Види магнітів. Потужні магніти

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.

Спочатку потрібно зрозуміти, що таке магніт взагалі. Магніт - це природний енергетичний матеріал, який має у собі невичерпне енергетичне поле та два полюси, які називаються північним та південним. Хоча в наш час людство, звичайно, навчилося створювати це незвичайне явище штучно.

Силу двох полюсів магніту людина навчилася використовувати практично скрізь. Сучасне суспільство повсякденно користується вентилятором - у його двигуні стоять спеціальні магнітні щітки, абсолютно кожен день і до глибокої ночі дивляться телевізор, працюють на комп'ютері, а в ньому досить багато цих елементів. У кожного в будинку на стіні висить годинник, всякі гарні маленькі іграшки на дверцятах холодильника, колонки на всьому звуковому устаткуванні працюють виключно завдяки цьому чудовому магніту.

На промислових підприємствах робітники користуються електродвигунами, зварювальними апаратами. У будівництві використовується магнітний підйомний кран, залізо-відділювальна стрічка. Вбудований у неї магнітний пристрій допомагає абсолютно відокремити стружку та окалину від готової продукції. Ці магнітні стрічки також використовуються у харчовій промисловості.

Ще магніт застосовується в ювелірних виробах, а це браслети, ланцюжки, всілякі кулони, кільця, сережки, і навіть шпильки для волосся.

Потрібно зрозуміти, що без цього природного елемента наше існування стане набагато складнішим. У багатьох предметах та пристроях використовуються магніти – від дитячих іграшок до цілком серйозних речей. Адже не дарма в електротехніці та фізиці є спеціальний розділ – електрика та магнетизм. Ці дві науки тісно пов'язані. Усі предмети, де є цей елемент, одразу й не перелічиш.

В наш час все більше з'являються нових винаходів і в багатьох є магніти, особливо якщо це пов'язано з електротехнікою. Навіть всесвітньо відомий колайдер працює виключно за допомогою електромагнітів.

Магніт також широко використовується в медичних цілях - наприклад, для резонансного сканування внутрішніх органів людини, а також у хірургічних цілях. Він використовується для усіляких магнітних поясів, масажних крісел тощо. Цілющі властивості магніту не вигадані – наприклад, у Грузії на Чорному морі є унікальний курорт Уреки, де пісок не звичайний – жовтий, а чорний – магнітний. Туди їдуть лікувати багато захворювань, особливо дитячі – ДЦП, нервові розлади, і навіть гіпертонію.

Ще магніти використовують на переробних підприємствах. Наприклад, старі автомобілі спочатку тиснуть пресом, а потім вантажать магнітним навантажувачем.

Також бувають звані неодимові магніти. Вони використовують у різних галузях промисловості, де температура не вище 80°C. Ці магніти використовують зараз практично скрізь.

Магніти зараз настільки тісно увійшли до нашого життя, що без них наше життя стане дуже складним – приблизно на рівні 18-19 століть. Якби прямо зараз усі магніти зникли, ми миттєво втратили б електрику – залишилися б тільки такі його джерела, як акумулятори та батареї. Адже у пристрої будь-якого генератора струму найважливіша частина – саме магніт. І не думайте, що Ваш автомобіль заведеться від акумулятора - адже стартер теж являє собою електричний двигун, де найважливіша частина - магніт. Так, можна жити і без магнітів, але жити при цьому доведеться так, як жили наші предки років 100 і більше.

Ще у Стародавньому Китаї звернули увагу на властивість деяких металів притягувати. Це фізичне явище отримало назву магнетизм, а матеріали, що мають цю здатність, назвали магнітами. Зараз ця властивість активно використовується в радіоелектроніці та промисловості, а особливо потужні магніти використовують, у тому числі і для підняття та транспортування великих обсягів металу. Застосовуються властивості цих матеріалів і в побуті – багатьом відомі магнітні листівки та літери для навчання дітей. Які магніти бувають де їх використовують, що таке неодимовий, про це розповість цей текст.

Види магнітів

У сучасному світі їх класифікують за трьома основними категоріями за типом створюваного ними магнітного поля:

постійні, що складаються з природного матеріалу, що має ці фізичні властивості, наприклад, неодимові;
тимчасові, що мають ці властивості під час знаходження в полі дії магнітного поля;
електромагніти – це витки дроту на сердечнику, що створюють електромагнітне поле під час проходження енергії по провіднику.

У свою чергу, найпоширеніші постійні магніти поділяються на п'ять основних класів, за своїм хімічним складом:

феромагніти на основі заліза та його сплавів з барієм та стронцієм;
неодимові магніти, що мають у своєму складі рідкоземельний метал неодим, у сплаві із залізом та бором (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
самарієво-кобальтові сплави, що мають порівняні з неодимовими магнітні характеристики, але в той же час ширший температурний діапазон застосування (SmCo);
сплав Альнико, він же ЮНДК, цей сплав відрізняється високою корозійною стійкістю та високою температурною межею;
магнітопласти, що є сумішшю магнітного сплаву зі сполучним, це дозволяє створити вироби різних форм і розмірів.

Сплави магнітних металів тендітні і досить дешеві вироби, що мають середні якості. Зазвичай це сплав оксиду заліза з феритами стронцію та барію. Температурний діапазон стабільної роботи магніту не вищий за 250-270°C. Технічні характеристики:

коерцитивна сила – близько 200 кА/м;
залишкова індукція – до 0,4 Тесла;
середній термін служби – 20-30 років.

Що таке неодимові магніти

Це найбільш потужні з постійних, але в той же час досить тендітні та нестійкі до корозії, в основі цих сплавів лежить рідкоземельний мінерал – неодим. Це найсильніший магніт із постійних.

Характеристики:

коерцитивна сила – близько 1000 кА/м;
залишкова індукція – до 1,1 Тесла;
середній термін служби – до 50 років.

Їх застосування обмежує лише низьку межу температурного діапазону, для найбільш термостійких марок неодимового магніту це 140°C, тоді як менш стійкі руйнуються при температурі понад 80 градусів.

Самарієвокобальтові сплави

Що мають високі технічні характеристики, але в той же час дуже дорогі сплави.

Характеристики:

коерцитивна сила – близько 700 кА/м;
залишкова індукція – до 0,8-1,0 Тесла;
середній термін служби – 15-20 років.

Вони використовуються для складних умов роботи: високі температури, агресивні середовища та велике навантаження. Через порівняно високу вартість їх застосування дещо обмежене.

Альнико

Порошковий сплав з кобальту (37-40%) з додаванням алюмінію та нікелю також має гарні експлуатаційні характеристики, крім того здатність зберігати свої магнітні властивості при температурах до 550°C. Їхні технічні характеристики нижчі, ніж у феромагнітних сплавів і становлять:

коерцитивна сила – близько 50 кА/м;
залишкова індукція – до 0,7 Тесла;
середній термін служби – 10-20 років.

Але, незважаючи на це, саме цей сплав найцікавіший для застосування у науковій сфері. Крім того, додавання до сплаву титану і ніобію сприяє підвищенню коерцетивної сили сплаву до 145-150 кА/м.

Магнітопласти

Використовуються в основному в побуті для виготовлення магнітних листівок, календарів та інших дрібниць, характеристики магнітного поля трохи падають через меншу концентрацію магнітного складу.

Це є основні типи постійних магнітів. Електромагніт за принципом дії та застосування дещо відрізняється від таких сплавів.

Цікаво.Неодимові магніти використовуються практично повсюдно, у тому числі і в дизайні для створення парячих конструкцій, і в культурі для цих цілей.

Електромагніт та демагнітизатор

Якщо електромагніт створює поле при проходженні через витки обмотки електроенергії, демагнітизатор, навпаки, знімає залишкове магнітне поле. Застосовувати цей ефект можна з різною метою. Наприклад, що можна зробити демагнітізатором? Раніше демагнітизатор використовувався для розмагнічування головок магнітофонів, кінескопів телевізорів і виконання інших функцій подібного роду. Сьогодні його найчастіше застосовують у кілька незаконних цілях для розмагнічування лічильників після застосування на них магнітів. Крім того, цей пристрій можна і потрібно застосовувати для зняття залишкового магнітного поля з інструментів.

Складається демагнітізатор зазвичай зі звичайної котушки, інакше кажучи, за пристроєм цей прилад повністю повторює електромагніт. На котушку подається змінна напруга, після чого пристрій, з якого ми знімаємо залишкове поле, забирається із зони дії демагнітизатора, після чого він відключається

Важливо!Використання магніту для «підкрутки» лічильника є незаконним і тягне за собою штраф. Неправильне використання демагнітизатора може призвести до повного розмагнічування приладу та його виходу з ладу.

Самостійне виготовлення магніту

Для цього достатньо знайти металевий брусок зі сталі або іншого феросплаву, можна використовувати складовий осердя трансформатора, після чого зробити обмотку. Намотати на сердечник кілька витків мідного обмотувального дроту. Для безпеки варто включити до схеми плавкий запобіжник. Як зробити потужний магніт? Для цього потрібно збільшувати силу струму в обмотці, чим вона вища, тим більша магнітна сила пристрою.

При включенні пристрою в мережу і подачі електроенергії на обмотку, пристрій буде притягувати метал, тобто фактично це справжнісінький електромагніт, нехай і кілька спрощеної конструкції.

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.

Що таке постійний магніт

Феромагнітний виріб, здатний зберігати значну залишкову намагніченість після зняття зовнішнього магнітного поля, називається постійним магнітом. Постійні магніти виготовляють із різних металів, таких як: кобальт, залізо, нікель, сплави рідкісноземельних металів (для неодимових магнітів), а також з природних мінералів типу магнетитів.

Сфера застосування постійних магнітів сьогодні дуже широка, проте призначення їх принципово скрізь одне й те саме як джерело постійного магнітного поля без підведення електроенергії. Таким чином, магніт – це тіло, що володіє своїм власним.

Саме слово «магніт» походить від грецького словосполучення, яке перекладається як «камінь з Магнесії», за назвою азіатського міста, де були в давнину відкриті поклади магнетиту - магнітного залізняку. З фізичної погляду елементарним магнітом є електрон, а магнітні властивості магнітів взагалі обумовлюються магнітними моментами електронів, що входять до складу намагніченого матеріалу.

Характеристики розмагнічуючого ділянки матеріалу, з якого виготовлений постійний магніт, визначають властивості того чи іншого постійного магніту: чим вище коерцитивна сила Нс, і чим вище залишкова магнітна індукція Вr - тим сильніший і стабільніший магніт.

Коерцитивна сила (буквально в перекладі з латинського - «утримуюча сила») - це , необхідне для повного розмагнічування феро-або феримагнітного речовини. Таким чином, чим більшою коерцитивною силою володіє конкретний магніт, тим він стійкіший до факторів, що розмагнічують.

Одиниця виміру коерцитивної сили - Ампер/метр. А як відомо, - це векторна величина, що є силовою характеристикою магнітного поля. Характерне значення залишкової магнітної індукції постійних магнітів – порядку 1 Тесла.

Види та властивості постійних магнітів

Феритові

Феритові магніти хоч і відрізняються крихкістю, але мають гарну корозійну стійкість, що при невисокій ціні робить їх найбільш поширеними. Такі магніти виготовляють із сплаву оксиду заліза з феритом барію або стронцію. Даний склад дозволяє матеріалу зберігати свої магнітні властивості в широкому температурному діапазоні - від -30°C до +270°C.

Магнітні вироби у формі феритових кілець, брусків та підків широко використовуються як у промисловості, так і в побуті, техніці та електроніці. Їх використовують в акустичних системах, в генераторах, . В автомобілебудуванні феритові магніти встановлюють у стартери, склопідйомники, системи охолодження і вентилятори.

Феритові магніти відрізняються коерцитивною силою близько 200 кА/м та залишковою магнітною індукцією близько 0,4 Тесла. У середньому феритовий магніт може прослужити від 10 до 30 років.

Альнико (алюміній-нікель-кобальт)

Постійні магніти на основі сплаву з алюмінію, нікелю та кобальту відрізняються неперевершеною температурною стійкістю та стабільністю: вони здатні зберігати свої магнітні властивості при температурах до +550°C, хоча коерцитивна сила, характерна для них, відносно мала. Під дією щодо невеликого магнітного поля такі магніти втратять вихідні магнітні властивості.

Поміркуйте самі: типова коерцитивна сила близько 50 кА/м при залишковій намагніченості близько 0,7 Тесла. Однак незважаючи на цю особливість, магніти альник незамінні для деяких наукових досліджень.

Типовий вміст компонентів у сплавах альнико з високими магнітними властивостями змінюється в таких межах: алюміній – від 7 до 10%, нікель – від 12 до 15%, кобальт – від 18 до 40%, та від 3 до 4% міді.

Чим більше кобальту, тим вище індукція насичення та магнітна енергія сплаву. Добавки у вигляді від 2 до 8% титану та всього 1% ніобію сприяють отриманню більшої коерцитивної сили – до 145 кА/м. Добавка від 05 до 1% кремнію забезпечує ізотропію магнітних властивостей.

Самарієві

Якщо потрібна виняткова стійкість до корозії, окиснення і температури до +350 ° C, то магнітний сплав самарію з кобальтом - те, що треба.

За вартістю самарій-кобальтові магніти дорожчі за неодимові за рахунок більш дефіцитного і дорогого металу - кобальту. Тим не менш, саме їх доцільно застосовувати у разі потреби мати мінімальні розміри та вагу кінцевих виробів.

Найбільш доцільно це в космічних апаратах, авіаційній і комп'ютерній техніці, мініатюрних електродвигунах і магнітних муфтах, в приладах і пристроях, що носяться (годинниках, навушниках, мобільних телефонах і т.д.)

Завдяки особливій корозійній стійкості саме самарієві магніти застосовуються в стратегічних розробках і військових додатках. Електродвигуни, генератори, підйомні системи, мототехніка – сильний магніт із сплаву самарію-кобальту ідеально підходить для агресивних середовищ та складних умов експлуатації. Коерцитивна сила близько 700 кА/м при залишковій магнітній індукції 1 Тесла.

Неодимові

Неодимові магніти на сьогоднішній день дуже затребувані і видаються найперспективнішими. Сплав неодим-залізо-бір дозволяє створювати супермагніти для різних сфер, починаючи з засувок та іграшок, закінчуючи потужними підйомними машинами.

Висока коерцитивна сила близько 1000 кА/м і залишкова намагніченість близько 1,1 Тесла, дозволяють магніту зберігатися протягом багатьох років, за 10 років неодимовий магніт втрачає лише 1% своєї намагніченості, якщо температура його в умовах експлуатації не перевищує +80°C ( для деяких марок до +200 ° C). Таким чином, лише два недоліки є у неодимових магнітів - крихкість та низька робоча температура.

Магнітний порошок разом із сполучним компонентом утворює м'який, гнучкий та легкий магніт. Сполучні компоненти, такі як вініл, каучук, пластик або акрил дозволяють отримувати магніти різних форм та розмірів.

Магнітна сила, звичайно, поступається чистому магнітному матеріалу, але іноді такі рішення необхідні для досягнення певних незвичайних для магнітів цілей: у виробництві рекламної продукції, при виготовленні знімних наклейок на авто, а також у виготовленні різних канцелярських та сувенірних товарів.

Одноіменні полюси магнітів відштовхуються, а різноіменні полюси притягуються. Взаємодія магнітів пояснюється тим, що будь-який магніт має магнітне поле і ці магнітні поля взаємодіють між собою. У чому, наприклад, причина намагнічування заліза?

Згідно з гіпотезою французького вченого Ампера, всередині речовини існують елементарні електричні струми (струми Ампера), які утворюються внаслідок руху електронів навколо ядер атомів та навколо власної осі.

При русі електронів з'являються елементарні магнітні поля. І якщо шматок заліза внести у зовнішнє магнітне поле, всі елементарні магнітні поля у тому залозі орієнтуються однаково у зовнішньому магнітному полі, утворюючи власне магнітне поле шматка заліза. Так, якщо прикладене зовнішнє магнітне поле було досить сильним, після його відключення шматок заліза стане постійним магнітом.

Знання форми та намагніченості постійного магніту дозволяє для розрахунків замінити його еквівалентною системою електричних струмів намагнічування. Така заміна можлива як із розрахунку характеристик магнітного поля, і при розрахунках сил, які діють магніт із боку зовнішнього поля. Наприклад проведемо розрахунок сили взаємодії двох постійних магнітів.

Нехай магніти мають форму тонких циліндрів, їх радіуси позначимо r1 і r2, товщини h1, h2 осі магнітів збігаються, відстань між магнітами позначимо z, вважатимемо, що воно значно більше розмірів магнітів.

Виникнення сили взаємодії між магнітами пояснюється традиційним способом: один магніт створює магнітне поле, яке впливає другий магніт.

Для розрахунку сили взаємодії подумки замінимо магніти з однорідною намагніченістю J1 і J2 круговими струмами, що течуть по бічній поверхні циліндрів. Сили цих струмів виразимо через намагніченості магнітів, які радіуси вважатимемо рівними радіусам магнітів.

Розкладемо вектор індукції B магнітного поля, створюваного першим магнітом у місці розташування другого на дві складові: осьову, спрямовану вздовж осі магніту, і радіальну перпендикулярну їй.

Для обчислення сумарної сили, що діє на кільце, необхідно розбити його подумки на малі елементи IΔl і підсумувати , що діють на кожні такий елемент.

Використовуючи правило лівої руки, легко показати, що осьова складова магнітного поля призводить до появи сил Ампера, які прагнуть розтягнути (або стиснути) кільце – векторна сума цих сил дорівнює нулю.

Наявність радіальної складової поля призводить до виникнення сил Ампера, спрямованих вздовж осі магнітів, тобто до тяжіння або відштовхування. Залишиться обчислити сили Ампера – це й будуть сили взаємодії між двома магнітами.