Trvalé magnety, jejich popis a princip činnosti

Spolu s třením jantaru s elektrizujícími kousky jantaru byly permanentními magnety pro starodávné lidi prvním materiálním důkazem elektromagnetických jevů (blesky na úsvitu dějin se jednoznačně odvolávaly na sféru projevu nehmotných sil). Vysvětlení povahy ferromagnetismu bylo vždy obsazeno zvědavými myšlenkami vědců, ale i dnes nebyla dosud plně odhalena fyzická povaha neustálé magnetizace některých přírodních i uměle vytvořených látek, což zanechalo značnou oblast činnosti pro moderní a budoucí výzkumníky.

Tradiční materiály pro permanentní magnety

Byly aktivně používány v průmyslu od roku 1940 se vzhledem slitiny Alnico (AlNiCo). Předtím byly permanentní magnety různých druhů oceli používány pouze v kompasích a magneto. Alniko umožnil výměnu elektromagnetů a jejich použití v zařízeních, jako jsou motory, generátory a reproduktory.

Právě jejich pronikání do našeho každodenního života získalo nový impuls při vytváření feritových magnetů a od té doby se stálé magnety staly samozřejmostí.

Revoluce v magnetických materiálech začala kolem roku 1970, kdy vznikla skupina samarů a kobaltu z tvrdých magnetických materiálů s nebývalou hustotou magnetické energie. Poté byla objevena nová generace magnetů vzácných zemin na bázi neodymu, železa a bóru s mnohem vyšší magnetickou hustotou energie než samarium-kobalt (SmCo) as očekávanými nízkými náklady. Tyto dvě rodiny magnetů vzácných zemin mají tak vysokou hustotu energie, že nejenže mohou nahradit elektromagnety, ale mohou být použity v oblastech, které jsou pro ně nepřístupné. Příklady zahrnují malý krokový motor s permanentními magnety v náramkové hodinky a zvukové převodníky v sluchátkách Walkman.

Postupné zlepšení magnetických vlastností materiálů je uvedeno na následujícím obrázku.

Neodymové permanentní magnety

Představují nejnovější a nejvýznamnější úspěchy v této oblasti v posledních desetiletích. Poprvé byl jejich objev vyhlášen téměř koncem roku 1983 odborníky na kovy od společností Sumitomo a General Motors. Jsou založeny na intermetalické sloučenině NdFeB: slitině neodýmu, železa a boru. Z nich je neodym elementem vzácných zemin extrahovaný z minerálního monazitu.

Obrovský zájem, který způsobil tyto permanentní magnety, vznikl, protože poprvé byl získán nový magnetický materiál, který je nejen silnější než předchozí generace, ale je ekonomičtější. Skládá se převážně ze železa, které je mnohem levnější než kobalt, a neodymu, který je jedním z nejběžnějších materiálů vzácných zemin a má na Zemi více rezerv než olova. Hlavní minerály vzácných zemin monazitu a bastanesitu obsahují pět až desetkrát více neodymu než samarium.

Fyzikální mechanismus permanentní magnetizace

Abychom vysvětlili fungování permanentního magnetu, musíme se do něj podívat v atomovém měřítku. Každý atom má množinu otáček svých elektronů, které společně tvoří svůj magnetický moment. Pro naše účely můžeme každý atom považovat za malý magnet. Když je permanentní magnet (buď zahříváním na vysokou teplotu nebo vnějším magnetickým polem) je každý atomový moment náhodně orientován (viz obrázek níže) a není pozorována žádná pravidelnost.

Když je magnetizován v silném magnetickém poli, všechny atomové momenty jsou orientovány ve směru pole a jsou tudíž zablokovány navzájem (viz obrázek níže). Tato spojka umožňuje zachránit pole permanentního magnetu při odstraňování vnějšího pole a rovněž odolat demagnetizaci při změně směru. Měřítkem soudržné síly atomových momentů je velikost koercitivní síly magnetu. Více o tom později.

Při hlubší prezentaci mechanismu magnetizace nepracují s koncepty atomových momentů, ale používají koncepty miniaturních oblastí (asi 0,001 cm) uvnitř magnetu, které zpočátku mají stálou magnetizaci, ale jsou orientovány v nepřítomnosti vnějšího pole náhodným způsobem, takže přísné mechanismus není pro magnet jako celek. a jeho samostatné doméně.

Indukce a magnetizace

Atomové momenty jsou součtem a tvoří magnetický moment celého permanentního magnetu a jeho magnetizace M udává velikost tohoto momentu na jednotku objemu. Magnetická indukce B ukazuje, že permanentní magnet je výsledkem vnější magnetické síly (intenzity pole) H aplikované během primární magnetizace, stejně jako vnitřní magnetizace M v důsledku orientace atomových (nebo doménových) momentů. Jeho hodnota je obecně daná vzorecem:

B = μ ₀ (H + M),

kde μ ₀ je konstanta.

V konstantním kruhu a stejnoměrném magnetu je intenzita pole H uvnitř (v nepřítomnosti vnějšího pole) nulová, protože podle zákona o celkovém proudu se jeho integrál podél libovolného kruhu uvnitř takového kruhového jádra rovná:

H ∙ 2πR = iw = 0, kde H = 0.

Proto magnetizace v prstencovém magnetu:

M = B / μ ₀ .

V otevřeném magnetu, například ve stejném prstencovitém, ale s vzduchovou mezerou šířky l mezery v jádru délky l _ser , při nepřítomnosti vnějšího pole a stejné indukce B uvnitř jádra a v mezeře podle zákona o celém proudu dostaneme:

H _ser l _ser + (1 / μ ₀ ) Bl _Zaz = iw = 0.

Vzhledem k tomu, že B = μ ₀ (H _ser + M _ser ), pak nahrazením jeho výrazu do předchozího získáme:

H _ser (l _ser + l _zaz ) + M _ser l _zaz = 0,

nebo

H _ser = - M _ser l _zaz (l _ser + l _zaz ).

Ve vzduchové mezerě:

H _ZAZ = B /

navíc B je určen daným M _ser a nalezen H _ser .

Magnetizační křivka

Počínaje nemagnetizovaným stavem, když se H zvětšuje z nuly, se díky změně orientace všech atomových momentů ve směru vnějšího pole M a B rychle zvyšují, mění se podél části "a" hlavní magnetické křivky (viz obrázek níže).

Když jsou všechny atomové momenty vyrovnány, M dosáhne své saturační hodnoty a další zvýšení B je způsobeno pouze aplikovaným polem (část b hlavní křivky na obrázku níže). Když se vnější pole sníží na nulu, indukce B se nehýbe po původní cestě, ale podél úseku "c" v důsledku spojení atomových momentů, které mají tendenci udržovat je ve stejném směru. Magnetizační křivka začíná popisovat takzvanou hysterezní smyčku. Když se H (vnější pole) blíží nule, indukce se blíží k zbytkové hodnotě určované pouze atomovými momenty:

V _r = μ ₀ (0 + M _g ).

Po změně směru H, H a M působí v opačných směrech a B klesá (část křivky "d" na obrázku). Hodnota pole, u níž se B zmenšuje na nulu, se nazývá koercitivní síla magnetu _B H _C. Když je velikost použitého pole dostatečně velká k přerušení adheze atomových momentů, jsou orientovány v novém směru pole a směr M je obrácen. Hodnota pole, v níž k tomu dojde, se nazývá interní koercitivní síla permanentního magnetu _M H _C. Existují tedy dvě různé, ale příbuzné donucovací síly spojené s permanentním magnetem.

Obrázek níže ukazuje hlavní demagnetizační křivky různých materiálů pro permanentní magnety. Ukazuje se, že největší reziduální indukce _Br a donucovací síla (jak plná tak vnitřní, tj. Určená bez ohledu na intenzitu H, pouze magnetizací M) jsou přesně NdFeB magnety.

Plošné proudy (Ampere)

Magnetické pole permanentních magnetů lze považovat za pole některých proudů, které jsou s nimi spojeny, proudící podél jejich povrchu. Tyto proudy se nazývají Ampere. V obvyklém slova smyslu nejsou uvnitř permanentních magnetů žádné proudy. Nicméně srovnání magnetických polí permanentních magnetů a polí proudů ve svitcích francouzský fyzik Ampere naznačil, že magnetizace látky lze vysvětlit proudem mikroskopických proudů, které tvoří mikroskopické uzavřené kontury. Analogie mezi pole solenoidu a dlouhým válcovým magnetem je téměř úplná: je zde severní a jižní pól trvalého magnetu a stejné póly solenoidu a obrazy polních linií jejich polí jsou také velmi podobné (viz obrázek níže).

Existují proudy uvnitř magnetu?

Představme si, že celý objem určitého permanentního magnetu (s libovolným tvarem průřezu) je naplněn mikroskopickými ampereovými proudy. Průřez magnetu s takovými proudy je uveden na následujícím obrázku. Každý z nich má magnetický moment. Se stejnou orientací ve směru vnějšího pole vytvářejí nenulový magnetický moment. Určuje existenci magnetického pole při zjevné nepřítomnosti řádného pohybu nábojů, při absenci proudu přes libovolný úsek magnetu. Je také snadné pochopit, že v něm jsou kompenzovány proudy sousedních obvodů. Nekompenzované jsou pouze proudy na povrchu těla, které tvoří povrch DC proud magnet. Jeho hustota je stejná jako magnetizace M.

Jak se zbavit pohybujících se kontaktů

Známý problém vytvoření bezkontaktního synchronního stroje. Jeho tradiční konstrukce s elektromagnetickým budením z pólů rotoru se svitky zahrnuje přivádění proudu přes pohyblivé kontakty - kontaktní kroužky s kartáči. Nevýhody tohoto technického řešení jsou dobře známé: jde o problémy s údržbou, nízkou spolehlivost a velké ztráty v pohybujících se kontaktech, zejména pokud jde o výkonné turbo a hydrogenerátory, jejichž excitační obvody jsou spotřebovány značné elektrické energie.

Pokud vytvoříte takový generátor s permanentními magnety, problém s kontaktem okamžitě zmizí. Je pravda, že se objeví problém spolehlivého upevnění magnetů na rotujícím rotoru. Zde mohou být užitečné zkušenosti získané v odvětví traktorů. Dlouho se používá indukční generátor s permanentními magnety umístěnými ve štěrbinách rotoru, naplněných slitinou s nízkým bodem tavení.

Motor s permanentními magnety

V posledních desetiletích se ventilové brány rozšířily. dc motory. Takovou jednotkou je samotný motor a elektronický spínač jeho vinutí kotvy, který slouží jako kolektor. Motor je a synchronního motoru na permanentních magnetech umístěných na rotoru, jako na obr. výše, s pevným vinutím kotvy na statoru. Elektronický spínací obvod je střídavým stejnosměrným napětím (nebo proudem) sítě.

Hlavní výhodou tohoto motoru je jeho bezkontaktní. Jeho specifickým prvkem je fotoelektrický snímač polohy, indukční nebo Hallový rotor, který řídí činnost měniče.