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.
Неодимовые и ферритовые магниты
Множество металлов обладает магнитными качествами, что позволяет использовать их во многих сферах промышленности и в быту. Еще недавно были широко распространены ферритовые магниты, сейчас же они все более вытесняются магнитами из сплава редкоземельного металла неодима, железа и бора. Последние приобретают все большую популярность. Какой магнит лучше – ферритовый или неодимовый, попробуем разобраться в этой статье.
Неодимовый магнит
Многие из нас слышали о неодимовых магнитах. Что это такое? Уникальные качества магнита обусловлены присутствием в сплаве неодима – химического элемента из группы лантаноидов таблицы Менделеева. Кроме основной составляющей, в состав неодимового магнита входят железо и бор, либо кобальт и иттрий. Изготавливается магнит из неодима способом нагрева порошковидной массы из действующих компонентов. Самая отличительная характеристика неодимового магнита – его мощность при достаточно малых размерах. Такой магнит обладает силой сцепления, в 10 и более раз превосходящей силу ферритовых магнитов.
Чтобы неодимовый магнит прослужил как можно дольше, на его поверхность наносят особый состав из никеля. Если же магнит планируется использовать в агрессивных либо высокотемпературных средах, то рекомендуется выбирать покрытие из цинка.
Применяются неодимовые магниты очень широко:
В качестве тисков или струбцины – мощность неодима обеспечивает равномерный зажим размещенного между магнитами материала.
Для развлечений – и детям, и взрослым одинаково интересно наблюдать за фокусами, поставленными при помощи данного магнита.
Для поиска предметов из стали и железа.
Для намагничивания металлических предметов. К вещам, что магнитит неодимовый магнит, относятся отвертки, иголки, ножи и другие изделия.
Для надежного закрепления на поверхности различных предметов.
Виды неодимовых магнитов
Неодимовые магниты выпускаются в различных конфигурациях и имеют разную массу. Даже небольшой магнит, размером 25*5 мм, способен выдержать вес до девяти килограмм и при неосторожном обращении может повредить кожу. А при использовании магнитов большей массы тем более нужно соблюдать определенные меры безопасности, чтобы исключить возможные травмы.
Ферритовый магнит – что это такое
Самыми распространенными среди обычных являются ферритовые магниты, представляющие собой сплав оксида железа с оксидами иных металлов. Простые магниты чаще всего изготавливаются в виде подковы. Среди основных характеристик ферромагнитов значатся:
Хорошая термостойкость.
Высокая магнитная проницаемость.
Низкая себестоимость.
На поверхность ферритовых магнитов обычно наносится маркировка полюсов красным и синим цветом.
Сравнение магнитов
Так чем отличается неодимовый магнит от обычного и как визуально можно определить эти различия? Неодимовые магниты стали очень популярны не так давно (технологии их производства всего около 30 лет), но уже применяются практически во всех сферах жизни. Как уже говорилось, самое главное отличие неодимового магнита от обычного – это его сила сцепления и основные магнитные характеристики: магнитная энергия, остаточная магнитная индукция и коэрцитивная сила. Значения этих характеристик во много раз превышают показатели ферромагнитов. Самый простой способ определить тип магнита – попробовать снять его с железной поверхности. Если он легко отделяется, то это ферромагнит, если же снять магнит удается только после приложения определенных усилий, то перед нами неодимовый магнит. Кроме данной особенности, магниты различаются еще по ряду признаков.
Срок службы
Если ферромагниты служат около 10 лет при правильном использовании и потом полностью размагничиваются, то срок службы неодимового магнита практически не ограничен. За человеческий век сила неодимовых магнитов теряется лишь на 1%.
Сила притяжения
Сила притяжения неодимового магнита при одинаковых размерах выше силы ферромагнита примерно в 10 раз. Поэтому маленький, но очень мощный магнит может использоваться в компьютерах и акустических системах, а также для изготовления различных сувениров и украшений.
Форма
Ферромагниты в основном производят в виде подковы с красной и синей лапками, показывающими отрицательный и положительный полюса. Подковообразная форма позволяет замкнуть линии магнитного поля для увеличения срока службы ферромагнита. Неодимовые магниты выпускаются самых различных форм и конфигураций – параллелепипед, кольцо, диск и другие. На их поверхности можно разместить несколько полюсов, то есть сделать их «мультиполярными».
Цена
Неодимовый магнит стоит дороже ферритового, что оправдывается его характеристиками и сроком службы. Купив магнит из неодима, вы получаете практически «вечный» магнит, по крайней мере, за вашу жизнь его качества почти не изменятся.
Преимущества и применение неодимового магнита
Таким образом, неодимовый магнит, несмотря на более высокую цену, обладает неоспоримыми преимуществами по сравнению с обычным ферритовым. Увеличенная мощность, долгий срок службы, различная форма изготовления обеспечили магниту из сплава «неодим-железо-бор» высокий спрос среди потребителей.
Зачем нужен неодимовый магнит
Что значит неодимовый магнит для современного человека в повседневной жизни? Кроме вышеперечисленных способов применения, популярный материал используется для:
Очистки аквариумов и других емкостей, а также моторного и трансмиссионного масла, применяемого в автотехнике.
Аккуратного выравнивания металлических поверхностей.
Размагничивания дисков, пленок и для многих других действий.
Конечно, все перечисленные в статье характеристики неодимовых магнитов имеют значение только при приобретении качественных материалов. Каждый, кто отдельно покупал неодимы в Мире Магнитов , знает, что интернет-магазин предоставляет все необходимые гарантии и сертификаты качества, а также обеспечивает каждого покупателя грамотной консультацией.
Для начала нужно понять, что такое магнит вообще. Магнит - это природный энергетический материал, который имеет в себе неиссякаемое энергетическое поле и два полюса, которые называются северным и южным. Хотя в наше время человечество, конечно же, научилось создавать это необычное явление искусственно.
Силу двух полюсов магнита человек научился использовать практически везде. Современное общество повседневно пользуется вентилятором - в его двигателе стоят специальные магнитные щётки, абсолютно каждый день и до глубокой ночи смотрят телевизор, работают на компьютере, а в нём достаточно большое количество этих элементов. У каждого в доме на стене висят часы, всякие красивые маленькие игрушки на дверке холодильника, колонки на всём звуковом оборудовании работают исключительно благодаря этому чудесному магниту.
На промышленных предприятиях рабочие пользуются электродвигателями, сварочными аппаратами. В строительстве используется магнитный подъёмный кран, железо-отделительная лента. Встроенное в неё магнитное устройство помогает абсолютно отделить стружку и окалину от готовой продукции. Эти магнитные ленты также используются в пищевой промышленности.
Еще магнит применяется в ювелирных изделиях, а это браслеты, цепочки, всевозможные кулоны, кольца, серёжки, и даже заколки для волос.
Нужно понять, что без этого природного элемента наше существование станет намного сложнее. Во многих предметах и устройствах используются магниты – от детских игрушек до вполне серьезных вещей. Ведь не зря в электротехнике и физике есть специальный раздел – электричество и магнетизм. Эти две науки тесно связаны. Все предметы, где имеется этот элемент, сразу и не перечислишь.
В наше время всё больше появляются новых изобретений и во многих из них имеются магниты, особенно если это связано с электротехникой. Даже всемирно известный коллайдер работает исключительно при помощи электромагнитов.
Магнит также обширно используется в медицинских целях – например, для резонансного сканирования внутренних органов человека, а также и в хирургических целях. Он используется для всяческих магнитных поясов, массажных кресел и так далее. Целебные свойства магнита не придуманы – например, в Грузии на Черном море есть уникальный курорт Уреки, где песок не обычный – желтый, а черный – магнитный. Туда едут лечить многие заболевания, в особенности детские – ДЦП, нервные расстройства, и даже гипертонию.
Ещё магниты используются на перерабатывающих предприятиях. Например, старые автомобили сначала давят прессом, а потом грузят магнитным погрузчиком.
Также бывают так называемые неодимовые магниты. Они используются в различных сферах промышленности, где температура не выше 80°C. Эти магниты используют сейчас практически везде.
Магниты сейчас настолько тесно вошли в нашу жизнь, что без них наша жизнь станет очень сложной –примерно на уровне 18-19 веков. Если бы прямо сейчас все магниты исчезли, мы моментально лишились бы электричества – остались бы только такие его источники, как аккумуляторы и батарейки. Ведь в устройстве любого генератора тока важнейшая часть – именно магнит. И не думайте, что Ваш автомобиль заведется от аккумулятора – стартер ведь тоже представляет собой электрический двигатель, где самая важная часть – магнит. Да, можно жить и без магнитов, но жить при этом придется так, как жили наши предки лет 100 и более назад…
Каждый держал в руках магнит и забавлялся им в детстве. Магниты могут быть самыми разными по форме, размерам, но все магниты имеют общее свойство - они притягивают железо. Похоже, что они и сами сделаны из железа, во всяком случае, из какого-то металла точно. Есть, однако, и «черные магниты» или «камни», они тоже сильно притягивают железки, и особенно друг друга.
Но на металл они не похожи, легко бьются, как стеклянные. В хозяйстве магнитам находится множество полезных дел, например, удобно с их помощью «пришпиливать» бумажные листы к железным поверхностям. Магнитом удобно собирать потерянные иголки, так что, как мы видим, это совсем небесполезная вещь.
Наука 2.0 - Большой скачок - Магниты
Магнит в прошлом
Ещё древние китайцы более 2000 лет назад знали о магнитах, по крайней мере то, что это явление можно использовать для выбора направления при путешествиях. То есть придумали компас. Философы в древней Греции, люди любопытные, собирая различные удивительные факты, столкнулись с магнитами в окрестностях города Магнесса в Малой Азии. Там и обнаружили странные камни, которые могли притягивать железо. По тем временам, это было не менее удивительным, чем могли бы стать в наше время инопланетяне.
Еще более удивительным казалось, что магниты притягивают далеко не все металлы, а только железо, и само железо способно становиться магнитом, хотя и не таким сильным. Можно сказать, что магнит притягивал не только железо, но и любопытство ученых, и сильно двигал вперед такую науку, как физика. Фалес из Милета писал о «душе магнита», а римлянин Тит Лукреций Кар – о «бушующем движении железных опилок и колец», в своем сочинении «О природе вещей». Уже он мог заметить наличие двух полюсов у магнита, которые потом, когда компасом начали пользоваться моряки, получили названия в честь сторон света.
Что такое магнит. Простыми словами. Магнитное поле
За магнит взялись всерьез
Природу магнитов долгое время не могли объяснить. С помощью магнитов открывали новые континенты (моряки до сих пор относятся к компасу с огромным уважением), но о самой природе магнетизма по прежнему никто ничего не знал. Работы велись только по усовершенствованию компаса, чем занимался еще географ и мореплаватель Христофор Колумб.
В 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед сделал важнейшее открытие. Он установил действие провода с электрическим током на магнитную стрелку, и как ученый, выяснил опытами как это происходит в разных условиях. В том же году французский физик Анри Ампер выступил с гипотезой об элементарных круговых токах, протекающих в молекулах магнитного вещества. В 1831-ом году англичанин Майкл Фарадей с помощью катушки из изолированного провода и магнита проводит опыты, показывающие, что механическую работу можно превратить в электрический ток. Он же устанавливает закон электромагнитной индукции и вводит в обращение понятие «магнитное поле».
Закон Фарадея устанавливает правило: для замкнутого контура электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. На этом принципе работают все электрические машины - генераторы, электродвигатели, трансформаторы.
В 1873 году шотландский ученый Джеймс К. Максвелл сводит магнитные и электрические явления в одну теорию, классическую электродинамику.
Вещества, способные намагничиваться, получили название ферромагнетиков. Это название связывает магниты с железом, но кроме него, способность к намагничиванию обнаруживается еще у никеля, кобальта, и некоторых других металлов. Поскольку магнитное поле уже перешло в область практического использования, то и магнитные материалы стали предметом большого внимания.
Начались эксперименты со сплавами из магнитных металлов и различными добавками в них. Стоили получаемые материалы очень дорого, и если бы Вернеру Сименсу не пришла в голову идея заменить магнит сталью, намагничиваемой сравнительно небольшим током, то мир так бы и не увидел электрического трамвая и компании Siemens. Сименс занимался еще телеграфными аппаратами, но тут у него было много конкурентов, а электрический трамвай дал фирме много денег, и в конечном счете, потянул за собой все остальное.
Электромагнитная индукция
Основные величины, связанные с магнитами в технике
Мы будем интересоваться в основном магнитами, то есть ферромагнетиками, и оставим немного в стороне остальную, очень обширную область магнитных (лучше сказать, электромагнитных, в память о Максвелле) явлений. Единицами измерений у нас будут те, которые приняты в СИ (килограмм, метр, секунда, ампер) и их производные:
l Напряженность поля , H, А/м (ампер на метр).
Эта величина характеризует напряженность поля между параллельными проводниками, расстояние между которыми 1 м, и протекающий по ним ток 1 А. Напряженность поля является векторной величиной.
l Магнитная индукция , B, Тесла, плотность магнитного потока (Вебер/м.кв.)
Эта отношение тока через проводник к длине окружности, на том радиусе, на котором нас интересует величина индукции. Окружность лежит в плоскости, которую провод пересекает перпендикулярно. Сюда входит еще множитель, называемый магнитной проницаемостью. Это векторная величина. Если мысленно смотреть в торец провода и считать, что ток течет в направлении от нас, то магнитные силовые окружности «вращаются» по часовой стрелке, а вектор индукции приложен к касательной и совпадает с ними по направлению.
l Магнитная проницаемость , μ (относительная величина)
Если принять магнитную проницаемость вакуума за 1, то для остальных материалов мы получим соответствующие величины. Так, например, для воздуха мы получим величину, практически такую же как и для вакуума. Для железа мы получим существенно большие величины, так что можно образно (и весьма точно) говорить, что железо «втягивает» в себя силовые магнитные линии. Если напряженность поля в катушке без сердечника будет равняться H, то с сердечником мы получаем μH.
l Коэрцитивная сила , А/м.
Коэрцитивная сила показывает, насколько магнитный материал сопротивляется размагничиванию и перемагничиванию. Если ток в катушке совсем убрать, то в сердечнике будет остаточная индукция. Чтобы сделать ее равной нулю, нужно создать поле некоторой напряженности, но обратной, то есть пустить ток в обратном направлении. Эта напряженность и называется коэрцитивной силой.
Поскольку магниты на практике всегда используются в какой-то связи с электричеством, то не стоит удивляться тому, что для описания их свойств используется такая электрическая величина, как ампер.
Из сказанного следует возможность, например, гвоздю, на который подействовали магнитом, самому стать магнитом, хотя и более слабым. На практике выходит, что даже дети, забавляющиеся магнитами, об этом знают.
К магнитам в технике предъявляют разные требования, в зависимости от того, куда идут эти материалы. Ферромагнитные материалы делятся на «мягкие» и «жесткие». Первые идут на изготовление сердечников для приборов, где магнитный поток постоянный или переменный. Хорошего самостоятельного магнита из мягких материалов не сделаешь. Они слишком легко размагничиваются и здесь это как раз их ценное свойство, поскольку реле должно «отпустить» если ток выключен, а электрический мотор не должен греться - на перемагничивание расходуется лишняя энергия, которая выделяется в форме тепла.
КАК ВЫГЛЯДИТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НА САМОМ ДЕЛЕ? Игорь Белецкий
Постоянные магниты, то есть те, которые магнитами и называют, требуют для своего изготовления жестких материалов. Жесткость имеется в виду магнитная, то есть большая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила, поскольку, как мы видели, эти величины тесно связаны между собой. На такие магниты идут углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали. Их коэрцитивная сила достигает значений около 6500 А/м.
Есть особые сплавы, которые называются альни, альниси, альнико и множество других, как можно догадаться в них входят алюминий, никель, кремний, кобальт в разных сочетаниях, которые обладают большей коэрцитивной силой - до 20000…60000 А/м. Такой магнит не так-то просто оторвать от железа.
Есть магниты, специально предназначенные для работы на повышенной частоте. Это многим известный «круглый магнит». Его «добывают» из негодного динамика из колонки музыкального центра, или автомагнитолы или даже телевизора прошлых лет. Этот магнит изготовлен путем спекания окислов железа и специальных добавок. Такой материал называется ферритом, но не каждый феррит специально так намагничивается. А в динамиках его применяют из соображений уменьшения бесполезных потерь.
Магниты. Discovery. Как это работает?
Что происходит внутри магнита?
Благодаря тому, что атомы вещества являются своеобразными «сгустками» электричества, они могут создавать свое магнитное поле, но только у некоторых металлов, имеющих сходное атомное строение, эта способность выражена очень сильно. И железо, и кобальт, и никель стоят в периодической системе Менделеева рядом, и имеют похожие строения электронных оболочек, которое превращает атомы этих элементов в микроскопические магниты.
Поскольку металлы можно назвать застывшей смесью различных кристаллов очень маленького размера, то понятно, что магнитных свойств у таких сплавов может быть очень много. Многие группы атомов могут «разворачивать» свои собственные магниты под влиянием соседей и внешних полей. Такие «сообщества» называются магнитными доменами, и образуют весьма причудливые структуры, которые до сих пор с интересом изучаются физиками. Это имеет большое практическое значение.
Как уже говорилось, магниты могут иметь почти атомные размеры, поэтому наименьший размер магнитного домена ограничивается размером кристалла, в который встроены атомы магнитного металла. Этим объясняется, например, почти фантастическая плотность записи на современные жесткие диски компьютеров, которая, видимо, еще будет расти, пока у дисков не появятся конкуренты посерьезнее.
Гравитация, магнетизм и электричество
Где применяются магниты?
Сердечники которых являются магнитами из магнитов, хотя обычно их называют просто сердечниками, магниты находят еще множество применений. Есть канцелярские магниты, магниты для защелкивания мебельных дверей, магниты в шахматах для путешественников. Это известные всем магниты.
К более редким видам относятся магниты для ускорителей заряженных частиц, это очень внушительные сооружения, которые могут весить десятки тонн и больше. Хотя сейчас экспериментальная физика поросла травой, за исключением той части, которая тут же приносит сверхприбыли на рынке, а сама почти ничего не стоит.
Еще один любопытный магнит установлен в медицинском навороченном приборе, который называется магнитно-резонансным томографом. (Вообще-то метод называется ЯМР, ядерный магнитный резонанс, но чтобы не пугать народ, который в массе не силен в физике, его переименовали.) Для прибора требуется помещение наблюдаемого объекта (пациента) в сильное магнитное поле, и соответствующий магнит имеет устрашающие размеры и форму дьявольского гроба.
Человека кладут на кушетку, и прокатывают через тоннель в этом магните, пока датчики сканируют место, интересующее врачей. В общем, ничего страшного, но у некоторых клаустрофобия доходит до степени паники. Такие охотно дадут себя резать живьем, но не согласятся на обследование МРТ. Впрочем, кто знает, как человек чувствует себя в необычно сильном магнитном поле с индукцией до 3 Тесла, после того, как заплатил за это хорошие деньги.
Чтобы получить такое сильное поле, часто используют сверхпроводимость, охлаждая катушку магнита жидким водородом. Это дает возможность «накачивать» поле без опасений, что нагрев проводов сильным током ограничит возможности магнита. Это совсем недешевая установка. Но магниты из специальных сплавов, которые не требуют подмагничивания током, стоят значительно дороже.
Наша Земля тоже является большим, хотя и не очень сильным магнитом. Он помогает не только владельцам магнитного компаса, но и спасает нас от гибели. Без него мы были бы убиты солнечной радиацией. Картина магнитного поля Земли, смоделированная компьютерами по данным наблюдений из космоса выглядит очень внушительно.
Вот небольшой ответ на вопрос, о том, что такое магнит в физике и технике.
Ещё в Древнем Китае обратили внимание на свойство некоторых металлов притягивать. Это физическое явление получило название магнетизм, а материалы, обладающие этой способностью, назвали магнитами. Сейчас это свойство активно используется в радиолектронике и промышленности, а особо мощные магниты используют, в том числе и для поднятия и транспортировки больших объёмов металла. Применяются свойства этих материалов и в быту – многим известны магнитные открытки и буквы для обучения детей. Какие магниты бывают, где их используют, что такое неодимовый, об этом расскажет этот текст.
Виды магнитов
В современном мире их классифицируют по трём основным категориям по типу создаваемого ими магнитного поля:
- постоянные, состоящие из природного материала, обладающего этими физическими свойствами, например, неодимовые;
- временные, обладающие этими свойствами во время нахождения в поле действия магнитного поля;
- электромагниты – это витки провода на сердечнике, создающие электромагнитное поле при прохождении энергии по проводнику.
В свою очередь, наиболее распространённые постоянные магниты подразделяются на пять основных классов, по своему химическому составу:
- ферромагниты на основе железа и его сплавов с барием и стронцием;
- неодимовые магниты, имеющие в своём составе редкоземельный металл неодим, в сплаве с железом и бором (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
- самариево-кобальтовые сплавы, имеющие сравнимые с неодимовым магнитные характеристики, но в тоже время более широкий температурный диапазон применения (SmCo);
- сплав Альнико, он же ЮНДК, этот сплав отличается высокой коррозионной устойчивостью и высоким температурным пределом;
- магнитопласты, представляющие собой смесь магнитного сплава со связующим, это позволяет создать изделия различных форм и размеров.
Сплавы магнитных металлов хрупкие и достаточно дешёвые изделия, обладающие средними качествами. Обычно это сплав оксида железа с ферритами стронция и бария. Температурный диапазон стабильной работы магнита не выше 250-270°C. Технические характеристики:
- коэрцитивная сила – около 200 кА/м;
- остаточная индукция – до 0,4 Тесла;
- средний срок службы – 20-30 лет.
Что такое неодимовые магниты
Это наиболее мощные из постоянных, но в тоже время достаточно хрупкие и нестойкие к коррозии, в основе этих сплавов лежит редкоземельный минерал – неодим. Это самый сильный магнит из постоянных.
Характеристики:
- коэрцитивная сила – около 1000 кА/м;
- остаточная индукция – до 1,1 Тесла;
- средний срок службы – до 50 лет.
Их применение ограничивает только низкий предел температурного диапазона, для наиболее термостойких марок неодимового магнита это 140°C, в то время как менее стойкие разрушаются при температуре свыше 80 градусов.
Самариевокобальтовые сплавы
Обладающие высокими техническими характеристиками, но в тоже время очень дорогие сплавы.
Характеристики:
- коэрцитивная сила – около 700 кА/м;
- остаточная индукция – до 0,8-1,0 Тесла;
- средний срок службы – 15-20 лет.
Они используются для сложных условий работы: высокие температуры, агрессивные среды и большая нагрузка. Из-за сравнительно высокой стоимости их применение несколько ограничено.
Альнико
Порошковый сплав из кобальта (37-40%) с добавлением алюминия и никеля также обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, кроме того способностью сохранять свои магнитные свойства при температурах до 550°C. Их технические характеристики ниже, чем у ферромагнитных сплавов и составляют:
- коэрцитивная сила – около 50 кА/м;
- остаточная индукция – до 0,7 Тесла;
- средний срок службы – 10-20 лет.
Но, несмотря на это, именно этот сплав наиболее интересен для применения в научной сфере. Кроме того, добавление в сплав титана и ниобия способствует повышению коэрцетивной силы сплава до 145-150 кА/м.
Магнитопласты
Используются в основном в быту для изготовления магнитных открыток, календарей и прочих мелочей, характеристики магнитного поля незначительно падают из-за меньшей концентрации магнитного состава.
Это основные типы постоянных магнитов. Электромагнит по принципу действия и применению несколько отличается от таких сплавов.
Интересно. Неодимовые магниты используются практически повсеместно, в том числе и в дизайне для создания парящих конструкций, и в культуре для этих же целей.
Электромагнит и демагнитизатор
Если электромагнит создаёт поле при прохождении через витки обмотки электроэнергии, то демагнитизатор, наоборот, снимает остаточное магнитное поле. Применять этот эффект можно в разных целях. Например, что можно сделать демагнитизатором? Ранее демагнитизатор использовался для размагничивания воспроизводящих головок магнитофонов, кинескопов телевизоров и выполнения иных функций подобного рода. Сегодня его зачастую применяют в несколько незаконных целях, для размагничивания счётчиков после применения на них магнитов. Кроме того это устройство можно и нужно применять для снятия остаточного магнитного поля с инструментов.
Состоит демагнитизатор обычно из обычной катушки, иначе говоря, по устройству этот прибор полностью повторяет собой электромагнит. На катушку подаётся переменное напряжение, после чего устройство, с которого мы снимаем остаточное поле, убирается из зоны действия демагнитизатора, после чего он отключается
Важно! Использование магнита для «подкрутки» счётчика незаконно и влечёт за собой штраф. Неправильное использование демагнитизатора может привести к полному размагничиванию прибора и его выходу из строя.
Самостоятельное изготовление магнита
Для этого достаточно найти металлический брусок из стали или другого ферросплава, можно использовать составной сердечник трансформатора, после чего сделать обмотку. Намотать на сердечник несколько витков медной обмоточной проволоки. Для безопасности стоит включить в схему плавкий предохранитель. Как сделать мощный магнит? Для этого нужно увеличивать силу тока в обмотке, чем она выше, тем больше магнитная сила устройства.
При включении устройства в сеть и подаче электроэнергии на обмотку, устройство будет притягивать металл, то есть фактически это самый настоящий электромагнит, пусть и несколько упрощённой конструкции.
