Магніт принцип роботи. Постійні магніти: принцип дії, виробництво та використання

В електромагніті магнітне поле породжується зміною електричного поля, або рахунок руху провідника з постійним струмом, або рахунок протікання по провіднику змінного струму. У будь-якому випадку, при відключенні струму магнітний ефект зникає. Зовсім інша річ – постійний магніт. Жодного струму тут і близько немає. А магнітне поле є.

Суворе пояснення принципу дії постійного магніту неможливе без залучення квантової фізики. Якщо ж пояснювати «на пальцях», найбільш адекватне пояснення звучить так. Кожен електрон сам по собі є магнітом, має магнітний момент - це його невід'ємна фізична властивість. Якщо атоми, яким «належать» електрони, речовині орієнтовані хаотично, то магнітні моменти електронів один одного компенсують і речовина магнітних властивостей не проявляє. Якщо з якоїсь причини атоми (хоча якась їх частина) орієнтуються в якомусь одному напрямку, то магнітні властивості електронів складаються і речовина стає магнітом. Виходить, що сильний магніт - це такий магніт, в якому багато атомів орієнтовані в одному напрямку, і чим менше атомів мають однакову орієнтацію, тим слабше виходить магніт. Зрозуміло також, що рідини та гази магнітами в принципі бути не можуть – адже зберігати орієнтацію атоми можуть лише у твердих тілах.

Згодом магніти втрачають свої властивості, але це відбувається під впливом зовнішніх причин: зовнішнього магнітного поля, високої температури, механічних пошкоджень. Притягуючи якесь тіло, магніт витрачає частину своєї енергії на це тяжіння і стає трохи менш сильним. Але коли ви відриваєте це тіло від магніту він повністю повертає собі витрачену енергію. Таким чином, сумарна механічна робота постійного магніту залишається нульовою, і теоретично магніт може зберігати свої властивості як завгодно довгий час.

Виробництво та використання постійних магнітів

Незважаючи на те, що магніти були відомі людям тисячі років тому, їхнє промислове виробництво стало можливим лише у ХХ столітті. Найсильніші постійні магніти на основі неодимових сплавів були винайдені тільки в 80-х роках минулого століття. А найдешевші і найпопулярніші з вироблених сьогодні магнітів - полімерні магнітні матеріали, до яких належить, наприклад, магнітний вініл, так і зовсім були розроблені на рубежі другого та третього тисячоліть.

Перше практичне використання постійних магнітів відноситься до 12 століття і не втратило актуальності досі. Це використання магнітної стрілки у компасі. До початку масового виробництва магнітних матеріалів ні для чого іншого магніти і не використовувалися (застосування їх як іграшки або «лікувальні» амулети - не в рахунок).

У сучасній техніці постійні магніти використовуються повсюдно. Достатньо перерахувати магнітні носії інформації (від дискових накопичувачів у вашому комп'ютері, до магнітної смуги у вашій пластиковій карті), мікрофони та динаміки (постійні магнітики є і в звукових колонках на вашому столі, і у вашому мобільному телефоні), в електродвигунах та генераторах (не у всіх типах електродвигунів використовуються постійні магніти, але, наприклад, у вентиляторах у вашому комп'ютері вони точно є), у численних електронних датчиках (чи ви замислювалися, що саме такого типу датчик, наприклад, не дозволяє ліфту почати рух при незачинених дверях) і в безлічі інших пристроїв. Деякі види застосування магнітів поступово застарівають: сьогодні вже мало актуальні електронно-променеві трубки, на основі яких ще недавно випускалося 100% телевізорів і моніторів; поступово сходять зі сцени магнітні носії інформації. Але загалом виробництво та застосування постійних магнітів зростає з кожним роком.

Щоб відповісти на всі ці питання, необхідно спочатку дати визначення самому магніту і зрозуміти його принцип. Магніти – це тіла, які мають здатність притягувати залізні та сталеві предмети та відштовхувати деякі інші завдяки дії свого магнітного поля. Силові лінії магнітного поля проходять із південного полюса магніту, а виходять із північного полюса. Постійний або жорсткий магніт постійно створює своє магнітне поле. Електромагніт або м'який магніт може створювати магнітні поля тільки наявність магнітного поля і лише на короткий час, поки знаходиться в зоні дії того чи іншого магнітного поля. Електромагніти створюють магнітні поля лише тому випадку, коли через провід котушки проходить електрику.

Донедавна всі магніти виготовлялися з металевих елементів або сплавів. Склад магніту та визначав його потужність. Наприклад:

Керамічні магніти, подібні до тих, що використовуються в холодильниках і для проведення примітивних експериментів, містять крім керамічних композиційних матеріалів також залізну руду. Більшість керамічних магнітів, також званих залізними магнітами, не мають великої сили притягування.

"Альнико магніти" складаються зі сплавів алюмінію, нікелю та кобальту. Вони потужніші за керамічні магніти, але значно слабші від деяких рідкісних елементів.

Неодимові магніти складаються із заліза, бору і рідко зустрічається в природі неодимового елемента.

Магніти кобальту-самарію включають кобальт і елементи самарію, що рідко зустрічаються в природі. За останні кілька років вчені також виявили магнітні полімери або так звані пластичні магніти. Деякі з них дуже гнучкі та пластичні. Однак, одні працюють тільки при надзвичайно низьких температурах, а інші можуть піднімати тільки дуже легкі матеріали, наприклад, тирсу. Але щоб мати властивості магніту, кожному з цих металів потрібна сила.

Створення магнітів

Десь у 12 столітті люди виявили, що за допомогою залізняку можна намагнічувати частки заліза – так люди створили компас. Також вони помітили, що якщо постійно проводити магнітом уздовж залізної голки, відбувається намагнічування голки. Саму голку тягне у північно-південному напрямку. Пізніше відомий вчений Вільям Гілберт пояснив, що рух намагніченої голки в північно-південному напрямі відбувається за рахунок того, що наша планета Земля дуже нагадує величезний магніт із двома полюсами – північним та південним полюсом. Стрілка компаса не настільки сильна як багато перманентних магнітів, які використовуються в наш час. Але фізичний процес, який намагнічує стрілки компаса та шматки неодимового сплаву, практично однаковий. Вся справа в мікроскопічних областях, які називаються магнітними доменами, які є частиною структури феромагнітних матеріалів, таких як залізо, кобальт і нікель. Кожен домен є крихітним, окремим магнітом з північним і південним полюсом. У ненамагнічених феромагнітних матеріалах кожен із північних полюсів вказує на різні напрями. Магнітні домени, спрямовані у протилежних напрямках, врівноважують один одного, тому сам матеріал не виробляє магнітне поле.

У магнітах, з іншого боку, практично всі або, принаймні, більшість магнітних доменів спрямовані в одну сторону. Замість того, щоб врівноважувати один одного, мікроскопічні магнітні поля об'єднуються разом, щоб створити одне велике магнітне поле. Чим більше доменів вказує в одному напрямку, тим сильніше магнітне поле. Магнітне поле кожного домену проходить від його північного полюса та до південного полюса.

Це пояснює, чому, якщо розламати магніт навпіл, виходить два маленькі магніти з північними та південними полюсами. Це також пояснює, чому протилежні полюси притягують – силові лінії виходять із північного полюса одного магніту та проникають у південний полюс іншого, внаслідок чого метали притягуються та виходить один більший магніт. За таким же принципом відбувається відштовхування – силові лінії рухаються у протилежних напрямках, і внаслідок такого зіткнення магніти починають відштовхуватися одна від одної.

Створення Магнітів

Помістити метал у сильне магнітне поле у ​​північно-південному напрямку. - Двигати магніт у північно-південному напрямку, постійно ударяючи по ньому молотком, вирівнюючи його магнітні домени. -- Пропустити електричний струм через магніт.

Вчені припускають, що з цих методів пояснюють те, як природні магніти формуються у природі. Інші вчені стверджують, що магнітний залізняк стає магнітом тільки в тому випадку, коли його вдаряє блискавка. Треті ж вважають, що залізняк у природі перетворився на магніт ще на момент формування Землі і зберігся донині.

Найбільш поширеним способом виготовлення магнітів на сьогоднішній день вважається процес поміщення металу в магнітне поле. Магнітне поле обертається навколо цього об'єкта і починає вирівнювати всі домени. Однак у цей момент може виникнути відставання в одному з цих пов'язаних між собою процесів, що називається гістерезисом. На те, щоб змусити домени змінити свій напрямок в один бік, може піти кілька хвилин. Ось що відбувається під час цього процесу: Магнітні області починають обертатися, шикуючись у лінію вздовж північно-південної лінії магнітного поля.

Області, які вже спрямовані в північно-південному напрямку стають більшими, тоді як навколишні області стають меншими. Стіни домену, межі між сусідніми доменами, поступово розширюються, завдяки чому сам домен збільшується. У дуже сильному магнітному полі деякі стіни домену повністю зникають.

Виходить, що потужність магніту залежить від кількості сили, яка використовується для зміни напрямку доменів. Міцність магнітів залежить від того, як важко було вирівняти ці домени. Матеріали, які важко намагнітити, зберігають свій магнетизм протягом довших періодів, у той час як матеріали, які легко піддаються намагнічуванню, зазвичай швидко розмагнічуються.

Зменшити силу магніту або розмагнітити його можна, якщо направити магнітне поле в протилежному напрямку. Розмагнітити матеріал можна, якщо нагріти його до точки Кюрі, тобто. температурного кордону сегнетоэлектрического стану, коли він матеріал починає втрачати свій магнетизм. Висока температура розмагнічує матеріал та збуджує магнітні частинки, порушуючи рівновагу магнітних доменів.

Транспортування магнітів

Тому при транспортуванні великі магніти поміщають у спеціальні ящики або просто перевозять феромагнітні матеріали, з яких за допомогою спеціального обладнання виготовляють магніти. По суті, таким обладнанням є простий електромагніт.

Чому магніти "липнуть" один до одного?

Із занять з фізики Вам відомо, що коли електричний струм проходить по дроту, він створює магнітне поле. У постійних магнітах магнітне поле створюється за рахунок руху електричного заряду. Але магнітне поле в магнітах утворюється не через рух струму по проводах, а за рахунок руху електронів.

Багато людей вважають, що електрони це крихітні частинки, що обертаються навколо ядра атома, немов планети обертаються навколо сонця. Але як пояснюють квантові фізики, рух електронів значно складніший за це. По-перше, електрони заповнюють раковиноподібні орбіталі атома, де вони поводяться як частинки і як хвилі. Електрони мають заряд та масу, а також можуть рухатися у різних напрямках.

І хоча електрони атома не переміщаються на великі відстані, такого руху достатньо для того, щоб створити крихітне магнітне поле. І оскільки спарені електрони рухаються у протилежних напрямках, їх магнітні поля врівноважують один одного. В атомах феромагнітних елементів, навпаки, електрони не спарені та рухаються в одному напрямку. Наприклад, у заліза є цілих чотири нез'єднані електрони, які рухаються в один бік. Оскільки в них немає опірних полів, ці електрони мають орбітальний магнітний момент. Магнітний момент – це вектор, який має свою величину та спрямованість.

У таких металах як залізо орбітальний магнітний момент змушує сусідні атоми вишиковуватися вздовж північно-південних силових ліній. Залізо, як та інші феромагнітні матеріали, мають кристалічну структуру. Коли вони остигають після процесу лиття, групи атомів з паралельної орбіти обертання вишиковуються в лінію всередині кристалічної структури. Так утворюються магнітні домени.

Ви, можливо, помітили, що матеріали, з яких виходять добрі магніти, також здатні притягувати самі магніти. Це тому, що магніти притягують матеріали з непарними електронами, які обертаються щодо одного напрямі. Іншими словами, якість, яка перетворює метал на магніт також притягує метал до магнітів. Багато інших елементів - діамагнітні - вони складаються з неспарених атомів, які створюють магнітне поле, що злегка відштовхує магніт. Декілька матеріалів зовсім не взаємодіють з магнітами.

Вимірювання магнітного поля

Виміряти магнітне поле можна за допомогою спеціальних інструментів, наприклад флюксметра. Описати його можна кількома способами: - Магнітні силові лінії вимірюються у веберах (СБ). У електромагнітних системах цей потік порівнюють із струмом.

Сила поля, або щільність потоку, вимірюється Тесла (T) або в одиниці вимірювання гаус (Гс). Один тесла дорівнює 10 000 гаус.

Напруженість поля можна виміряти також у веберах на квадратний метр. - Розмір магнітного поля вимірюється в амперах на метр чи ерстедах.

Міфи про магніт

Прилади відображення магнітного резонансу, які працюють за рахунок магнітного поля, дозволяють лікарям досліджувати внутрішні органи пацієнтів. Також лікарі використовують електромагнітне імпульсне поле для того, щоб подивитися, чи правильно зростаються зламані кістки після удару. Подібне електромагнітне поле використовується астронавтами, які довгий час перебувають у невагомості для того, щоб запобігти розтягуванню м'язів та ламанням кісток.

Магніти також застосовуються у ветеринарній практикі для лікування тварин. Наприклад, корови часто страждають на травматичне ретикулоперикардитис, ця складна хвороба, що розвивається у цих тварин, які часто разом з кормом заковтують дрібні металеві предмети, які можуть пошкодити стінки шлунка, легені або серце тварини. Тому часто перед годуванням корів досвідчені фермери за допомогою магніту очищають їхню їжу від дрібних неїстівних деталей. Однак якщо корова вже проковтнула шкідливі метали, то магніт дають їй разом з їжею. Довгі, тонкі алніко магніти, також звані коров'ячими магнітами, притягують всі метали і не дозволяють їм завдати шкоди шлунку корови. Такі магніти дійсно допомагають вилікувати хвору тварину, але все ж таки краще стежити за тим, щоб у коров'ю їжу не потрапляло шкідливих елементів. Що стосується людей, то їм протипоказано ковтати магніти, оскільки ті, потрапивши в різні частини організму, все одно притягатимуться, що може призвести до блокування кров'яного потоку та руйнування м'яких тканин. Тому, коли людина ковтає магніт, їй потрібна операція.

Деякі люди вважають, що магнітна терапія – це майбутнє медицини, оскільки це один із найпростіших, але ефективних методів лікування багатьох хвороб. Багато людей вже практично переконалися у дії магнітного поля. Магнітні браслети, намиста, подушки та багато інших подібних виробів краще за таблетки лікують найрізноманітніші захворювання – від артриту і до раку. Деякі лікарі також вважають, що склянка намагніченої води як профілактика може позбавити появи більшості неприємних недуг. В Америці щороку на магнітну терапію витрачається близько 500 мільйонів доларів, а люди у всьому світі на таке лікування в середньому витрачають 5 мільярдів доларів.

Прихильники магнітної терапії по-різному трактують корисність цього лікування. Одні кажуть, що магніт здатний притягувати залізо, що міститься в гемоглобіні крові, тим самим покращуючи кровообіг. Інші запевняють, що магнітне поле якимось чином змінює структуру сусідніх кліток. Але в той же час проведені наукові дослідження не підтвердили, що використання статичних магнітів може позбавити людину болю або вилікувати хворобу.

Деякі прихильники пропонують всім людям використовувати магніти для очищення води в будинках. Як кажуть самі виробники, великі магніти можуть очистити жорстку воду за рахунок того, що видалять із неї всі шкідливі феромагнітні сплави. Проте, вчені кажуть, що тверду воду роблять не феромагніти. Більше того, два роки використання магнітів на практиці не показали жодних змін у складі води.

Але, навіть не дивлячись на те, що магніти навряд чи мають лікувальну дію, вони все одно варті вивчення. Хто знає, можливо, в майбутньому ми все ж таки розкриємо корисні властивості магнітів.

У широкому сенсі магніт є елементом, що володіє власним магнітним полем. Це шматок сталі або залізної руди з домішками алюмінію, кобальту та нікелю. До складу магніту входить безліч компонентів, які називаються доменами, у кожного з яких є південний і північний полюс. В об'єднаному стані домени утворюють єдину магнітну масу з безліччю зорієнтованих полюсів. Якщо домени перебувають у безладному стані, вони втрачають властивість притягувати залізо, які магнітна сила втрачається повністю.

Завдяки специфіці з'єднання доменів, кожен магніт має два полюси – південний та північний. Якщо магніт розрізати, їх полярність також збережеться. Усього існує три різновиди магнітів: природні, електромагніти та тимчасові магніти. Природні магніти – це металева руда. Тимчасові – це елементи, які піддаються впливу магнітного поля (цвяхи, скріпки, гайки, монети). Електромагніти - це магніти з індукційною котушкою і електричним струмом, що проводиться через неї.

Чому магніти притягують залізо?

Кожен домен магніту є окремим невеликим магнітиком мікроскопічного розміру. При наближенні до них заліза елементи змінюють своє становище і вишиковуються в своєрідний ряд. Полюси при цьому спрямовані в один бік, за рахунок чого створюється єдність магнітного поля. Елементи заліза відразу входять у контакт із доменами магніту і починають притягуватися.

Процес притягування магнітом заліза та інших магнітів обумовлений законами фізики. Домени магніту, що являють собою електроди, мають власну масу і заряд. При збігу зарядів домени починають пересуватися із невеликою швидкістю. Елементи заліза в магніті і шматок чистого заліза без домішок мають схожість у своєму складі. Такий нюанс стає головною причиною притягування електродів один до одного.

Магніт не притягуватиме дерево, пластик чи інші неметалеві матеріали. Властивістю впорядкованого руху та розташування електродів відрізняються лише сталь та залізо. Через такі чинники, єдиними матеріалами, які притягує магніт, стають сталь та залізо.

Окремий шматок сталі або заліза можна перетворити на тимчасовий магніт. Якщо довго тримати з'єднаними магніт і один із зазначених елементів, то електроди в сталі та залізі почнуть утворювати власне магнітне поле. Атоми при цьому збільшуватимуть свій розмір. Протягом деякого часу здатність магнітитися збережеться і шматок сталі або заліза можна буде використовувати як самостійний магніт.

Ще в давні часи люди виявили унікальні властивості певного каміння - притягування металу. У наш час ми часто стикаємося з предметами, які мають ці якості. Що таке магніт? У чому його сила? Про це ми розповімо у цій статті.

Прикладом тимчасового магніту є скріпки, кнопки, цвяхи, ніж та інші предмети побуту, виготовлені із заліза. Їхня сила в тому, що вони притягуються до постійного магніту, а при зникненні магнітного поля втрачають свою властивість.

Полем електромагніта можна керувати електричним струмом. Як це відбувається? Провід, витками намотаний на залізний сердечник, при подачі та зміні величини струму змінює силу магнітного поля та його полярність.

Типи постійних магнітів

Феритові магніти є найвідомішими та активно використовуються в побуті. Цей матеріал чорного кольору може використовуватися як кріплення різних предметів, наприклад, для плакатів, для дощок, що використовуються в офісі або школі. Вони не втрачають своїх властивостей тяжіння при температурі не нижче 250°С.

Альнико - магніт, що складається зі сплаву алюмінію, нікелю та кобальту. Це дало йому таку назву. Дуже стійкий до високих температур і може застосовуватися при 550 о С. Матеріал відрізняється легкістю, але втрачає свої властивості, потрапляючи під дію сильнішого магнітного поля. Використовується переважно у науковій галузі.

Самарієві магнітні сплави – це матеріал з високими показниками. Надійність його властивостей дозволяє використовувати матеріал у військових технологіях. Він стійкий до агресивного середовища, високої температури, окислення та корозії.

Що таке неодимовий магніт? Це найпопулярніший сплав заліза, бору та неодиму. Його ще називають супермагнітом, тому що він має найпотужніший магнітне поле з високою коерцитивною силою. Дотримуючись певних умов під час експлуатації, неодимовий магніт здатний зберегти свої властивості протягом 100 років.

Використання неодимових магнітів

Чи варто докладно розглянути, що таке неодимовий магніт? Це матеріал, який здатний фіксувати споживання води, електрики та газу у лічильниках, та й не тільки. Цей вид магніту відноситься до постійних і рідкісноземельних матеріалів. Він стійкий перед полів інших сплавів і не схильний до розмагнічування.

Вироби з неодиму використовують у медичних та промислових галузях. Також у побутових умовах їх застосовують для кріплення портьєрів, елементів декору, сувенірів. Вони застосовуються в пошукових приладах та в електроніці.

Для продовження терміну служби магніти такого типу покривають цинком чи нікелем. У першому випадку напилення більш надійне, тому що стійке до агресивних засобів і витримує температуру вище 100 о С. Сила магніту залежить від його форми, розміру та кількості неодиму, що входить до складу сплаву.

Застосування феритових магнітів

Феріти вважаються найпопулярнішими магнітами серед постійних видів. Завдяки стронцію, що входить до складу, матеріал не піддається корозії. Так що це таке – феритовий магніт? Де він застосовується? Цей сплав досить крихкий. Тому його ще називають керамічним. Застосовується феритовий магніт в автомобілебудуванні та промисловості. Використовується в різній техніці та електроприладах, а також побутових установках, генераторах, системах акустики. При виробництві автомобілів магніти використовують у системах охолодження, склопідйомниках та вентиляторах.

Призначення фериту - захистити техніку від зовнішніх перешкод і не допустити псування сигналу, що отримується кабелем. Завдяки цьому використовують під час виробництва навігаторів, моніторів, принтерів та іншого обладнання, де важливо отримати чистий сигнал або зображення.

Магнітотерапія

Нерідко застосовується процедура називається магнітотерапія та проводиться з лікувальною метою. Дія цього методу полягає в тому, щоб вплинути на організм пацієнта за допомогою магнітних полів, що знаходяться під змінним низькочастотним або постійним струмом. Цей метод лікування допомагає позбавитися багатьох захворювань, зняти болі, зміцнити імунну систему, поліпшити кровотік.

Вважається, що хвороби породжуються порушенням магнітного поля людини. Завдяки фізіотерапії організм приходить у норму та загальний стан покращується.

З цієї статті ви дізналися, що таке магніт, а також вивчили його властивості та сфери застосування.

Поряд з тертям, що електризуються, шматочками бурштину постійні магніти були для древніх людей першим матеріальним свідченням електромагнітних явищ (блискавки на зорі історії безумовно відносили до сфери прояву нематеріальних сил). Пояснення природи феромагнетизму завжди займало допитливі уми вчених, однак і в даний час фізична природа постійної намагніченості деяких речовин, як природних, так і штучно створених, ще не до кінця розкрита, залишаючи чимало діяльності для сучасних і майбутніх дослідників.

Традиційні матеріали для постійних магнітів

Вони почали активно використовуватися в промисловості, починаючи з 1940 з появи сплаву алніко (AlNiCo). До цього постійні магніти з різних сортів стали застосовувалися лише компасах і магнето. Алніко уможливив заміну на них електромагнітів і застосування їх у таких пристроях, як двигуни, генератори та гучномовці.

Це їхнє проникнення в наше повсякденне життя отримало новий імпульс зі створенням феритових магнітів, і з того часу постійні магніти стали звичайним явищем.

Революція в магнітних матеріалах почалася близько 1970 року, зі створенням самарій-кобальтового сімейства жорстких магнітних матеріалів з досі небаченою щільністю магнітної енергії. Потім було відкрито нове покоління рідкісноземельних магнітів на основі неодиму, заліза та бору з набагато більш високою щільністю магнітної енергії, ніж у самарій-кобальтових (SmCo) та з очікувано низькою вартістю. Ці дві родини рідкісноземельних магнітів мають такі високі щільності енергії, що вони не тільки можуть замінити електромагніти, але використовуватися в областях, недоступних для них. Прикладами можуть бути крихітний кроковий двигун на постійних магнітах у наручному годиннику та звукові перетворювачі в навушниках типу Walkman.

Поступове покращення магнітних властивостей матеріалів представлено на діаграмі нижче.

Неодимові постійні магніти

Вони представляють новітнє і найбільш значне досягнення у цій галузі протягом останніх десятиліть. Вперше про їхнє відкриття було оголошено майже одночасно наприкінці 1983 року фахівцями з металів компаній Sumitomo та General Motors. Вони засновані на інтерметалевому з'єднанні NdFeB: сплаві неодиму, заліза та бору. З них неодим є рідкісноземельним елементом, що видобувається з мінералу моназиту.

Величезний інтерес, які викликали ці постійні магніти, виникає тому, що вперше було отримано новий магнітний матеріал, який не тільки сильніший, ніж у попереднього покоління, але є більш економічним. Він складається в основному із заліза, яке набагато дешевше, ніж кобальт, і з неодиму, що є одним із найпоширеніших рідкісноземельних матеріалів, запаси якого на Землі більші, ніж свинцю. У головних рідкісноземельних мінералах моназиті та бастанезиті міститься в п'ять-десять разів більше неодиму, ніж самарія.

Фізичний механізм постійної намагніченості

Щоб пояснити функціонування постійного магніту, ми маємо заглянути всередину його до атомних масштабів. Кожен атом має набір спинів своїх електронів, які формують його магнітний момент. Для нашої мети ми можемо розглядати кожен атом як невеликий смуговий магніт. Коли постійний магнітрозмагнічений (або шляхом нагрівання його до високої температури, або зовнішнім магнітним полем), кожен атомний момент орієнтований випадковим чином (див. рис. Нижче) і ніякої регулярності не спостерігається.

Коли ж він намагнічений у сильному магнітному полі, всі атомні моменти орієнтуються у напрямі поля і ніби зчеплюються «замок» один з одним (див. рис. нижче). Це зчеплення дозволяє зберегти поле постійного магніту при видаленні зовнішнього поля, а також чинити опір розмагнічування при зміні його напрямку. Мірою сили зчеплення атомних моментів є величина коерцитивної сили магніту. Докладніше про це пізніше.

При більш глибокому викладі механізму намагнічування оперують не поняттями атомних моментів, а використовують уявлення про мініатюрні (порядку 0,001 см) області всередині магніту, що спочатку володіють постійною намагніченістю, але орієнтованих при відсутності зовнішнього поля випадковим чином, так що строгий читач при бажанні може віднести механізм немає до магніту загалом. а до окремого його домену.

Індукція та намагніченість

Атомні моменти підсумовуються і утворюють магнітний момент всього постійного магніту, яке намагніченість M показує величину цього моменту на одиницю обсягу. Магнітна індукція B показує, що постійний магніт є результатом зовнішнього магнітного зусилля (напруженості поля) H, що прикладається при первинному намагнічуванні, а також внутрішньої намагніченості M, зумовленої орієнтацією атомних (або доменних) моментів. Її величина у загальному випадку задається формулою:

B = µ 0 (H + M),

де µ 0 є константою.

У постійному кільцевому і однорідному магніті напруженість поля H всередині нього (за відсутності зовнішнього поля) дорівнює нулю, оскільки за законом повного струму інтеграл від неї вздовж будь-якого кола всередині такого кільцевого сердечника дорівнює:

H∙2πR = iw=0 , звідки H=0.

Отже, намагніченість у кільцевому магніті:

У незамкнутому магніті, наприклад, у тому ж кільцевому, але з повітряним зазором шириною l заз у сердечнику довжиною l сер, за відсутності зовнішнього поля та однакової індукції B всередині сердечника і в зазорі за законом повного струму отримаємо:

H сір l сір + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.

Оскільки B = µ 0 (H сір + М сір), то, підставляючи її вираз у попереднє, отримаємо:

H сір (l сір + l заз) + М сір l заз = 0,

H сір = ─ М сір l заз (l сір + l заз).

У повітряному зазорі:

H заз = B/µ 0 ,

причому B визначається по заданій М сір і знайденої H сір.

Крива намагнічування

Починаючи з ненамагніченого стану, коли Н збільшується від нуля, внаслідок орієнтації всіх атомних моментів у напрямку зовнішнього поля швидко збільшуються М і B, змінюючись вздовж ділянки «а» основною кривою намагнічування (див. малюнок нижче).

Коли вирівняні всі атомні моменти, М приходить до свого значення насичення, і подальше збільшення відбувається виключно через прикладене поле (ділянка b основної кривої на рис. нижче). При зменшенні зовнішнього поля до нуля індукція зменшується не по початковому шляху, а по ділянці «c» через зчеплення атомних моментів, що прагне зберегти їх у тому напрямку. Крива намагнічування починає описувати так звану петлю гістерези. Коли Н (зовнішнє поле) наближається до нуля, то індукція наближається до залишкової величини, яка визначається лише атомними моментами:

r = μ 0 (0 + М г).

Після того, як напрямок H змінюється, Н і М діють у протилежних напрямках, і B зменшується (ділянка кривої «d» на рис.). Значення поля, при якому зменшується до нуля, називається коерцитивною силою магніту B H C . Коли величина прикладеного поля є досить великою, щоб зламати зчеплення атомних моментів, вони орієнтуються на новий напрямок поля, а напрям M змінюється на протилежне. Значення поля, за якого це відбувається, називається внутрішньою коерцитивною силою постійного магніту М Н C . Отже, є дві різні, але пов'язані коерцитивні сили, пов'язані з постійним магнітом.

На малюнку нижче показано основні криві розмагнічування різних матеріалів для постійних магнітів.

З нього видно, що найбільшою залишковою індукцією B r і коерцитивною силою (як повною, так і внутрішньою, тобто визначається без урахування напруженості H тільки по намагніченості M) мають саме NdFeB-магніти.

Поверхневі (амперівські) струми

Магнітні поля постійних магнітів можна розглядати як поля деяких пов'язаних з ними струмів, що протікають їх поверхнями. Ці струми називають амперівськими. У звичному значенні слова струми всередині постійних магнітів відсутні. Однак, порівнюючи магнітні поля постійних магнітів і поля струмів у котушках, французький фізик Ампер припустив, що намагніченість речовини можна пояснити протіканням мікроскопічних струмів, що утворюють мікроскопічні замкнуті контури. Адже аналогія між полем соленоїда і довгого циліндричного магніту майже повна: є північний і південний полюс постійного магніту і такі ж полюси у соленоїда, а картини силових ліній їх полів також дуже схожі (див. малюнок нижче).

Чи є струми всередині магніту?

Уявімо, що весь об'єм деякого постійного стрижневого магніту (з довільною формою поперечного перерізу) заповнений мікроскопічними амперівськими струмами. Поперечний розріз магніту з такими струмами показаний нижче.

Кожен з них має магнітний момент. При однаковій орієнтації їх у напрямку зовнішнього поля вони утворюють результуючий магнітний момент, відмінний від нуля. Він і визначає існування магнітного поля за відсутності впорядкованого руху зарядів, за відсутності струму через будь-який переріз магніту. Легко також зрозуміти, що всередині нього струми суміжних контурів, що стикаються, компенсуються. Нескомпенсированными виявляються лише струми лежить на поверхні тіла, утворюють поверхневий струм постійного магніту. Щільність його виявляється рівною намагніченості M.

Як позбутися рухомих контактів

Відома проблема створення безконтактної синхронної машини. Традиційна її конструкція з електромагнітним збудженням від полюсів ротора з котушками передбачає підведення струму до них через рухомі контакти – контактні кільця зі щітками. Недоліки такого технічного рішення загальновідомі: це і труднощі в обслуговуванні, і низька надійність, і великі втрати в рухомих контактах, особливо якщо йдеться про потужні турбо-і гідрогенератори, в ланцюгах збудження яких витрачається чимала електрична потужність.

Якщо зробити такий генератор на постійних магнітах, то проблема контакту відразу йде. Правда, з'являється проблема надійного кріплення магнітів на роторі, що обертається. Тут може стати в нагоді досвід, накопичений у тракторобудуванні. Там вже давно застосовується індукторний генератор на постійних магнітах, розташованих у пазах ротора, залитих легкоплавким сплавом.

Двигун на постійних магнітах

В останні десятиліття широкого поширення набули вентильні двигуни постійного струму. Такий агрегат є власне електродвигун і електронний комутатор його обмотки якоря, що виконує функції колектора. Електродвигун є синхронним двигуном на постійних магнітах, розташованих на роторі, як і на рис. вище, з нерухомою обмоткою якоря на статорі. Електронний комутатор схемотехнічно являє собою інвертор постійної напруги (або струму) мережі живлення.

Основною перевагою такого двигуна є безконтактність. Специфічним елементом є фото-, індукційний або холлівський датчик положення ротора, керуючий роботою інвертора.