Imants permanents: tipus i propietats, formes, interacció dels imants

Què és un imant permanent

Un producte ferromagnètic capaç de retenir una magnetització residual significativa després de l'eliminació del camp magnètic extern s'anomena imant permanent.

Els imants permanents estan fets de diversos metalls com el cobalt, ferro, níquel, aliatges de terres rares (per a imants de neodimi) així com minerals naturals com les magnetites.

L'àmbit d'aplicació dels imants permanents avui és molt ampli, però el seu propòsit és fonamentalment el mateix a tot arreu: com a font de camp magnètic permanent sense font d'alimentació… Per tant, un imant és un cos que té el seu camp magnètic.

La mateixa paraula "imant" prové de la frase grega que es tradueix com "Pedra de Magnèsia", que rep el nom de la ciutat asiàtica on es van descobrir jaciments de magnetita, un mineral de ferro magnètic, en l'antiguitat.… Des del punt de vista físic, un imant elemental és un electró, i les propietats magnètiques dels imants solen estar determinades pels moments magnètics dels electrons que formen el material magnetitzat.

L'imant permanent és una part sistemes magnètics de productes elèctrics... Els dispositius d'imants permanents es basen generalment en la conversió d'energia:

• mecànic a mecànic (separadors, connectors magnètics, etc.);

• mecànica a electromagnètica (generadors elèctrics, altaveus, etc.);

• electromagnètics a mecànics (motors elèctrics, altaveus, sistemes magnetoelèctrics, etc.);

• mecànic a intern (dispositius de fre, etc.).

Els requisits següents s'apliquen als imants permanents:

• alta energia magnètica específica;

• dimensions mínimes per a una intensitat de camp determinada;

• mantenir el rendiment en una àmplia gamma de temperatures de funcionament;

• resistència als camps magnètics externs; - tecnologia;

• baix cost de les matèries primeres;

• estabilitat dels paràmetres magnètics al llarg del temps.

La varietat de tasques resoltes amb l'ajuda d'imants permanents requereix la creació de moltes formes de la seva implementació.Els imants permanents solen tenir forma de ferradura (els anomenats imants de "ferradura").

La figura mostra exemples de formes d'imants permanents produïts industrialment basats en elements de terres rares amb un recobriment protector.

Imants permanents produïts comercialment de diverses formes: a — disc; b — anell; c — paral·lelepípede; g — cilindre; d — pilota; e — sector d'un cilindre buit

Els imants també es produeixen a partir d'aliatges metàl·lics magnètics durs i ferrites en forma de varetes rodones i rectangulars, així com tubulars, en forma de C, en forma de ferradura, en forma de plaques rectangulars, etc.

Després de donar forma al material, s'ha de magnetitzar, és a dir, col·locar-lo en un camp magnètic extern, perquè els paràmetres magnètics dels imants permanents estan determinats no només per la seva forma o el material del qual estan fets, sinó també per la direcció de magnetització.

Les peces de treball es magnetitzen mitjançant imants permanents, electroimants de corrent continu o bobines magnetitzadores per les quals passen polsos de corrent. L'elecció del mètode de magnetització depèn del material i la forma de l'imant permanent.

Com a conseqüència d'un fort escalfament, impactes, imants permanents poden perdre parcialment o totalment les seves propietats magnètiques (desmagnetització).

Característiques de la secció de desmagnetització bucles d'histèresi magnètica el material del qual està fet un imant permanent determina les propietats d'un imant permanent particular: com més gran és la força coercitiva Hc i més gran és el valor residual inducció magnètica Br: l'imant més fort i estable.

Poder coercitiu (traduït literalment del llatí - "força de retenció") - una força que impedeix un canvi en la polarització magnètica ferroimants.

Mentre el ferroimant no estigui polaritzat, és a dir, els corrents elementals no estiguin orientats, la força coercitiva impedeix l'orientació dels corrents elementals. Però quan el ferroimant ja està polaritzat, manté els corrents elementals en una posició orientada fins i tot després d'eliminar el camp magnetitzador extern.

Això explica el magnetisme residual vist en molts ferroimants. Com més gran és la força coercitiva, més fort és el fenomen del magnetisme residual.

Així és el poder coercitiu intensitat del camp magnèticnecessari per a la desmagnetització completa d'una substància ferromagnètica o ferrimagnètica. Així, com més coercitiu té un determinat imant, més resistent és als factors desmagnetitzants.

Unitat de mesura de la força coercitiva al NE - Ampère/metre. A inducció magnètica, com sabeu, és una magnitud vectorial, que és una força característica del camp magnètic. El valor característic de la inducció magnètica residual dels imants permanents és de l'ordre d'1 Tesla.

Histèresi magnètica — la presència dels efectes de la polarització dels imants fa que la magnetització i la desmagnetització del material magnètic es produeixin de manera desigual, ja que la magnetització del material tot el temps està lleugerament endarrerida amb el camp de magnetització.

En aquest cas, part de l'energia gastada en magnetitzar el cos no es retorna durant la desmagnetització, sinó que es converteix en calor. Per tant, invertir repetidament la magnetització del material s'associa amb pèrdues d'energia notables i de vegades pot provocar un fort escalfament del cos magnetitzat.

Com més pronunciada sigui la histèresi del material, més gran serà la pèrdua quan s'inverteix la magnetització. Per tant, els materials que no tenen histèresi s'utilitzen per a circuits magnètics amb flux magnètic altern (vegeu: Nuclis magnètics d'aparells elèctrics).

Les propietats magnètiques dels imants permanents poden canviar sota la influència del temps i de factors externs, que inclouen:

• temperatura;

• camps magnètics;

• càrregues mecàniques;

• radiació, etc.

El canvi en les propietats magnètiques es caracteritza per la inestabilitat de l'imant permanent, que pot ser estructural o magnètic.

La inestabilitat estructural s'associa a canvis en l'estructura cristal·lina, transformacions de fase, reducció de tensions internes, etc. En aquest cas, les propietats magnètiques originals es poden obtenir restaurant l'estructura (per exemple, mitjançant el tractament tèrmic del material).

La inestabilitat magnètica és causada per un canvi en l'estructura magnètica de la substància magnètica, que tendeix a l'equilibri termodinàmic al llarg del temps i sota la influència d'influències externes. La inestabilitat magnètica pot ser:

• reversible (el retorn a les condicions inicials restaura les propietats magnètiques originals);

• irreversible (el retorn de les propietats originals només es pot aconseguir mitjançant una magnetització repetida).

Imant permanent o electroimant: què és millor?

L'ús d'imants permanents per crear un camp magnètic permanent en lloc dels seus electroimants equivalents permet:

• reduir les característiques de pes i mida dels productes;

• exclou l'ús de fonts d'energia addicionals (que simplifica el disseny dels productes, redueix el cost de la seva producció i funcionament);

• proporcionar un temps gairebé il·limitat per mantenir el camp magnètic en condicions de treball (segons el material utilitzat).

Els desavantatges dels imants permanents són:

• fragilitat dels materials utilitzats en la seva creació (això complica el processament mecànic dels productes);

• la necessitat de protecció contra la influència de la humitat i la floridura (per a ferrites GOST 24063), així com contra la influència de la humitat i la temperatura altes.

Tipus i propietats dels imants permanents

Ferrita

Els imants de ferrita, tot i que són fràgils, tenen una bona resistència a la corrosió, cosa que els fa els més comuns a baix cost. Aquests imants estan fets d'un aliatge d'òxid de ferro amb ferrita de bari o estronci. Aquesta composició permet que el material conservi les seves propietats magnètiques en un ampli rang de temperatures, des de -30 ° C fins a + 270 ° C.

Els productes magnètics en forma d'anells de ferrita, varetes i ferradures s'utilitzen àmpliament tant a la indústria com a la vida quotidiana, en tecnologia i electrònica. S'utilitzen en sistemes d'altaveus, en generadors, en motors de corrent continu… A la indústria de l'automòbil, els imants de ferrita s'instal·len als arrencadors, finestres, sistemes de refrigeració i ventiladors.

Els imants de ferrita es caracteritzen per una força coercitiva d'uns 200 kA/m i una inducció magnètica residual d'uns 0,4 Tesla. De mitjana, un imant de ferrita pot durar de 10 a 30 anys.

Alnico (alumini-níquel-cobalt)

Els imants permanents basats en un aliatge d'alumini, níquel i cobalt es caracteritzen per una estabilitat i estabilitat de temperatura insuperables: són capaços de mantenir les seves propietats magnètiques a temperatures de fins a + 550 ° C, encara que la seva força coercitiva és relativament petita. Sota la influència d'un camp magnètic relativament petit, aquests imants perdran les seves propietats magnètiques originals.

Jutgeu per vosaltres mateixos: una força coercitiva típica és d'uns 50 kA / m amb una magnetització residual d'uns 0,7 Tesla. Malgrat aquesta característica, els imants alnico són indispensables per a algunes investigacions científiques.

El contingut típic de components en aliatges d'àlnic amb propietats magnètiques elevades varia dins dels límits següents: alumini - del 7 al 10%, níquel - del 12 al 15%, cobalt - del 18 al 40% i del 3 al 4% de coure.

Com més cobalt, més gran serà la inducció de saturació i l'energia magnètica de l'aliatge. Els additius en forma d'entre 2 i 8% de titani i només un 1% de niobi contribueixen a obtenir una força coercitiva més alta, fins a 145 kA / m. L'addició de 0,5 a 1% de silici garanteix propietats magnètiques isòtropes.

Samaria

Si necessiteu una resistència excepcional a la corrosió, l'oxidació i temperatures de fins a + 350 ° C, llavors un aliatge magnètic de samari amb cobalt és el que necessiteu.

A un cert preu, els imants de samari-cobalt són més cars que els imants de neodimi a causa del metall més escàs i car, el cobalt. No obstant això, es recomana utilitzar-los si és necessari tenir unes dimensions i pes mínims dels productes finals.

Això és més adequat en naus espacials, aviació i tecnologia informàtica, motors elèctrics en miniatura i acoblaments magnètics, en dispositius portàtils i dispositius (rellotges, auriculars, telèfons mòbils, etc.)

A causa de la seva especial resistència a la corrosió, els imants de samari s'utilitzen en el desenvolupament estratègic i les aplicacions militars. Motors elèctrics, generadors, sistemes d'elevació, vehicles de motor: un imant fort fet d'aliatge de samari-cobalt és ideal per a entorns agressius i condicions de treball difícils. La força coercitiva és de l'ordre de 700 kA/m amb una inducció magnètica residual de l'ordre d'1 Tesla.

Neodimi

Els imants de neodimi tenen una gran demanda avui dia i semblen ser els més prometedors. L'aliatge de neodimi-ferro-bor us permet crear súper imants per a una varietat d'aplicacions, des de panys i joguines fins a generadors elèctrics i potents màquines d'elevació.

Una força coercitiva elevada d'uns 1000 kA/m i una magnetització residual d'uns 1,1 Tesla permeten mantenir l'imant durant molts anys, durant 10 anys un imant de neodimi perd només un 1% de la seva magnetització si la seva temperatura en condicions de funcionament no supera. + 80 ° C (per a algunes marques fins a + 200 ° C). Per tant, només hi ha dos desavantatges dels imants de neodimi: fragilitat i baixa temperatura de funcionament.

Magnetoplasts

La pols magnètica juntament amb l'aglutinant forma un imant suau, flexible i lleuger. Els components d'unió com el vinil, el cautxú, el plàstic o l'acrílic permeten produir imants de diferents formes i mides.

La força magnètica és, per descomptat, inferior al material magnètic pur, però de vegades aquestes solucions són necessàries per aconseguir certs propòsits inusuals per als imants: en la producció de productes publicitaris, en la producció d'adhesius extraïbles per a cotxes, així com en la producció de diversos articles de papereria i records.

Interacció dels imants

Com els pols dels imants es repel·len i, a diferència dels pols, s'atrauen. La interacció dels imants s'explica pel fet que cada imant té un camp magnètic i aquests camps magnètics interactuen entre ells. Per exemple, quina és la raó de la magnetització del ferro?

Segons la hipòtesi del científic francès Ampere, dins de la substància hi ha corrents elèctrics elementals (Corrents d'amperes), que es formen a causa del moviment dels electrons al voltant dels nuclis dels àtoms i al voltant del seu propi eix.

Els camps magnètics elementals sorgeixen del moviment dels electrons.I si s'introdueix un tros de ferro en un camp magnètic extern, aleshores tots els camps magnètics elementals d'aquest ferro s'orienten de la mateixa manera en un camp magnètic extern, formant el seu propi camp magnètic a partir d'un tros de ferro. Així, si el camp magnètic extern aplicat fos prou fort, un cop apagat, la peça de ferro es convertiria en un imant permanent.

Conèixer la forma i la magnetització d'un imant permanent permet substituir els càlculs per un sistema equivalent de corrents magnetitzants elèctrics. Aquesta substitució és possible tant quan es calculen les característiques del camp magnètic com quan es calculen les forces que actuen sobre l'imant des del camp extern.

Per exemple, calculem la força d'interacció de dos imants permanents. Que els imants tinguin forma de cilindres prims, els seus radis es denotaran amb r1 i r2, els gruixos són h1, h2, els eixos dels imants coincideixen, la distància entre els imants s'indicarà amb z, suposarem que és molt més gran que la mida dels imants.

L'aparició de la força d'interacció entre imants s'explica de la manera tradicional: un imant crea un camp magnètic que actua sobre el segon imant.

Per calcular la força d'interacció, substituïm mentalment els imants J1 i J2 magnetitzats uniformement per corrents circulars que flueixen a la superfície lateral dels cilindres. Les forces d'aquests corrents s'expressaran en funció de la magnetització dels imants, i els seus radis es consideraran iguals als radis dels imants.

Anem a descompondre el vector d'inducció B del camp magnètic creat pel primer imant en lloc del segon en dos components: axial, dirigit al llarg de l'eix de l'imant, i radial, perpendicular a aquest.

Per calcular la força total que actua sobre l'anell, cal dividir-lo mentalment en petits elements Idl i suma. Amperesactuant sobre cada un d'aquests elements.

Utilitzant la regla de l'esquerra, és fàcil demostrar que la component axial del camp magnètic dóna lloc a forces Ampere que tendeixen a estirar (o comprimir) l'anell: la suma vectorial d'aquestes forces és zero.

La presència de la component radial del camp porta a l'aparició de forces Ampere dirigides al llarg de l'eix dels imants, és a dir, a la seva atracció o repulsió. Queda per calcular les forces amperes: aquestes seran les forces d'interacció entre els dos imants.

Vegeu també:L'ús d'imants permanents en enginyeria elèctrica i energia