Magnesy trwałe, ich opis i zasada działania

Wraz z pocieraniem bursztynu za pomocą elektryzujących kawałków bursztynu, magnesy stałe dla ludzi starożytnych były pierwszymi materialnymi dowodami zjawisk elektromagnetycznych (błyskawica u zarania dziejów była zdecydowanie odsyłana do sfery manifestacji sił niematerialnych). Wyjaśnienie natury ferromagnetyzmu zawsze było zajęte przez dociekliwe umysły naukowców, ale nawet teraz fizyczna natura stałego namagnesowania pewnych substancji, zarówno naturalnych, jak i sztucznie stworzonych, nie została jeszcze w pełni ujawniona, pozostawiając znaczny obszar działania dla współczesnych i przyszłych badaczy.

Tradycyjne materiały na magnesy stałe

Zostały one aktywnie wykorzystywane w przemyśle od 1940 roku wraz z pojawieniem się stopu Alnico (AlNiCo). Wcześniej magnesy trwałe z różnych gatunków stali były używane tylko w kompasach i magneto. Alniko umożliwiło zastąpienie elektromagnesów i wykorzystanie ich w urządzeniach takich jak silniki, generatory i głośniki.

To właśnie ich przenikanie do naszego codziennego życia nabrało nowego impetu dzięki tworzeniu magnesów ferrytowych, a od tego czasu stały magnes stały się powszechne.

Rewolucja w materiałach magnetycznych rozpoczęła się około 1970 roku, wraz z powstaniem rodziny samar-kobalt z materiałów magnetycznych o niespotykanej gęstości energii magnetycznej. Następnie odkryto nową generację magnesów ziem rzadkich na bazie neodymu, żelaza i boru o znacznie większej gęstości energii magnetycznej niż w przypadku samaru-kobaltu (SmCo) i przy oczekiwanym niskim koszcie. Te dwie rodziny magnesów ziem rzadkich mają tak wysoką gęstość energii, że nie tylko mogą zastąpić elektromagnesy, ale także mogą być używane w niedostępnych dla nich obszarach. Przykłady obejmują malutki silnik krokowy z magnesem trwałym w zegarku i przetworniki dźwięku w słuchawkach Walkman.

Stopniowa poprawa właściwości magnetycznych materiałów została przedstawiona na poniższym schemacie.

Neodymowe magnesy stałe

Stanowią one najnowsze i najważniejsze osiągnięcia w tej dziedzinie w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Po raz pierwszy ich odkrycie zostało ogłoszone niemal równocześnie pod koniec 1983 roku przez specjalistów od metali z Sumitomo i General Motors. Są one oparte na międzymetalicznym związku NdFeB: stopie neodymu, żelazie i borze. Spośród nich neodym to pierwiastek ziem rzadkich ekstrahowany z monacytu mineralnego.

Ogromne zainteresowanie wzbudziło te magnesy trwałe, ponieważ po raz pierwszy uzyskano nowy materiał magnetyczny, który jest nie tylko silniejszy niż poprzednia generacja, ale bardziej ekonomiczny. Składa się głównie z żelaza, które jest znacznie tańsze niż kobalt, i neodymu, który jest jednym z najczęstszych materiałów ziem rzadkich, i ma więcej rezerw na Ziemi niż ołów. Główne minerały ziem rzadkich z monacytu i bastanesytu zawierają od pięciu do dziesięciu razy więcej neodymów niż samaru.

Fizyczny mechanizm permanentnej namagnesowania

Aby wyjaśnić działanie magnesu trwałego, musimy spojrzeć do niego na skalę atomową. Każdy atom ma zestaw spinów swoich elektronów, które razem tworzą swój moment magnetyczny. Dla naszych celów możemy traktować każdy atom jako magnes małego zespołu. Kiedy magnes trwały rozmagnesowywany (albo przez podgrzanie go do wysokiej temperatury, albo przez zewnętrzne pole magnetyczne), każdy moment atomowy jest losowo zorientowany (patrz rysunek poniżej) i nie obserwuje się regularności.

Kiedy jest namagnesowane w silnym polu magnetycznym, wszystkie momenty atomowe są zorientowane w kierunku pola i, jak to jest, są zablokowane w "kłódce" względem siebie (patrz rysunek poniżej). To sprzężenie pozwala zachować pole magnesu stałego podczas usuwania pola zewnętrznego, a także przeciwstawić się rozmagnesowaniu podczas zmiany kierunku. Miarą siły koherencji momentów atomowych jest wielkość siły przymusu magnesu. Więcej na ten temat później.

Przy głębszym przedstawieniu mechanizmu namagnesowania nie działają one w pojęciach atomowych momentów, ale wykorzystują w magnesie koncepcje miniatur (około 0,001 cm) obszarów, które początkowo mają ciągłe namagnesowanie, ale są zorientowane pod nieobecność zewnętrznego pola w sposób losowy, tak aby ścisłe mechanizm nie jest do magnesu jako całości. i do jego oddzielnej domeny.

Indukcja i magnesowanie

Momenty atomowe są sumowane i tworzą moment magnetyczny całego magnesu trwałego, a jego namagnesowanie M wskazuje na wielkość tego momentu na jednostkę objętości. Indukcja magnetyczna B pokazuje, że magnes stały jest wynikiem zewnętrznej siły magnetycznej (natężenia pola) H zastosowanej podczas pierwotnego namagnesowania, jak również wewnętrznej magnetyzacji M z powodu orientacji momentów atomowych (lub domenowych). Jego wartość jest generalnie określona wzorem:

B = μ ₀ (H + M),

gdzie μ ₀ jest stałą.

W stałym pierścieniu i jednorodnym magnesie, natężenie pola H wewnątrz (w przypadku braku zewnętrznego pola) wynosi zero, ponieważ zgodnie z prawem całkowitego prądu, jego integralna część w każdym okręgu wewnątrz takiego pierścieniowego rdzenia jest równa:

H ∙ 2πR = iw = 0, skąd H = 0.

Dlatego magnesowanie w magnesie pierścieniowym:

M = B / μ ₀ .

W otwartym magnesie, na przykład, w tym samym pierścieniu, ale z szczeliną powietrzną o szerokości l szczeliny w rdzeniu o długości l, w przypadku braku pola zewnętrznego i tej samej indukcji B wewnątrz rdzenia oraz w szczelinie zgodnie z prawem całkowitego prądu otrzymujemy:

H _{ser * ser} + (1 / μ ₀ ) Bl _Zaz = iw = 0.

Ponieważ B = μ ₀ (H _ser + M _ser ), wtedy, zastępując jego wyrażenie poprzednią, otrzymujemy:

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

lub

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

W szczelinie powietrznej:

H _ZAZ = B / μ ₀ ,

ponadto B jest określane przez dane M _ser i znalezione H _ser .

Krzywa magnesowania

Zaczynając od stanu niezmagnesowanego, kiedy H wzrasta od zera, dzięki orientacji wszystkich momentów atomowych w kierunku zewnętrznego pola, M i B gwałtownie rosną, zmieniając się wzdłuż "a" części głównej krzywej namagnesowania (patrz rysunek poniżej).

Kiedy wszystkie momenty atomowe są wyrównane, M osiąga wartość nasycenia, a dalszy wzrost B wynika wyłącznie z zastosowanego pola (sekcja b krzywej głównej na poniższym rysunku). Gdy zewnętrzne pole zmniejsza się do zera, indukcja B zmniejsza się nie wzdłuż pierwotnej ścieżki, ale wzdłuż sekcji "c" ze względu na sprzężenie momentów atomowych, które mają tendencję do utrzymywania ich w tym samym kierunku. Krzywa namagnesowania zaczyna opisywać tak zwaną pętlę histerezy. Kiedy H (pole zewnętrzne) zbliża się do zera, indukcja zbliża się do wartości końcowej określonej tylko przez momenty atomowe:

W _r = μ ₀ (0 + M _g ).

Po zmianie kierunku H, H i M działają w przeciwnych kierunkach, a B maleje (część krzywej "d" na rysunku). Wartość pola, przy którym B jest zredukowana do zera, nazywa się siłą koercyjną magnesu _B H _C. Kiedy wielkość zastosowanego pola jest wystarczająco duża, aby przerwać adhezję momentów atomowych, są one zorientowane w nowym kierunku pola, a kierunek M jest odwrócony. Wartość pola, w którym to występuje, nazywa się wewnętrzną siłą koercyjną magnesu trwałego _M H _C. Istnieją zatem dwie różne, ale powiązane siły koercyjne związane z magnesem trwałym.

Poniższy rysunek pokazuje główne krzywe demagnetyzacji różnych materiałów dla magnesów trwałych. Pokazuje to, że największa rezydualna indukcja B _r i siła koercyjna (zarówno pełna, jak i wewnętrzna, czyli określona bez uwzględnienia intensywności H, tylko przez namagnesowanie M) są dokładnie magnesami NdFeB.

Prądy powierzchniowe (amperowe)

Pola magnetyczne magnesów trwałych można postrzegać jako pola niektórych prądów z nimi związanych, płynących wzdłuż ich powierzchni. Prądy te nazywają się Ampere. W zwykłym znaczeniu tego słowa w magnesach stałych nie ma prądów. Jednakże, porównując pola magnetyczne magnesów trwałych i pola prądów w cewkach, francuski fizyk Ampere zasugerował, że namagnesowanie substancji może być wyjaśnione przez przepływ mikroskopijnych prądów, które tworzą mikroskopijne zamknięte kontury. Rzeczywiście, analogia pomiędzy polem solenoidu i długim cylindrycznym magnesem jest prawie kompletna: istnieje północny i południowy biegun magnesu stałego i te same bieguny solenoidu, a obrazy linii pola ich pól są również bardzo podobne (patrz rysunek poniżej).

Czy w magnesie są prądy?

Wyobraźmy sobie, że cała objętość pewnego magnesu stałego pręta (o arbitralnym kształcie przekroju) jest wypełniona mikroskopijnymi prądami Ampera. Przekrój magnesu z takimi prądami pokazano na poniższym rysunku. Każdy z nich ma moment magnetyczny. Przy tej samej orientacji w kierunku pola zewnętrznego tworzą niezerowy wynikowy moment magnetyczny. Określa istnienie pola magnetycznego w przypadku braku uporządkowanego ruchu ładunków, przy braku prądu przez dowolną sekcję magnesu. Łatwo też zrozumieć, że wewnątrz niego kompensowane są prądy sąsiednich (sąsiednich) obwodów. Niekompensowane są tylko prądy na powierzchni ciała, tworzące powierzchnię Prąd stały magnes. Jego gęstość jest równa magnetyzacji M.

Jak pozbyć się ruchomych kontaktów

Znany problem tworzenia bezstykowej maszyny synchronicznej. Jego tradycyjna konstrukcja z wzbudzeniem elektromagnetycznym z biegunów wirnika za pomocą cewek obejmuje dopływ prądu do nich poprzez ruchome styki - pierścienie kontaktowe ze szczotkami. Wady tego rozwiązania technicznego są dobrze znane: są to trudności w utrzymaniu, mała niezawodność i duże straty w kontaktach ruchomych, zwłaszcza w przypadku silnych turbo i hydrogeneratorów, w obwodach wzbudzania, w których zużywa się znaczną energię elektryczną.

Jeśli stworzysz taki generator z magnesami trwałymi, problem kontaktu natychmiast zniknie. To prawda, że ​​pojawia się problem niezawodnego mocowania magnesów na obracającym się wirniku. Tutaj mogą być przydatne doświadczenia zdobyte w branży ciągników. Od dawna stosowany jest generator cewek z magnesami trwałymi umieszczonymi w szczelinach wirnika, wypełniony stopem o niskiej temperaturze topnienia.

Silnik z magnesem trwałym

W ostatnich dziesięcioleciach bramy z zaworami stały się powszechne. silniki prądu stałego. Taką jednostką jest sam silnik i elektroniczny przełącznik uzwojenia twornika, który służy jako kolektor. Silnik to silnik synchroniczny na magnesach stałych umieszczonych na wirniku, jak na rys. powyżej, ze stałym uzwojeniem twornika na stojanie. Elektroniczny obwód przełączający to napięcie DC (lub prąd) falownika sieci zasilającej.

Główną zaletą tego silnika jest brak kontaktu. Jego szczególnym elementem jest czujnik położenia fotokomórki, indukcyjny lub Halla, który steruje pracą falownika.