المغناطيس الدائم - أنواع وخصائص وأشكال وتفاعل المغناطيس

ما هو المغناطيس الدائم

يُطلق على المنتج المغنطيسي الحديدي القادر على الاحتفاظ بمغنطة كبيرة متبقية بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي بالمغناطيس الدائم.

المغناطيس الدائم مصنوع من معادن مختلفة مثل الكوبالت والحديد والنيكل وسبائك الأرض النادرة (لمغناطيس النيوديميوم) وكذلك المعادن الطبيعية مثل المغنتيت.

نطاق تطبيق المغناطيس الدائم واسع جدًا اليوم ، لكن الغرض منه هو نفسه في الأساس في كل مكان - كمصدر مجال مغناطيسي دائم بدون مصدر طاقة... وبالتالي فإن المغناطيس هو جسم له جسده الخاص حقل مغناطيسي.

تأتي كلمة "المغناطيس" ذاتها من العبارة اليونانية التي تترجم كـ "حجر المغنيسيا" ، الذي سمي على اسم مدينة آسيوية حيث تم اكتشاف رواسب المغنتيت - خام الحديد المغناطيسي - في العصور القديمة... من وجهة نظر فيزيائية ، فإن المغناطيس الأولي هو إلكترون ، والخصائص المغناطيسية للمغناطيس تتحدد عادة باللحظات المغناطيسية للإلكترونات التي تشكل المادة الممغنطة.

المغناطيس الدائم جزء الأنظمة المغناطيسية للمنتجات الكهربائية... تعتمد أجهزة المغناطيس الدائم بشكل عام على تحويل الطاقة:

• ميكانيكي إلى ميكانيكي (فواصل ، موصلات مغناطيسية ، إلخ) ؛

• ميكانيكي إلى كهرومغناطيسي (مولدات كهربائية ، مكبرات صوت ، إلخ) ؛

• كهرومغناطيسي إلى ميكانيكي (محركات كهربائية ، مكبرات صوت ، أنظمة مغناطيسية كهربائية ، إلخ) ؛

• ميكانيكي إلى داخلي (أجهزة الفرامل ، إلخ).

تنطبق المتطلبات التالية على المغناطيس الدائم:

• طاقة مغناطيسية عالية النوعية ؛

• الأبعاد الدنيا لشدة مجال معينة ؛

• الحفاظ على الأداء في نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل ؛

• مقاومة المجالات المغناطيسية الخارجية ؛ - تكنولوجيا؛

• تكلفة منخفضة للمواد الخام ؛

• استقرار المعلمات المغناطيسية بمرور الوقت.

تنوع المهام التي يتم حلها بمساعدة المغناطيس الدائم يستلزم إنشاء العديد من أشكال تنفيذها. غالبًا ما يتم تشكيل المغناطيس الدائم مثل حدوة الحصان (ما يسمى بمغناطيس "حدوة الحصان").

يوضح الشكل أمثلة على أشكال المغناطيس الدائم المنتج صناعيًا استنادًا إلى العناصر الأرضية النادرة ذات الغلاف الواقي.

مغناطيس دائم منتَج تجاريًا بأشكال مختلفة: قرص ؛ يحضر؛ ج - متوازي السطوح ز - اسطوانة د - الكرة ه - قطاع الاسطوانة المجوفة

يتم إنتاج المغناطيس أيضًا من سبائك معدنية مغناطيسية صلبة وحديد على شكل قضبان مستديرة ومستطيلة ، وكذلك أنبوبي ، على شكل C ، على شكل حدوة حصان ، في شكل لوحات مستطيلة ، إلخ.

بعد تشكيل المادة ، يجب أن تكون ممغنطة ، أي وضعها في مجال مغناطيسي خارجي ، لأن المعلمات المغناطيسية للمغناطيس الدائم لا يتم تحديدها فقط من خلال شكلها أو المادة التي صنعت منها ، ولكن أيضًا من خلال اتجاه مغنطة.

قطع العمل ممغنطة باستخدام مغناطيس دائم أو مغناطيس كهربائي DC أو ملفات ممغنطة تمر عبرها النبضات الحالية. يعتمد اختيار طريقة المغنطة على مادة وشكل المغناطيس الدائم.

نتيجة للتدفئة القوية ، والتأثيرات ، يمكن للمغناطيس الدائم أن يفقد جزئيًا أو كليًا خصائصه المغناطيسية (إزالة المغناطيسية).

خصائص قسم إزالة المغنطة حلقات التباطؤ المغناطيسي تحدد المادة التي يتكون منها المغناطيس الدائم خصائص مغناطيس دائم معين: كلما زادت القوة القسرية Hc وأعلى القيمة المتبقية الحث المغناطيسي Br - المغناطيس الأقوى والأكثر استقرارًا.

القوة القسرية (تترجم حرفياً من اللاتينية - "القوة القابضة") - قوة تمنع التغيير في الاستقطاب المغناطيسي المغناطيسات الحديدية.

طالما أن المغناطيس الحديدي غير مستقطب ، أي أن التيارات الأولية غير موجهة ، فإن القوة القسرية تمنع توجيه التيارات الأولية. ولكن عندما يكون المغناطيس الحديدي مستقطبًا بالفعل ، فإنه يحافظ على التيارات الأولية في وضع موجه حتى بعد إزالة المجال المغنطيسي الخارجي.

هذا ما يفسر المغناطيسية المتبقية التي شوهدت في العديد من المغناطيسات الحديدية. كلما زادت القوة القسرية ، زادت قوة ظاهرة المغناطيسية المتبقية.

حتى القوة القسرية قوة المجال المغناطيسيمطلوب لإزالة المغناطيسية الكاملة لمادة حديدية أو مغناطيسية حديدية. وبالتالي ، كلما كان المغناطيس أكثر قسرية ، زادت مقاومته لعوامل إزالة المغناطيس.

وحدة قياس القوة القسرية في شمال شرق - امبير / متر. أ الحث المغناطيسي، كما تعلم ، هي كمية متجهة ، وهي سمة قوة للمجال المغناطيسي. القيمة المميزة للحث المغناطيسي المتبقي للمغناطيس الدائم هي في حدود 1 تسلا.

التباطؤ المغناطيسي - يؤدي وجود تأثيرات استقطاب المغناطيسات إلى حقيقة أن مغنطة المادة المغناطيسية وإزالة مغنطيتها تتم بشكل غير متساوٍ ، لأن مغنطة المادة تتأخر قليلاً عن مجال المغنطة.

في هذه الحالة ، لا يتم إرجاع جزء من الطاقة التي يتم إنفاقها على جذب الجسم أثناء إزالة المغناطيسية ، بل يتحول إلى حرارة. لذلك ، يرتبط عكس مغنطة المادة بشكل متكرر بخسائر ملحوظة في الطاقة ويمكن أن يتسبب في بعض الأحيان في تسخين قوي للجسم الممغنط.

كلما كان التباطؤ في المادة أكثر وضوحًا ، زاد الخسارة فيه عند عكس المغنطة. لذلك ، يتم استخدام المواد التي لا تحتوي على تباطؤ للدوائر المغناطيسية ذات التدفق المغناطيسي المتناوب (انظر - النوى المغناطيسية للأجهزة الكهربائية).

يمكن أن تتغير الخصائص المغناطيسية للمغناطيس الدائم تحت تأثير الوقت والعوامل الخارجية ، والتي تشمل:

• درجة حرارة؛

• المجالات المغناطيسية

• أحمال ميكانيكية

• الإشعاع وما إلى ذلك.

يتميز التغيير في الخصائص المغناطيسية بعدم استقرار المغناطيس الدائم ، والذي يمكن أن يكون هيكليًا أو مغناطيسيًا.

يرتبط عدم الاستقرار الهيكلي بالتغيرات في التركيب البلوري ، وتحولات الطور ، وتقليل الضغوط الداخلية ، وما إلى ذلك. في هذه الحالة ، يمكن الحصول على الخصائص المغناطيسية الأصلية من خلال استعادة الهيكل (على سبيل المثال ، عن طريق المعالجة الحرارية للمادة).

ينتج عدم الاستقرار المغناطيسي عن تغيير في التركيب المغناطيسي للمادة المغناطيسية ، والذي يميل إلى التوازن الديناميكي الحراري بمرور الوقت وتحت تأثير التأثيرات الخارجية. يمكن أن يكون عدم الاستقرار المغناطيسي:

• قابل للعكس (العودة إلى الظروف الأولية يعيد الخصائص المغناطيسية الأصلية) ؛

• لا رجعة فيه (لا يمكن تحقيق عودة الخصائص الأصلية إلا عن طريق المغنطة المتكررة).

المغناطيس الدائم أو المغناطيس الكهربائي - أيهما أفضل؟

يسمح استخدام المغناطيس الدائم لإنشاء مجال مغناطيسي دائم بدلاً من المغناطيسات الكهربائية المكافئة لها بما يلي:

• لتقليل خصائص الوزن والحجم للمنتجات ؛

• يستثني استخدام مصادر طاقة إضافية (مما يبسط تصميم المنتجات ويقلل من تكلفة إنتاجها وتشغيلها) ؛

• توفير وقت غير محدود تقريبًا للحفاظ على المجال المغناطيسي في ظروف العمل (حسب المادة المستخدمة).

مساوئ المغناطيس الدائم هي:

• هشاشة المواد المستخدمة في إنشائها (وهذا يعقد المعالجة الميكانيكية للمنتجات) ؛

• الحاجة إلى الحماية من تأثير الرطوبة والعفن (بالنسبة للفريتات GOST 24063) ، وكذلك من تأثير الرطوبة العالية ودرجة الحرارة.

أنواع وخصائص المغناطيس الدائم

الفريت

مغناطيس الفريت ، على الرغم من هشاشته ، يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ، مما يجعله الأكثر شيوعًا بتكلفة منخفضة. هذه المغناطيسات مصنوعة من سبيكة من أكسيد الحديد مع الباريوم أو الفريت السترونتيوم. تسمح هذه التركيبة للمادة بالاحتفاظ بخصائصها المغناطيسية في نطاق درجة حرارة واسع - من -30 درجة مئوية إلى + 270 درجة مئوية.

تُستخدم المنتجات المغناطيسية على شكل حلقات وقضبان وحدوات من الفريت على نطاق واسع في كل من الصناعة والحياة اليومية ، في التكنولوجيا والإلكترونيات. يتم استخدامها في أنظمة السماعات ، في المولدات, في محركات التيار المستمر... في صناعة السيارات ، يتم تثبيت مغناطيس الفريت في المبتدئين والنوافذ وأنظمة التبريد والمراوح.

تتميز مغناطيسات الفريت بقوة قسرية تبلغ حوالي 200 كيلو أمبير / م والحث المغناطيسي المتبقي بحوالي 0.4 تسلا. في المتوسط ​​، يمكن أن يستمر مغناطيس الفريت من 10 إلى 30 عامًا.

النيكو (ألمنيوم - نيكل - كوبالت)

تتميز المغناطيسات الدائمة القائمة على سبيكة من الألومنيوم والنيكل والكوبالت باستقرار واستقرار غير مسبوقين في درجة الحرارة: فهي قادرة على الحفاظ على خصائصها المغناطيسية عند درجات حرارة تصل إلى + 550 درجة مئوية ، على الرغم من أن قوتها القسرية صغيرة نسبيًا. تحت تأثير مجال مغناطيسي صغير نسبيًا ، ستفقد هذه المغناطيسات خصائصها المغناطيسية الأصلية.

احكم بنفسك: القوة القسرية النموذجية تبلغ حوالي 50 كيلو أمبير / م مع مغنطة متبقية تبلغ حوالي 0.7 تسلا. على الرغم من هذه الميزة ، فإن مغناطيس النيكو لا غنى عنه لبعض الأبحاث العلمية.

يختلف المحتوى النموذجي للمكونات في سبائك النيكو ذات الخصائص المغناطيسية العالية ضمن الحدود التالية: الألومنيوم - من 7 إلى 10٪ ، والنيكل - من 12 إلى 15٪ ، والكوبالت - من 18 إلى 40٪ ، ومن 3 إلى 4٪ من النحاس.

كلما زاد الكوبالت ، زاد تحريض التشبع والطاقة المغناطيسية للسبيكة. تساهم المواد المضافة على شكل 2 إلى 8٪ تيتانيوم و 1٪ نيوبيوم فقط في الحصول على قوة قسرية أعلى - تصل إلى 145 كيلو أمبير / م. تضمن إضافة 0.5 إلى 1٪ من السيليكون خصائص مغناطيسية متناحرة.

السامرة

إذا كنت بحاجة إلى مقاومة استثنائية للتآكل والأكسدة ودرجات حرارة تصل إلى + 350 درجة مئوية ، فإن ما تحتاجه هو سبيكة مغناطيسية من السماريوم مع الكوبالت.

عند سعر معين ، فإن مغناطيس السماريوم والكوبالت أغلى من مغناطيس النيوديميوم بسبب المعدن الأكثر ندرة والأكثر تكلفة ، وهو الكوبالت. ومع ذلك ، يوصى باستخدامها إذا كان من الضروري الحصول على الحد الأدنى من الأبعاد والوزن للمنتجات النهائية.

هذا هو الأنسب في المركبات الفضائية ، والطيران وتكنولوجيا الكمبيوتر ، والمحركات الكهربائية المصغرة والوصلات المغناطيسية ، في الأجهزة والأجهزة القابلة للارتداء (الساعات ، وسماعات الرأس ، والهواتف المحمولة ، وما إلى ذلك).

بسبب مقاومته الخاصة للتآكل ، فإن مغناطيس السماريوم يستخدم في التطوير الاستراتيجي والتطبيقات العسكرية. المحركات الكهربائية والمولدات وأنظمة الرفع والسيارات - المغناطيس القوي المصنوع من سبيكة السماريوم والكوبالت مثالي للبيئات العدوانية وظروف العمل الصعبة. تبلغ القوة القسرية 700 كيلو أمبير / م مع الحث المغناطيسي المتبقي بترتيب 1 تسلا.

نيوديميوم

هناك طلب كبير على مغناطيس النيوديميوم اليوم ويبدو أنه الأكثر واعدة. تتيح لك سبيكة النيوديميوم والحديد والبورون إنشاء مغناطيسات فائقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، من الأقفال والألعاب إلى المولدات الكهربائية وآلات الرفع القوية.

تسمح قوة قسرية عالية تبلغ حوالي 1000 كيلو أمبير / م ومغنطة متبقية تبلغ حوالي 1.1 تسلا بالحفاظ على المغناطيس لسنوات عديدة ، ولمدة 10 سنوات يفقد مغناطيس نيوديميوم 1٪ فقط من مغنطيته إذا لم تتجاوز درجة حرارته تحت ظروف التشغيل + 80 درجة مئوية (لبعض العلامات التجارية حتى + 200 درجة مئوية). وبالتالي ، هناك عيبان فقط لمغناطيس النيوديميوم - الهشاشة ودرجة حرارة التشغيل المنخفضة.

Magnetoplasts

يشكل المسحوق المغناطيسي مع الموثق مغناطيسًا ناعمًا ومرنًا وخفيفًا. تسمح مكونات الترابط مثل الفينيل أو المطاط أو البلاستيك أو الأكريليك بإنتاج المغناطيس في مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام.

القوة المغناطيسية ، بالطبع ، أقل من المواد المغناطيسية النقية ، ولكن في بعض الأحيان تكون هذه الحلول ضرورية لتحقيق أغراض غير عادية معينة للمغناطيس: في إنتاج المنتجات الإعلانية ، وفي إنتاج ملصقات السيارات القابلة للإزالة ، وكذلك في إنتاج مختلف القرطاسية والهدايا التذكارية.

تفاعل المغناطيس

مثل أقطاب المغناطيس تتنافر وعلى عكس الأقطاب تجتذب. يتم تفسير تفاعل المغناطيس من خلال حقيقة أن كل مغناطيس له مجال مغناطيسي وأن هذه المجالات المغناطيسية تتفاعل مع بعضها البعض. على سبيل المثال ، ما هو سبب مغنطة الحديد؟

وفقًا لفرضية العالم الفرنسي أمبير ، توجد داخل المادة تيارات كهربائية أولية (التيارات أمبير) ، والتي تتشكل بسبب حركة الإلكترونات حول نوى الذرات وحول محورها.

تنشأ المجالات المغناطيسية الأولية من حركة الإلكترونات.وإذا تم إدخال قطعة من الحديد في مجال مغناطيسي خارجي ، فإن جميع المجالات المغناطيسية الأولية في هذا الحديد يتم توجيهها بنفس الطريقة في مجال مغناطيسي خارجي ، مكونة المجال المغناطيسي الخاص بها من قطعة حديد. لذلك إذا كان المجال المغناطيسي الخارجي المطبق قويًا بدرجة كافية ، فبمجرد إيقاف تشغيله ، ستصبح قطعة الحديد مغناطيسًا دائمًا.

تتيح معرفة شكل ومغنطة المغناطيس الدائم استبدال الحسابات بنظام مكافئ من التيارات المغناطيسية الكهربائية. مثل هذا الاستبدال ممكن عند حساب خصائص المجال المغناطيسي وعند حساب القوى المؤثرة على المغناطيس من المجال الخارجي.

على سبيل المثال ، لنحسب قوة التفاعل لمغناطيسين دائمين. دع المغناطيس له شكل أسطوانات رفيعة ، سيتم الإشارة إلى أنصاف أقطارها بواسطة r1 و r2 ، وسمكها h1 ، h2 ، محاور المغناطيس تتطابق ، المسافة بين المغناطيس سيتم الإشارة إليها بواسطة z ، سنفترض أنها أكبر بكثير من حجم المغناطيس.

يتم شرح مظهر قوة التفاعل بين المغناطيس بالطريقة التقليدية: يخلق مغناطيس واحد مجالًا مغناطيسيًا يعمل على المغناطيس الثاني.

لحساب قوة التفاعل ، نقوم عقليًا باستبدال المغناطيسات الممغنطة بشكل موحد J1 و J2 بتيارات دائرية تتدفق على السطح الجانبي للأسطوانات. سيتم التعبير عن قوة هذه التيارات من حيث مغنطة المغناطيس ، وسيتم اعتبار أنصاف أقطارها مساوية لنصف قطر المغناطيس.

دعونا نحلل متجه الحث B للحقل المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة المغناطيس الأول بدلاً من الثاني إلى مكونين: محوري ، موجه على طول محور المغناطيس ، وشعاعي ، عمودي عليه.

لحساب القوة الإجمالية المؤثرة على الحلقة ، من الضروري تقسيمها عقليًا إلى عناصر صغيرة Idl و المجموع أمبيريعمل على كل عنصر من هذا القبيل.

باستخدام القاعدة الموجودة على اليسار ، من السهل إظهار أن المكون المحوري للحقل المغناطيسي يؤدي إلى ظهور قوى أمبير تميل إلى تمديد (أو ضغط) الحلقة — مجموع المتجهات لهذه القوى هو صفر.

يؤدي وجود المكون الشعاعي للحقل إلى ظهور قوى أمبير موجهة على طول محور المغناطيس ، أي إلى جاذبيتها أو تنافرها. يبقى حساب قوى أمبير - ستكون هذه قوى التفاعل بين المغناطيسين.

أنظر أيضا:استخدام المغناطيس الدائم في الهندسة الكهربائية والطاقة