми известными и активно используемыми в быту. Этот материал черного цвета может использоваться в качестве крепежей различных предметов, например, для плакатов, для настенных досок, используемых в офисе или школе. Они не теряют своих свойств притяжения при температуре не ниже 250 о С.

Альнико - магнит, состоящий из сплава алюминия, никеля и кобальта. Это дало ему такое название. Очень устойчив к высоким температурам и может применяться при 550 о С. Материал отличается легкостью, но полностью теряет свои свойства, попадая под действие более сильного магнитного поля. Используется в основном в научной отрасли.

Самариевые магнитные сплавы - это материал с высокими показателями. Надежность его свойств позволяет использовать материал в военных разработках. Он устойчив к агрессивной среде, высокой температуре, окислению и коррозии.

Что такое неодимовый магнит? Это самый популярный сплав железа, бора и неодима. Его еще называют супермагнитом, так как он имеет мощнейшее магнитное поле с высокой коэрцитивной силой. Соблюдая определенные условия во время эксплуатации, неодимовый магнит способен сохранить свои свойства на протяжении 100 лет.

Использование неодимовых магнитов

Стоит подробно рассмотреть, что такое неодимовый магнит? Это материал, который способен фиксировать потребление воды, электричества и газа в счетчиках, да и не только. Этот вид магнита относится к постоянным и редкоземельным материалам. Он устойчив перед полей других сплавов и не подвержен размагничиванию.

Изделия из неодима используют в медицинских и промышленных отраслях. Также в бытовых условиях их применяют для крепления портьер, элементов декора, сувениров. Они применяются в поисковых приборах и в электронике.

Для продления срока службы магниты такого типа покрывают цинком или никелем. В первом случае напыление более надежное, так как устойчиво к агрессивным средствам и выдерживает температуру выше 100 о С. Сила магнита зависит от его формы, размера и количества неодима, входящего в состав сплава.

Применение ферритовых магнитов

Ферриты считаются самыми популярными магнитами среди постоянных видов. Благодаря стронцию, входящему в состав, материал не поддается коррозии. Так что это такое - ферритовый магнит? Где он применяется? Этот сплав довольно хрупок. Поэтому его еще называют керамическим. Применяется ферритовый магнит в автомобилестроении и промышленности. Используется в различной технике и электроприборах, а также бытовых установках, генераторах, системах акустики. При производстве автомобилей магниты используют в системах охлаждения, стеклоподъемниках и вентиляторах.

Назначение феррита - защитить технику от внешних помех и не допустить порчи сигнала, получаемого по кабелю. Благодаря этому используют при производстве навигаторов, мониторов, принтеров и другого оборудования, где важно получить чистый сигнал или изображение.

Магнитотерапия

Нередко применяется процедура называется магнитотерапия и проводится в лечебных целях. Действие этого метода заключается в том, чтобы повлиять на организм пациента с помощью магнитных полей, находящихся под низкочастотным переменным или постоянным током. Этот метод лечения помогает избавиться от многих заболеваний, снять боли, укрепить иммунную систему, улучшить кровоток.

Считается, что болезни порождаются нарушением магнитного поля человека. Благодаря физиотерапии организм приходит в норму и общее состояние улучшается.

Из данной статьи вы узнали, что такое магнит, а также изучили его свойства и сферы применения.

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.