Nam châm vĩnh cửu — loại và tính chất, hình thức, tương tác của nam châm

nam châm vĩnh cửu là gì

Một sản phẩm sắt từ có khả năng giữ lại lượng từ hóa dư đáng kể sau khi loại bỏ từ trường bên ngoài được gọi là nam châm vĩnh cửu.

Nam châm vĩnh cửu được làm từ các kim loại khác nhau như coban, sắt, niken, hợp kim đất hiếm (đối với nam châm neodymium) cũng như các khoáng chất tự nhiên như từ tính.

Phạm vi ứng dụng của nam châm vĩnh cửu ngày nay rất rộng, nhưng mục đích của chúng về cơ bản là giống nhau ở mọi nơi — như một nguồn từ trường vĩnh cửu mà không cần nguồn điện… Do đó, nam châm là một vật thể có riêng từ trường.

Chính từ "nam châm" xuất phát từ cụm từ tiếng Hy Lạp được dịch là "Đá Magnesia", được đặt theo tên của thành phố châu Á, nơi các mỏ quặng từ tính - một loại quặng sắt từ tính - được phát hiện vào thời cổ đại… Từ quan điểm vật lý, một nam châm cơ bản là một electron và đặc tính từ của nam châm thường được xác định bởi các mômen từ của các electron tạo nên vật liệu từ hóa.

Nam châm vĩnh cửu là một bộ phận hệ thống từ tính của sản phẩm điện… Các thiết bị nam châm vĩnh cửu thường dựa trên sự chuyển đổi năng lượng:

• cơ khí với cơ khí (bộ tách, đầu nối từ tính, v.v.);

• cơ khí sang điện từ (máy phát điện, loa, v.v.);

• điện từ sang cơ khí (động cơ điện, loa, hệ thống điện từ, v.v.);

• từ cơ khí đến nội bộ (thiết bị phanh, v.v.).

Các yêu cầu sau áp dụng cho nam châm vĩnh cửu:

• năng lượng từ trường cụ thể cao;

• kích thước tối thiểu cho cường độ trường nhất định;

• duy trì hiệu suất trong một loạt các nhiệt độ hoạt động;

• khả năng chống từ trường bên ngoài; - công nghệ;

• chi phí nguyên liệu thấp;

• sự ổn định của các thông số từ trường theo thời gian.

Nhiều nhiệm vụ được giải quyết với sự trợ giúp của nam châm vĩnh cửu đòi hỏi phải tạo ra nhiều hình thức thực hiện chúng... Nam châm vĩnh cửu thường có hình dạng giống như móng ngựa (cái gọi là nam châm "móng ngựa").

Hình này cho thấy các ví dụ về các dạng nam châm vĩnh cửu được sản xuất công nghiệp dựa trên các nguyên tố đất hiếm có lớp phủ bảo vệ.

Nam châm vĩnh cửu được sản xuất thương mại có nhiều hình dạng khác nhau: a — đĩa; mang đến; c — hình bình hành; g — hình trụ; d — quả bóng; e - khu vực của một hình trụ rỗng

Nam châm cũng được sản xuất từ ​​​​các hợp kim kim loại từ tính cứng và ferit ở dạng thanh tròn và hình chữ nhật, cũng như hình ống, hình chữ C, hình móng ngựa, ở dạng tấm hình chữ nhật, v.v.

Sau khi vật liệu được định hình, nó phải được từ hóa, nghĩa là đặt trong từ trường bên ngoài, bởi vì các thông số từ tính của nam châm vĩnh cửu được xác định không chỉ bởi hình dạng của chúng hoặc vật liệu mà chúng được tạo ra mà còn bởi hướng của chúng. từ hóa.

Các phôi được từ hóa bằng cách sử dụng nam châm vĩnh cửu, nam châm điện một chiều hoặc cuộn dây từ hóa mà các xung dòng điện chạy qua. Việc lựa chọn phương pháp từ hóa phụ thuộc vào vật liệu và hình dạng của nam châm vĩnh cửu.

Do bị đốt nóng, va đập mạnh, nam châm vĩnh cửu có thể mất một phần hoặc hoàn toàn đặc tính từ tính (khử từ).

Đặc điểm của phần khử từ vòng trễ từ tính vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu xác định các thuộc tính của một nam châm vĩnh cửu cụ thể: lực cưỡng bức Hc càng cao và giá trị dư càng cao cảm ứng từ Br — nam châm mạnh hơn và ổn định hơn.

Sức mạnh cưỡng chế (được dịch theo nghĩa đen từ tiếng Latinh — "lực giữ") — lực ngăn chặn sự thay đổi trong phân cực từ sắt từ.

Miễn là sắt từ không bị phân cực, nghĩa là các dòng điện cơ bản không được định hướng, lực cưỡng bức ngăn cản sự định hướng của các dòng điện cơ bản. Nhưng khi sắt từ đã được phân cực, nó sẽ duy trì các dòng cơ bản ở vị trí định hướng ngay cả sau khi trường từ hóa bên ngoài bị loại bỏ.

Điều này giải thích từ tính còn lại được thấy trong nhiều sắt từ. Lực cưỡng bức càng lớn thì hiện tượng từ dư càng mạnh.

Vì vậy, sức mạnh cưỡng chế là Cường độ từ trườngcần thiết để khử từ hoàn toàn một chất sắt hoặc sắt từ. Do đó, một nam châm nhất định càng có lực cưỡng bức thì càng có khả năng chống lại các yếu tố khử từ.

Đơn vị đo lực cưỡng chế ở ĐB - Ampe / mét. MỘT cảm ứng từ, như bạn đã biết, là một đại lượng vectơ, là lực đặc trưng cho từ trường. Giá trị đặc trưng của cảm ứng từ dư của nam châm vĩnh cửu là 1 Tesla.

từ trễ - sự hiện diện của các hiệu ứng phân cực của nam châm dẫn đến thực tế là quá trình từ hóa và khử từ của vật liệu từ tính diễn ra không đồng đều, do quá trình từ hóa của vật liệu luôn chậm hơn một chút so với trường từ hóa.

Trong trường hợp này, một phần năng lượng dành cho việc từ hóa cơ thể không được trả lại trong quá trình khử từ mà biến thành nhiệt. Do đó, việc đảo ngược quá trình từ hóa của vật liệu liên tục dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể và đôi khi có thể gây ra sự nóng lên mạnh mẽ của vật thể bị từ hóa.

Độ trễ trong vật liệu càng rõ rệt thì tổn thất trong vật liệu đó khi đảo ngược từ hóa càng lớn. Do đó, các vật liệu không có độ trễ được sử dụng cho các mạch từ có từ thông xen kẽ (xem - Lõi từ của thiết bị điện).

Tính chất từ ​​của nam châm vĩnh cửu có thể thay đổi dưới tác động của thời gian và các yếu tố bên ngoài, bao gồm:

• nhiệt độ;

• từ trường;

• tải trọng cơ học;

• phóng xạ v.v.

Sự thay đổi tính chất từ ​​tính được đặc trưng bởi sự mất ổn định của nam châm vĩnh cửu, có thể là do cấu trúc hoặc do từ tính.

Sự mất ổn định cấu trúc có liên quan đến những thay đổi trong cấu trúc tinh thể, biến đổi pha, giảm ứng suất bên trong, v.v. Trong trường hợp này, các đặc tính từ tính ban đầu có thể thu được bằng cách khôi phục cấu trúc (ví dụ: bằng cách xử lý nhiệt vật liệu).

Mất ổn định từ là do sự thay đổi cấu trúc từ của chất từ, có xu hướng cân bằng nhiệt động theo thời gian và dưới tác động của các tác động bên ngoài. Mất ổn định từ tính có thể là:

• đảo ngược (trở lại điều kiện ban đầu khôi phục các đặc tính từ tính ban đầu);

• không thể đảo ngược (sự trở lại của các thuộc tính ban đầu chỉ có thể đạt được bằng cách từ hóa lặp đi lặp lại).

Nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện - cái nào tốt hơn?

Sử dụng nam châm vĩnh cửu để tạo ra từ trường vĩnh cửu thay vì nam châm điện tương đương cho phép:

• để giảm các đặc tính trọng lượng và kích thước của sản phẩm;

• loại trừ việc sử dụng các nguồn năng lượng bổ sung (giúp đơn giản hóa thiết kế sản phẩm, giảm chi phí sản xuất và vận hành);

• cung cấp thời gian gần như không giới hạn để duy trì từ trường trong điều kiện làm việc (tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng).

Nhược điểm của nam châm vĩnh cửu là:

• sự mong manh của các vật liệu được sử dụng để tạo ra chúng (điều này làm phức tạp quá trình gia công cơ khí của sản phẩm);

• nhu cầu bảo vệ chống lại ảnh hưởng của độ ẩm và nấm mốc (đối với ferrites GOST 24063), cũng như chống lại ảnh hưởng của độ ẩm và nhiệt độ cao.

Các loại và tính chất của nam châm vĩnh cửu

Ferit

Nam châm Ferrite, mặc dù mỏng manh, nhưng có khả năng chống ăn mòn tốt, khiến chúng trở nên phổ biến nhất với chi phí thấp. Những nam châm này được làm bằng hợp kim của oxit sắt với bari hoặc stronti ferit. Thành phần này cho phép vật liệu giữ được các đặc tính từ tính trong phạm vi nhiệt độ rộng — từ -30 ° C đến + 270 ° C.

Các sản phẩm từ tính ở dạng vòng, thanh và móng ngựa ferit được sử dụng rộng rãi cả trong công nghiệp và đời sống hàng ngày, trong công nghệ và điện tử. Chúng được sử dụng trong hệ thống loa, trong máy phát điện, trong động cơ điện một chiều… Trong ngành công nghiệp ô tô, nam châm ferit được lắp đặt trong bộ khởi động, cửa sổ, hệ thống làm mát và quạt.

Nam châm Ferrite được đặc trưng bởi lực cưỡng bức khoảng 200 kA/m và cảm ứng từ dư khoảng 0,4 Tesla. Trung bình, một nam châm ferrite có thể tồn tại từ 10 đến 30 năm.

Alnico (nhôm-niken-coban)

Nam châm vĩnh cửu dựa trên hợp kim nhôm, niken và coban được đặc trưng bởi độ ổn định và ổn định nhiệt độ vượt trội: chúng có thể duy trì các đặc tính từ tính ở nhiệt độ lên tới + 550 ° C, mặc dù lực cưỡng bức của chúng tương đối nhỏ. Dưới ảnh hưởng của từ trường tương đối nhỏ, những nam châm như vậy sẽ mất đi đặc tính từ tính ban đầu.

Hãy tự đánh giá: lực cưỡng chế điển hình là khoảng 50 kA / m với từ hóa dư khoảng 0,7 Tesla. Mặc dù có tính năng này, nam châm alnico không thể thiếu đối với một số nghiên cứu khoa học.

Hàm lượng điển hình của các thành phần trong hợp kim alnico có đặc tính từ tính cao thay đổi trong các giới hạn sau: nhôm - từ 7 đến 10%, niken - từ 12 đến 15%, coban - từ 18 đến 40% và từ 3 đến 4% đồng.

Càng nhiều coban, cảm ứng bão hòa và năng lượng từ trường của hợp kim càng cao. Các chất phụ gia ở dạng titan từ 2 đến 8% và chỉ 1% niobi góp phần tạo ra lực cưỡng chế cao hơn - lên tới 145 kA / m. Việc bổ sung 0,5 đến 1% silicon đảm bảo tính chất từ ​​tính đẳng hướng.

Sa-ma-ri

Nếu bạn cần khả năng chống ăn mòn, oxy hóa và nhiệt độ đặc biệt lên tới + 350 ° C, thì hợp kim từ tính của samarium với coban là thứ bạn cần.

Ở một mức giá nhất định, nam châm samarium-coban đắt hơn nam châm neodymium vì kim loại coban hiếm hơn và đắt hơn. Tuy nhiên, nên sử dụng chúng nếu cần có kích thước và trọng lượng tối thiểu của sản phẩm cuối cùng.

Điều này phù hợp nhất trong công nghệ tàu vũ trụ, hàng không và máy tính, động cơ điện thu nhỏ và khớp nối từ tính, trong thiết bị đeo tay và thiết bị (đồng hồ, tai nghe, điện thoại di động, v.v.)

Do khả năng chống ăn mòn đặc biệt, nam châm samarium được sử dụng trong các ứng dụng quân sự và phát triển chiến lược. Động cơ điện, máy phát điện, hệ thống nâng hạ, xe cơ giới - một nam châm mạnh làm bằng hợp kim samarium-coban lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt và điều kiện làm việc khó khăn. Lực cưỡng bức ở mức 700 kA/m với cảm ứng từ dư ở mức 1 Tesla.

neođim

Nam châm neodymium đang có nhu cầu lớn ngày nay và dường như là hứa hẹn nhất. Hợp kim neodymium-sắt-bo cho phép bạn tạo ra các siêu nam châm cho nhiều ứng dụng khác nhau, từ khóa và đồ chơi cho đến máy phát điện và máy nâng mạnh mẽ.

Lực cưỡng bức cao khoảng 1000 kA / m và từ hóa còn lại khoảng 1,1 Tesla cho phép duy trì nam châm trong nhiều năm, trong 10 năm, nam châm neodymium chỉ mất 1% từ hóa nếu nhiệt độ của nó trong điều kiện hoạt động không vượt quá + 80 ° C (đối với một số nhãn hiệu lên đến + 200 ° C). Do đó, chỉ có hai nhược điểm của nam châm neodymium - dễ vỡ và nhiệt độ hoạt động thấp.

từ trường

Bột từ cùng với chất kết dính tạo thành nam châm mềm, dẻo và nhẹ. Các thành phần liên kết như nhựa vinyl, cao su, nhựa hoặc acrylic cho phép sản xuất nam châm với nhiều hình dạng và kích cỡ khác nhau.

Tất nhiên, lực từ thấp hơn vật liệu từ tính thuần túy, nhưng đôi khi các giải pháp như vậy là cần thiết để đạt được một số mục đích bất thường nhất định đối với nam châm: trong sản xuất sản phẩm quảng cáo, sản xuất nhãn dán ô tô có thể tháo rời, cũng như sản xuất văn phòng phẩm và quà lưu niệm khác nhau.

Tương tác của nam châm

Giống như các cực của nam châm đẩy nhau và không giống như các cực hút nhau. Sự tương tác của nam châm được giải thích là do mỗi nam châm đều có từ trường và các từ trường này tương tác với nhau. Ví dụ, lý do cho sự từ hóa của sắt là gì?

Theo giả thuyết của nhà khoa học người Pháp Ampere, bên trong chất này có các dòng điện cơ bản (dòng điện ampe), được hình thành do sự chuyển động của các electron xung quanh hạt nhân nguyên tử và xung quanh trục của chính chúng.

Từ trường cơ bản phát sinh từ sự chuyển động của các electron.Và nếu một miếng sắt được đưa vào từ trường bên ngoài, thì tất cả các từ trường cơ bản trong miếng sắt này đều được định hướng theo cùng một cách trong từ trường bên ngoài, tạo thành từ trường riêng của nó từ miếng sắt. Vì vậy, nếu từ trường bên ngoài được áp dụng đủ mạnh, thì khi bạn tắt nó đi, miếng sắt sẽ trở thành một nam châm vĩnh cửu.

Việc biết hình dạng và từ hóa của nam châm vĩnh cửu cho phép thay thế các tính toán bằng một hệ thống dòng điện từ hóa tương đương. Có thể thay thế như vậy cả khi tính toán các đặc tính của từ trường và khi tính toán các lực tác dụng lên nam châm từ trường bên ngoài.

Chẳng hạn, hãy tính lực tương tác của hai nam châm vĩnh cửu. Giả sử các nam châm có dạng hình trụ mỏng, bán kính của chúng sẽ được ký hiệu là r1 và r2, độ dày là h1, h2, trục của các nam châm trùng nhau, khoảng cách giữa các nam châm sẽ được ký hiệu là z, giả sử rằng nó lớn hơn nhiều so với kích thước của nam châm.

Sự xuất hiện của lực tương tác giữa các nam châm được giải thích theo cách truyền thống: một nam châm tạo ra từ trường tác dụng lên nam châm thứ hai.

Để tính lực tương tác, chúng ta thay thế các nam châm từ hóa đều J1 và J2 bằng các dòng điện tròn chạy trên mặt bên của các hình trụ. Cường độ của các dòng điện này sẽ được biểu thị dưới dạng từ hóa của nam châm và bán kính của chúng sẽ được coi là bằng bán kính của nam châm.

Chúng ta hãy phân tách vectơ cảm ứng B của từ trường được tạo bởi nam châm thứ nhất thay cho nam châm thứ hai thành hai thành phần: hướng trục, hướng dọc theo trục của nam châm và hướng tâm, vuông góc với nó.

Để tính tổng lực tác dụng lên vòng cần nhẩm chia thành các phần tử nhỏ Idl và tổng Ampetác dụng lên từng phần tử như vậy.

Sử dụng quy tắc bên trái, dễ dàng chỉ ra rằng thành phần dọc trục của từ trường tạo ra các lực Ampe có xu hướng kéo căng (hoặc nén) vòng—tổng vectơ của các lực này bằng không.

Sự hiện diện của thành phần xuyên tâm của trường dẫn đến sự xuất hiện của lực Ampe hướng dọc theo trục của nam châm, tức là lực hút hoặc lực đẩy của chúng. Vẫn còn phải tính toán lực Ampe - đây sẽ là lực tương tác giữa hai nam châm.

Xem thêm:Việc sử dụng nam châm vĩnh cửu trong kỹ thuật điện và năng lượng