Schon im alten China achtete man auf die Eigenschaft mancher Metalle anzuziehen. Dieses physikalische Phänomen wird Magnetismus genannt, und Materialien mit dieser Fähigkeit werden Magnete genannt. Jetzt wird diese Eigenschaft in der Funkelektronik und Industrie aktiv genutzt, und es werden besonders starke Magnete verwendet, auch zum Heben und Transportieren großer Metallmengen. Die Eigenschaften dieser Materialien werden auch im Alltag genutzt – viele Menschen kennen magnetische Postkarten und Briefe zum Unterrichten von Kindern. Was Magnete sind, wo sie eingesetzt werden, was Neodym ist, davon erzählt dieser Text.

Arten von Magneten

In der modernen Welt werden sie je nach Art des Magnetfelds, das sie erzeugen, in drei Hauptkategorien eingeteilt:

• dauerhaft, bestehend aus einem natürlichen Material mit diesen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise Neodym;
• temporär, mit diesen Eigenschaften, während sie sich im Wirkungsbereich des Magnetfelds befinden;
• Elektromagnete sind Drahtspulen auf einem Kern, die ein elektromagnetisches Feld erzeugen, wenn Energie durch den Leiter fließt.

Die gebräuchlichsten Permanentmagnete wiederum werden nach ihrer chemischen Zusammensetzung in fünf Hauptklassen eingeteilt:

• Ferromagnete auf Basis von Eisen und seinen Legierungen mit Barium und Strontium;
• Neodym-Magnete mit dem Seltenerdmetall Neodym in einer Legierung mit Eisen und Bor (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
• Samarium-Kobalt-Legierungen mit Neodym-ähnlichen magnetischen Eigenschaften, aber gleichzeitig breiterem Temperatureinsatzbereich (SmCo);
• Alnico-Legierung, auch bekannt als YUNDK, diese Legierung zeichnet sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Temperaturgrenze aus;
• Magnetoplaste, die eine Mischung aus einer magnetischen Legierung mit einem Bindemittel sind, ermöglicht es Ihnen, Produkte in verschiedenen Formen und Größen herzustellen.

Legierungen magnetischer Metalle sind spröde und ziemlich billige Produkte mit durchschnittlichen Qualitäten. Meist handelt es sich um eine Legierung aus Eisenoxid mit Strontium- und Bariumferriten. Der Temperaturbereich des stabilen Betriebs des Magneten ist nicht höher als 250–270°C. Technische Eigenschaften:

• Koerzitivkraft - etwa 200 kA/m;
• Restinduktion - bis zu 0,4 Tesla;
• Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 20-30 Jahre.

Was sind Neodym-Magnete

Dies sind die stärksten der dauerhaften, aber gleichzeitig ziemlich zerbrechlich und korrosionsinstabil. Diese Legierungen basieren auf einem Seltenerdmineral - Neodym. Es ist der stärkste Dauermagnet.

Eigenschaften:

• Koerzitivkraft - etwa 1000 kA/m;
• Restinduktion - bis zu 1,1 Tesla;
• durchschnittliche Lebensdauer - bis zu 50 Jahre.

Ihr Einsatz schränkt nur die untere Grenze des Temperaturbereichs ein, bei den hitzebeständigsten Neodym-Magnetsorten sind es 140 °C, während die weniger beständigen bei Temperaturen über 80 Grad zerstört werden.

Samarium-Kobalt-Legierungen

Mit hohen technischen Eigenschaften, aber gleichzeitig sehr teuren Legierungen.

Eigenschaften:

• Koerzitivkraft - etwa 700 kA/m;
• Restinduktion - bis zu 0,8-1,0 Tesla;
• durchschnittliche Lebensdauer - 15-20 Jahre.

Sie werden für schwierige Arbeitsbedingungen eingesetzt: hohe Temperaturen, aggressive Umgebungen und schwere Lasten. Aufgrund ihrer relativ hohen Kosten ist ihre Verwendung etwas eingeschränkt.

Alnico

Pulverlegierung aus Kobalt (37-40 %) mit Zusatz von Aluminium und Nickel hat neben der Fähigkeit, seine magnetischen Eigenschaften bei Temperaturen bis zu 550 °C beizubehalten, auch gute Leistungseigenschaften. Ihre technischen Eigenschaften sind geringer als die von ferromagnetischen Legierungen und sind:

• Koerzitivkraft - etwa 50 kA/m;
• Restinduktion - bis zu 0,7 Tesla;
• Die durchschnittliche Lebensdauer beträgt 10-20 Jahre.

Trotzdem ist gerade diese Legierung für den wissenschaftlichen Einsatz am interessantesten. Darüber hinaus trägt die Zugabe von Titan und Niob zur Legierung zu einer Erhöhung der Koerzitivfeldstärke der Legierung auf 145–150 kA/m bei.

Magnetoplastik

Sie werden hauptsächlich im Alltag zur Herstellung von magnetischen Postkarten, Kalendern und anderen Kleinigkeiten verwendet, wobei die Eigenschaften des Magnetfelds aufgrund der geringeren Konzentration der magnetischen Zusammensetzung leicht abnehmen.

Dies sind die wichtigsten Arten von Permanentmagneten. Der Elektromagnet unterscheidet sich durch das Funktions- und Anwendungsprinzip etwas von solchen Legierungen.

Interessant. Neodym-Magnete werden fast überall verwendet, auch im Design, um schwimmende Strukturen zu schaffen, und in der Kultur für die gleichen Zwecke.

Elektromagnet und Entmagnetisierer

Wenn der Elektromagnet beim Durchgang durch die Windungen der Stromwicklung ein Feld erzeugt, entfernt der Entmagnetisierer dagegen das Restmagnetfeld. Dieser Effekt kann für verschiedene Zwecke genutzt werden. Was kann man zum Beispiel mit einem Entmagnetisierer machen? Früher wurde der Entmagnetisierer verwendet, um die Wiedergabeköpfe von Tonbandgeräten, Fernsehbildröhren und anderen Funktionen dieser Art zu entmagnetisieren. Heute wird es oft für etwas illegale Zwecke verwendet, um Zähler zu entmagnetisieren, nachdem Magnete darauf angebracht wurden. Darüber hinaus kann und soll dieses Gerät dazu verwendet werden, das Restmagnetfeld von Werkzeugen zu entfernen.

Der Entmagnetisierer besteht normalerweise aus einer gewöhnlichen Spule, mit anderen Worten, je nach Gerät wiederholt dieses Gerät einen Elektromagneten vollständig. An die Spule wird eine Wechselspannung angelegt, wonach das Gerät, von dem wir das Restfeld entfernen, aus dem Abdeckungsbereich des Entmagnetisierers entfernt wird, wonach es sich ausschaltet

Wichtig! Die Verwendung eines Magneten zum "Verdrehen" des Zählers ist illegal und zieht eine Geldstrafe nach sich. Unsachgemäßer Gebrauch des Entmagnetisierers kann zur vollständigen Entmagnetisierung des Gerätes und dessen Ausfall führen.

Selbstgebauter Magnet

Dazu reicht es aus, einen Metallstab aus Stahl oder einer anderen Ferrolegierung zu finden, Sie können den Verbundkern des Transformators verwenden und dann eine Wicklung herstellen. Wickeln Sie mehrere Windungen Kupferwickeldraht um den Kern. Zur Sicherheit lohnt es sich, eine Sicherung in den Stromkreis einzubauen. Wie erstelle ich einen starken Magneten? Dazu müssen Sie den Strom in der Wicklung erhöhen, je höher er ist, desto größer ist die Magnetkraft des Geräts.

Wenn das Gerät an das Netzwerk angeschlossen ist und die Wicklung mit Strom versorgt wird, zieht das Gerät Metall an, dh dies ist tatsächlich ein echter Elektromagnet, wenn auch ein etwas vereinfachtes Design.

in der Rubrik

Magnetkraft ist die wichtigste Eigenschaft eines Magneten. Von diesem Indikator hängen seine Leistung und sein Umfang ab. Die Stärke von Magneten wird in Einheiten von Tesla (T) gemessen. Das heißt, um herauszufinden, welcher Magnet am stärksten ist, müssen Sie verschiedene Materialien gemäß diesem Indikator vergleichen.

Der stärkste Elektromagnet

Wissenschaftler in verschiedenen Ländern versuchen, den stärksten Magneten der Welt zu schaffen, und erzielen manchmal sehr interessante Ergebnisse. Den Status als bisher stärkster Elektromagnet hat die Anlage im Los Alamos National Laboratory (USA) inne. Ein riesiges Gerät aus sieben Spulensätzen mit einer Gesamtmasse von 8,2 Tonnen erzeugt ein Magnetfeld mit einer Stärke von 100 Tesla. Diese beeindruckende Zahl ist 2 Millionen Mal so stark wie das Magnetfeld unseres Planeten.

Es ist erwähnenswert, dass die Magnetspule des Rekordhaltermagneten aus einem russischen Kupfer-Niob-Nanokomposit besteht. Dieses Material wurde von Wissenschaftlern des Kurchatov-Instituts mit Unterstützung des Allrussischen Forschungsinstituts für anorganische Materialien entwickelt. A. A. Bochvara. Ohne diesen hochbelastbaren Verbundwerkstoff hätte der neue stärkste Magnet der Welt den Rekord seines Vorgängers nicht übertreffen können, da die technische Hauptschwierigkeit beim Betrieb von Anlagen dieses Niveaus darin besteht, die Integrität zu bewahren, wenn sie den stärksten magnetischen Impulsen ausgesetzt sind. Die maximale aufgezeichnete Stärke des elektromagnetischen Feldes, das während des Experiments durch Impulse zerstört wurde, betrug 730 T. In der UdSSR gelang es Wissenschaftlern, mit einem speziellen Magneten und Sprengstoff einen Impuls von 2800 T zu erzeugen.

Kupfer-Niob

Die in Laboratorien gewonnenen Magnetpulse sind millionenfach größer als das Magnetfeld der Erde. Aber selbst der stärkste bisher gebaute Magnet ist millionenfach schwächer als Neutronensterne. Magnetar SGR 1806-20 hat ein Magnetfeld von 100 Milliarden Tesla.

Stärkster Heimmagnet

Natürlich sind die Magnetstärke von Sternen und die Experimente von Wissenschaftlern interessant, aber die meisten Benutzer möchten wissen, welcher Magnet der stärkste ist, um bestimmte Anwendungsprobleme zu lösen. Dazu müssen Sie die Stärke des Magnetfelds verschiedener Magnettypen vergleichen:

1) Ferritmagnete– 0,1..0,2 T

2) Alnico- und Samarium-Magnete– 0,4..0,5 T.

3) Neodym-Magnete– bis zu 2 T (bei Ergänzung zur Habalt-Struktur).

Der stärkste Magnet ist also Seltenerd-Supermagnet, kleiner starker Magnet, dessen Hauptbestandteile Neodym, Eisen und Bor sind. Die Stärke seines Feldes ist vergleichbar mit der Kraft von Elektromagneten mit Ferritkern. Neodym-basierte magnetische Legierung bietet unübertroffene Leistung bei so wichtigen Parametern:

1) Koerzitivkraft. Diese Eigenschaft ermöglicht den Einsatz des Materials im Bereich äußerer Magnetfelder.

2) Losbrechkraft. Dank der maximalen Magnetkraft ist es möglich, die Größe der Produkte bei gleichzeitig hoher Haftkraft zu reduzieren.

3) Restmagnetische Induktion. Eine hohe Restmagnetisierungsrate liefert eine sehr wichtige Eigenschaft eines Neodym-Magneten - die Dauer der Erhaltung magnetischer Eigenschaften. Im Wesentlichen verliert die magnetische Neodym-Eisen-Bor-Legierung nur wenige Prozent ihrer Stärke über ein Jahrhundert und ist ein ewiger Magnet.

Um das starke Magnetfeld des Neodym-basierten Seltenerd-Supermagneten aufrechtzuerhalten, sollte man sich seiner Schwachstellen bewusst sein. Insbesondere hat das Material eine Pulverstruktur, so dass starke Stöße und Stürze zum Verlust seiner Eigenschaften führen können. Außerdem entmagnetisiert die Legierung bei Erwärmung auf +70 ⁰ C (hitzebeständige Versionen der Legierungen halten bis zu +200 ⁰ C stand). Berücksichtigen Sie einfach diese Eigenschaften und dann werden Sie von den Produkten so lange wie möglich profitieren.

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Fangen wir bei der Schulbank an: Was würde uns ein Physiklehrer über Magnete sagen?

Es gibt drei Arten von Magneten: Permanent-, Temporär- und Elektromagnete. Die ersten werden ein für alle Mal aufgeladen, die zweiten arbeiten nur in einem Magnetfeld, die dritten - nur wenn Strom fließt.

Alle Permanentmagnete unterteilt in natürliche und künstliche. Natürliche sind zum Beispiel magnetisches Eisenerz. Es selbst zieht Metallgegenstände an sich, dafür muss nichts mit ihm gemacht werden. Oder Mutter Erde ist auch ein natürlicher Magnet. Nur zieht es nicht Metall an, sondern alles. Einschließlich uns Swami.

Künstliche Permanentmagnete werden von Menschen hergestellt und ihre Art hängt vom Material ab, aus dem der Magnet besteht. Hier gibt es Ferrite - dazu gehören Eisen, Neodym-Magnete, Alnico, SmCo und magnetische Kunststoffe. Tatsächlich ist magnetisches Vinyl in der Anzahl der Magnetoplaste enthalten: Wir verwenden es bei der Herstellung von Magneten.

Wir haben uns mit den dauerhaften befasst. Temporäre Magnete- Dies sind Metallprodukte, die beim Eintritt in ein Magnetfeld magnetisiert werden und für kurze Zeit die Fähigkeit erlangen, andere Metallgegenstände selbst anzuziehen. Zum Beispiel Büroklammern und Nägel.

Elektromagnete werden mit Hilfe eines gewickelten Drahtes gebildet, durch den ein Strom geleitet wird. Unsere Geräte arbeiten mit Elektromagneten.

Lassen Sie uns mit der Physik abschließen: Die Grundlagen sind Ihnen jetzt bekannt!

Arten von Magneten in Bezug auf den Umfang

Ein gewöhnlicher Mensch wird lesen, was ein Physiker über Magnete denkt, und fragen: „Na und?“ Nicht sehr nützliche Informationen. Uns interessiert eher, warum überhaupt Magnete benötigt werden?

Information. Das deutlichste Beispiel ist der Kompass. Der Magnet orientiert sich an den Himmelsrichtungen. Dies ist jedoch bei weitem nicht das einzige Gerät mit einem Magneten: Es befindet sich beispielsweise auch im selben Amperemeter.

Industrie. Der Magnet wird in der Produktion verwendet und - sowohl für die Arbeit mit sehr großen Objekten als auch - mit den kleinsten.

Die Medizin. Jemand schreit über die Gefahren von Magneten für die Gesundheit, und jemand verwendet sie zur Behandlung. Magnete sind anders!

Technik. Ein großer Teil der Technologie basiert auf der Arbeit von Magneten. Computer und Fernseher, Telefone und viele andere Geräte werden durch Magnete ermöglicht.

Geschenkmagnete. Es wird gelegentlich überreicht und enthält oft eine Glückwunschinschrift, einen Wunsch, ein schönes Foto des Helden des Anlasses und so weiter. sehr hübsch.

Einzigartige Magnete. In der Regel von Hand oder auf Bestellung gefertigt. Sie zeichnen sich durch einige Besonderheiten oder liebevoll gearbeitete Details sowie die Verwendung ungewöhnlicher Materialien aus.

Beispiele unserer Magnete

Bestickter individueller Magnet "Rocket Jump"

Jeder hatte als Kind einen Magneten in der Hand und spielte damit. Magnete können in Form und Größe sehr unterschiedlich sein, aber alle Magnete haben eine gemeinsame Eigenschaft - sie ziehen Eisen an. Es scheint, dass sie selbst auf jeden Fall aus Eisen bestehen, mit Sicherheit aus einer Art Metall. Es gibt aber auch "schwarze Magnete" oder "Steine", sie ziehen auch Eisenstücke stark an und vor allem einander.

Aber sie sehen nicht aus wie Metall, sie brechen leicht wie Glas. Im Haushalt von Magneten gibt es viele nützliche Dinge, zum Beispiel ist es bequem, mit ihrer Hilfe Papierbögen an Bügelflächen zu „pinnen“. Es ist bequem, verlorene Nadeln mit einem Magneten zu sammeln, also ist dies, wie wir sehen können, eine absolut nützliche Sache.

Wissenschaft 2.0 - Großer Sprung nach vorne - Magnete

Magnet in der Vergangenheit

Schon die alten Chinesen kannten vor mehr als 2000 Jahren Magnete, zumindest dass man dieses Phänomen nutzen kann, um auf Reisen die Richtung zu wählen. Das heißt, sie haben einen Kompass erfunden. Philosophen im antiken Griechenland, neugierige Menschen, die verschiedene erstaunliche Fakten sammelten, stießen in der Nähe der Stadt Magness in Kleinasien auf Magnete. Dort fanden sie seltsame Steine, die Eisen anziehen konnten. Für jene Zeiten war es nicht weniger erstaunlich, als Aliens in unserer Zeit werden konnten.

Noch überraschender schien, dass Magnete weit entfernt von allen Metallen anziehen, aber nur Eisen, und Eisen selbst kann ein Magnet werden, wenn auch nicht so stark. Wir können sagen, dass der Magnet nicht nur Eisen, sondern auch die Neugier der Wissenschaftler angezogen und eine Wissenschaft wie die Physik stark vorangebracht hat. Thales von Milet schrieb über die „Seele des Magneten“, und der Römer Titus Lucretius Carus schrieb in seinem Aufsatz „Über die Natur der Dinge“ über die „rasende Bewegung von Eisenspänen und Ringen“. Er konnte bereits die Anwesenheit von zwei Polen am Magneten bemerken, die später, als die Seeleute begannen, den Kompass zu benutzen, Namen zu Ehren der Himmelsrichtungen erhielten.

Was ist ein Magnet. In einfachen Worten. Ein Magnetfeld

Nehmen Sie den Magneten ernst

Die Natur von Magneten konnte lange Zeit nicht erklärt werden. Mit Hilfe von Magneten wurden neue Kontinente entdeckt (Seefahrer behandeln den Kompass immer noch mit großem Respekt), aber niemand wusste etwas über die eigentliche Natur des Magnetismus. Es wurde nur daran gearbeitet, den Kompass zu verbessern, was auch der Geograph und Navigator Christoph Kolumbus getan hat.

1820 machte der dänische Wissenschaftler Hans Christian Oersted eine bedeutende Entdeckung. Er stellte die Wirkung eines Drahtes mit elektrischem Strom auf eine Magnetnadel fest und fand als Wissenschaftler durch Experimente heraus, wie dies unter verschiedenen Bedingungen geschieht. Im selben Jahr stellte der französische Physiker Henri Ampere eine Hypothese über elementare Kreisströme auf, die in den Molekülen einer magnetischen Substanz fließen. 1831 führt der Engländer Michael Faraday mit einer Spule aus isoliertem Draht und einem Magneten Experimente durch, die zeigen, dass mechanische Arbeit in elektrischen Strom umgewandelt werden kann. Er stellt auch das Gesetz der elektromagnetischen Induktion auf und führt das Konzept des "Magnetfelds" ein.

Das Faradaysche Gesetz legt die Regel fest: Bei einem geschlossenen Stromkreis ist die elektromotorische Kraft gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses, der durch diesen Stromkreis fließt. Alle elektrischen Maschinen arbeiten nach diesem Prinzip – Generatoren, Elektromotoren, Transformatoren.

1873 vereint der schottische Wissenschaftler James C. Maxwell magnetische und elektrische Phänomene in einer Theorie, der klassischen Elektrodynamik.

Stoffe, die magnetisiert werden können, nennt man Ferromagnete. Dieser Name verbindet Magnete mit Eisen, aber daneben findet sich die Fähigkeit zu magnetisieren auch in Nickel, Kobalt und einigen anderen Metallen. Da das Magnetfeld bereits in den Bereich der praktischen Anwendung übergegangen ist, haben auch magnetische Materialien große Aufmerksamkeit erfahren.

Experimente begannen mit Legierungen aus magnetischen Metallen und verschiedenen Zusätzen darin. Die daraus resultierenden Materialien waren sehr teuer, und wenn Werner Siemens nicht auf die Idee gekommen wäre, den Magneten durch Stahl zu ersetzen, der durch einen relativ kleinen Strom magnetisiert wird, hätte die Welt niemals eine elektrische Straßenbahn und Siemens gesehen. Siemens war auch an Telegrafenmaschinen beteiligt, aber hier hatte er viele Konkurrenten, und die elektrische Straßenbahn brachte dem Unternehmen viel Geld und zog schließlich alles andere mit sich.

Elektromagnetische Induktion

Grundlegende Größen im Zusammenhang mit Magneten in der Technik

Wir werden uns hauptsächlich für Magnete, also Ferromagnete, interessieren und den Rest ein wenig beiseite lassen, ein sehr weites Feld magnetischer (besser gesagt elektromagnetischer, in Erinnerung an Maxwell) Phänomene. Unsere Maßeinheiten sind die in SI akzeptierten (Kilogramm, Meter, Sekunde, Ampere) und ihre Ableitungen:

l Feldstärke, H, A/m (Ampere pro Meter).

Dieser Wert charakterisiert die Feldstärke zwischen parallelen Leitern, deren Abstand 1 m beträgt und der durch sie fließende Strom 1 A beträgt. Die Feldstärke ist eine vektorielle Größe.

l Magnetische Induktion, B, Tesla, magnetische Flussdichte (Weber/m.sq.)

Dies ist das Verhältnis des Stroms durch den Leiter zum Umfang, auf dem Radius, bei dem uns die Größe der Induktion interessiert. Der Kreis liegt in der Ebene, die der Draht senkrecht schneidet. Dazu gehört ein weiterer Faktor namens magnetische Permeabilität. Dies ist eine Vektorgröße. Wenn wir gedanklich auf das Ende des Drahtes schauen und davon ausgehen, dass der Strom von uns weg fließt, dann „rotieren“ die Magnetkraftkreise im Uhrzeigersinn, und der Induktionsvektor wird an die Tangente angelegt und fällt mit ihnen in Richtung zusammen.

l Magnetische Permeabilität, μ (relativer Wert)

Wenn wir die magnetische Permeabilität des Vakuums zu 1 nehmen, erhalten wir für die restlichen Materialien die entsprechenden Werte. So erhalten wir beispielsweise für Luft einen praktisch gleichen Wert wie für Vakuum. Für Eisen werden wir wesentlich größere Werte erhalten, so dass wir bildlich (und sehr genau) sagen können, dass Eisen magnetische Kraftlinien in sich „zieht“. Wenn die Feldstärke in einer Spule ohne Kern H ist, dann erhalten wir mit einem Kern μH.

l Zwangskraft, Bin.

Die Koerzitivkraft gibt an, wie sehr ein magnetisches Material einer Ent- und Ummagnetisierung widersteht. Wenn der Strom in der Spule vollständig entfernt wird, bleibt im Kern eine Restinduktion. Um es gleich Null zu machen, müssen Sie ein Feld mit einer gewissen Stärke erzeugen, aber das Gegenteil, dh den Strom in die entgegengesetzte Richtung laufen lassen. Diese Spannung wird als Koerzitivkraft bezeichnet.

Da Magnete in der Praxis immer in Verbindung mit Elektrizität verwendet werden, sollte es nicht überraschen, dass eine solche elektrische Größe wie Ampere verwendet wird, um ihre Eigenschaften zu beschreiben.

Aus dem Gesagten folgt, dass z. B. ein Nagel, auf den ein Magnet eingewirkt hat, selbst ein Magnet wird, wenn auch ein schwächerer. In der Praxis stellt sich heraus, dass sogar Kinder, die mit Magneten spielen, davon wissen.

Je nachdem, wo diese Materialien eingesetzt werden, gibt es unterschiedliche Anforderungen an Magnete in der Technik. Ferromagnetische Materialien werden in „weich“ und „hart“ unterteilt. Die ersten gehen zur Herstellung von Kernen für Geräte, bei denen der Magnetfluss konstant oder variabel ist. Aus weichen Materialien kann man keinen guten unabhängigen Magneten herstellen. Sie entmagnetisieren zu leicht, und hier ist genau dies ihre wertvolle Eigenschaft, da das Relais beim Abschalten des Stroms „freigeben“ muss und der Elektromotor nicht aufheizen darf - für die Ummagnetisierung wird überschüssige Energie verbraucht, die in der Form freigesetzt wird von Hitze.

WIE SIEHT EIN MAGNETFELD WIRKLICH AUS? Igor Beletsky

Permanentmagnete, also solche, die Magnete genannt werden, benötigen zu ihrer Herstellung harte Materialien. Starrheit ist magnetisch gemeint, dh eine große Restinduktion und eine große Koerzitivkraft, da diese Größen, wie wir gesehen haben, eng miteinander verbunden sind. Für solche Magnete werden Kohlenstoff-, Wolfram-, Chrom- und Kobaltstähle verwendet. Ihre Koerzitivkraft erreicht Werte von etwa 6500 A/m.

Es gibt spezielle Legierungen namens Alni, Alnisi, Alnico und viele andere, wie Sie sich vorstellen können, darunter Aluminium, Nickel, Silizium, Kobalt in verschiedenen Kombinationen, die eine größere Koerzitivkraft haben - bis zu 20.000 ... 60.000 A / m. Ein solcher Magnet lässt sich nicht so leicht von Eisen abreißen.

Es gibt Magnete, die speziell für den Betrieb bei höheren Frequenzen ausgelegt sind. Dies ist der bekannte „Rundmagnet“. Es wird von einem wertlosen Lautsprecher aus einem Musikcenter-Lautsprecher oder einem Autoradio oder sogar einem Fernseher von gestern „abgebaut“. Dieser Magnet wird durch Sintern von Eisenoxiden und speziellen Zusätzen hergestellt. Ein solches Material wird Ferrit genannt, aber nicht jeder Ferrit ist auf diese Weise speziell magnetisiert. Und in Lautsprechern wird es aus Gründen der Reduzierung nutzloser Verluste verwendet.

Magnete. Entdeckung. Wie es funktioniert?

Was passiert in einem Magneten?

Da die Atome der Materie eine Art "Klumpen" aus Elektrizität sind, können sie ihr eigenes Magnetfeld erzeugen, aber nur bei einigen Metallen, die eine ähnliche atomare Struktur haben, ist diese Fähigkeit sehr ausgeprägt. Und Eisen, Kobalt und Nickel stehen Seite an Seite im Periodensystem von Mendeleev und haben ähnliche Strukturen von Elektronenhüllen, die die Atome dieser Elemente in mikroskopische Magnete verwandeln.

Da Metalle als gefrorene Mischung verschiedener Kristalle sehr kleiner Größe bezeichnet werden können, ist klar, dass solche Legierungen viele magnetische Eigenschaften haben können. Viele Atomgruppen können unter dem Einfluss von Nachbarn und äußeren Feldern ihre eigenen Magneten „entrollen“. Solche "Gemeinschaften" werden magnetische Domänen genannt und bilden sehr bizarre Strukturen, die von Physikern immer noch mit Interesse untersucht werden. Dies ist von großer praktischer Bedeutung.

Wie bereits erwähnt, können Magnete fast atomar groß sein, sodass die kleinste Größe der magnetischen Domäne durch die Größe des Kristalls begrenzt ist, in dem die Atome des magnetischen Metalls eingebettet sind. Das erklärt zum Beispiel die geradezu fantastische Aufzeichnungsdichte auf modernen Computerfestplatten, die offenbar weiter zunehmen wird, bis die Platten ernsthaftere Konkurrenten haben.

Schwerkraft, Magnetismus und Elektrizität

Wo werden Magnete verwendet?

Die Kerne davon sind Magnete von Magneten, obwohl sie normalerweise einfach als Kerne bezeichnet werden, Magnete haben viele weitere Verwendungen. Es gibt Schreibwarenmagnete, Möbeltürmagnete, Schachmagnete für Reisende. Dies sind bekannte Magnete.

Zu den selteneren Typen gehören Magnete für Teilchenbeschleuniger, das sind sehr beeindruckende Strukturen, die mehrere zehn Tonnen oder mehr wiegen können. Zwar ist die Experimentalphysik inzwischen mit Gras bewachsen, mit Ausnahme des Teils, das auf dem Markt sofort Supergewinne bringt, und selbst fast nichts kostet.

Ein weiterer merkwürdiger Magnet ist in einem schicken medizinischen Gerät namens Magnetresonanztomograph installiert. (Eigentlich heißt die Methode NMR, Nuclear Magnetic Resonance, aber um Menschen, die in Physik im Allgemeinen nicht stark sind, nicht zu erschrecken, wurde sie umbenannt.) Das Gerät erfordert, dass das beobachtete Objekt (Patient) in ein starkes Magnetfeld gebracht wird , und der dazugehörige Magnet hat eine tolle Größe und die Form des Teufelssargs.

Eine Person wird auf einer Couch platziert und in diesem Magneten durch einen Tunnel gerollt, während Sensoren den für Ärzte interessanten Ort scannen. Im Allgemeinen ist es in Ordnung, aber bei manchen kommt die Klaustrophobie bis zur Panik. Solche Menschen lassen sich bereitwillig bei lebendigem Leib schneiden, stimmen aber einer MRT-Untersuchung nicht zu. Aber wer weiß, wie sich ein Mensch in einem ungewöhnlich starken Magnetfeld mit einer Induktion von bis zu 3 Tesla fühlt, nachdem er dafür gutes Geld bezahlt hat.

Um ein so starkes Feld zu erhalten, wird oft Supraleitung genutzt, indem die Magnetspule mit flüssigem Wasserstoff gekühlt wird. Dies ermöglicht es, das Feld „aufzupumpen“, ohne befürchten zu müssen, dass das Erhitzen der Drähte mit einem starken Strom die Fähigkeiten des Magneten einschränkt. Es ist keine billige Einrichtung. Aber Magnete aus speziellen Legierungen, die keine Stromvorspannung benötigen, sind viel teurer.

Unsere Erde ist auch ein großer, wenn auch nicht sehr starker Magnet. Es hilft nicht nur den Besitzern des Magnetkompasses, sondern rettet uns auch vor dem Tod. Ohne sie würden wir durch Sonnenstrahlung getötet werden. Das Bild des Erdmagnetfeldes, modelliert von Computern aus Beobachtungen aus dem Weltraum, sieht sehr beeindruckend aus.

Hier eine kleine Antwort auf die Frage, was ein Magnet in Physik und Technik ist.

Permanentmagnete waren neben durch Reibung elektrifizierten Bernsteinstücken für die Menschen der Antike die ersten materiellen Beweise für elektromagnetische Phänomene (Blitze zu Beginn der Geschichte wurden eindeutig der Manifestationssphäre nichtmaterieller Kräfte zugeschrieben). Die Erklärung der Natur des Ferromagnetismus hat schon immer die neugierigen Köpfe der Wissenschaftler beschäftigt, aber auch heute noch ist die physikalische Natur der permanenten Magnetisierung einiger natürlicher und künstlich erzeugter Substanzen noch nicht vollständig aufgeklärt worden, was ein beträchtliches Feld hinterlässt der Aktivität für moderne und zukünftige Forscher.

Traditionelle Materialien für Permanentmagnete

Sie werden seit 1940 mit dem Aufkommen der Alnico-Legierung (AlNiCo) aktiv in der Industrie eingesetzt. Davor wurden Permanentmagnete aus verschiedenen Stahlsorten nur in Kompassen und Magneten verwendet. Alnico ermöglichte es, Elektromagnete durch sie zu ersetzen und sie in Geräten wie Motoren, Generatoren und Lautsprechern einzusetzen.

Dieser Eingriff in unser tägliches Leben erhielt mit der Entwicklung von Ferritmagneten einen neuen Impuls, und seitdem sind Permanentmagnete alltäglich geworden.

Die Revolution bei magnetischen Materialien begann um 1970 mit der Schaffung der Samarium-Kobalt-Familie von hartmagnetischen Materialien mit bisher unerreichten magnetischen Energiedichten. Dann wurde eine neue Generation von Seltenerdmagneten auf Basis von Neodym, Eisen und Bor mit einer viel höheren magnetischen Energiedichte als Samarium-Kobalt (SmCo) und zu erwarteten niedrigen Kosten entdeckt. Diese beiden Familien von Seltenerdmagneten haben so hohe Energiedichten, dass sie nicht nur Elektromagnete ersetzen, sondern auch in für sie unzugänglichen Bereichen eingesetzt werden können. Beispiele sind der winzige Permanentmagnet-Schrittmotor in Armbanduhren und die Schallwandler in Kopfhörern wie dem Walkman.

Die allmähliche Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Materialien ist im folgenden Diagramm dargestellt.

Neodym-Permanentmagnete

Sie repräsentieren die neueste und bedeutendste Entwicklung auf diesem Gebiet in den letzten Jahrzehnten. Ihre Entdeckung wurde erstmals Ende 1983 fast zeitgleich von Metallarbeitern von Sumitomo und General Motors bekannt gegeben. Sie basieren auf der intermetallischen Verbindung NdFeB: einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor. Von diesen ist Neodym ein Seltenerdelement, das aus dem Mineral Monazit gewonnen wird.

Das große Interesse, das diese Permanentmagnete erzeugt haben, rührt daher, dass zum ersten Mal ein neues Magnetmaterial erhalten wurde, das nicht nur stärker als die vorherige Generation, sondern auch wirtschaftlicher ist. Es besteht hauptsächlich aus Eisen, das viel billiger als Kobalt ist, und Neodym, das eines der am häufigsten vorkommenden Seltenerdmaterialien ist und auf der Erde häufiger vorkommt als Blei. Die wichtigsten Seltenerdmineralien Monazit und Bastanesit enthalten fünf- bis zehnmal mehr Neodym als Samarium.

Physikalischer Mechanismus der Permanentmagnetisierung

Um die Funktionsweise eines Permanentmagneten zu erklären, müssen wir bis auf die atomare Ebene in sein Inneres schauen. Jedes Atom hat eine Reihe von Spins seiner Elektronen, die zusammen sein magnetisches Moment bilden. Für unsere Zwecke können wir jedes Atom als einen kleinen Stabmagneten betrachten. Wenn ein Permanentmagnet entmagnetisiert wird (entweder durch Erhitzen auf eine hohe Temperatur oder durch ein externes Magnetfeld), ist jedes Atommoment zufällig ausgerichtet (siehe Abbildung unten) und es wird keine Regelmäßigkeit beobachtet.

Wird es in einem starken Magnetfeld magnetisiert, richten sich alle atomaren Momente in Richtung des Feldes aus und greifen sozusagen ineinander (siehe Abbildung unten). Diese Kopplung ermöglicht es, das Feld eines Permanentmagneten aufrechtzuerhalten, wenn das externe Feld entfernt wird, und auch einer Entmagnetisierung zu widerstehen, wenn sich seine Richtung ändert. Das Maß für die Kohäsionskraft atomarer Momente ist die Größe der Koerzitivfeldstärke des Magneten. Dazu später mehr.

In einer tieferen Darstellung des Magnetisierungsmechanismus operieren sie nicht mit den Konzepten von atomaren Momenten, sondern verwenden das Konzept von Miniaturregionen (in der Größenordnung von 0,001 cm) innerhalb des Magneten, die anfänglich eine konstante Magnetisierung haben, aber zufällig orientiert sind in Abwesenheit eines externen Feldes, so dass ein strenger Leser, falls gewünscht, den obigen physikalischen Mechanismus nicht dem Magneten als Ganzem zuschreiben kann. und zu seiner separaten Domäne.

Induktion und Magnetisierung

Die atomaren Momente addieren sich und bilden das magnetische Moment des gesamten Permanentmagneten, dessen Magnetisierung M die Größe dieses Moments pro Volumeneinheit angibt. Die magnetische Induktion B zeigt, dass ein Permanentmagnet das Ergebnis einer äußeren Magnetkraft (Feldstärke) H ist, die während der Primärmagnetisierung aufgebracht wird, sowie einer inneren Magnetisierung M aufgrund der Ausrichtung der Atom- (oder Domänen-) Momente. Sein Wert wird im Allgemeinen durch die Formel angegeben:

B = µ 0 (H + M),

wobei µ 0 eine Konstante ist.

In einem ringförmigen und homogenen Permanentmagneten ist die darin enthaltene Feldstärke H (ohne äußeres Feld) gleich Null, da nach dem Gesetz des Gesamtstroms das Integral entlang eines beliebigen Kreises innerhalb eines solchen ringförmigen Kerns ist ist gleich:

H∙2πR = iw=0 , also H=0.

Daher ist die Magnetisierung in einem Ringmagneten:

Bei einem offenen Magneten z. B. im gleichen Ring, aber mit einem Luftspalt der Breite l zaz in einem Kern der Länge l ser, ohne äußeres Feld und gleicher Induktion B im Inneren des Kerns und im Spalt, nach dem Summenstromgesetz erhalten wir:

H ser l ser + (1/ µ 0)Bl zas = iw=0.

Da B \u003d µ 0 (H ser + M ser) ist, erhalten wir durch Einsetzen seines Ausdrucks in den vorherigen:

H ser (l ser + l zas) + M ser l zas \u003d 0,

H ser \u003d ─ M ser l zas (l ser + l zas).

Im Luftspalt:

H zaz \u003d B / µ 0,

außerdem wird B durch die gegebene M-Ser und die gefundene H-Ser bestimmt.

Magnetisierungskurve

Ausgehend vom nicht magnetisierten Zustand, wenn H von Null ansteigt, steigen M und B aufgrund der Ausrichtung aller atomaren Momente in Richtung des äußeren Feldes schnell an und ändern sich entlang des „a“-Abschnitts der Hauptmagnetisierungskurve (vgl Abbildung unten).

Wenn alle Atommomente ausgerichtet sind, erreicht M seinen Sättigungswert, und ein weiterer Anstieg von B ist ausschließlich auf das angelegte Feld zurückzuführen (Abschnitt b der Hauptkurve in der folgenden Abbildung). Wenn das externe Feld auf Null abfällt, nimmt die Induktion B nicht entlang des ursprünglichen Pfads ab, sondern entlang des „c“-Abschnitts aufgrund der Kopplung atomarer Momente, die dazu neigt, sie in derselben Richtung zu halten. Die Magnetisierungskurve beginnt die sogenannte Hystereseschleife zu beschreiben. Wenn H (externes Feld) gegen Null geht, dann nähert sich die Induktion einem nur durch Atommomente bestimmten Restwert:

B r = μ 0 (0 + M r).

Nachdem sich die Richtung von H geändert hat, wirken H und M in entgegengesetzte Richtungen und B nimmt ab (Kurvenabschnitt "d" in Fig.). Der Wert des Feldes, bei dem B auf Null abfällt, wird als Koerzitivfeldstärke des Magneten B H C bezeichnet. Wenn die Größe des angelegten Feldes groß genug ist, um die Kohäsion der atomaren Momente zu brechen, orientieren sie sich in der neuen Richtung des Feldes und die Richtung von M wird umgekehrt. Der Wert des Feldes, bei dem dies geschieht, wird als innere Koerzitivfeldstärke des Permanentmagneten M H C bezeichnet. Es gibt also zwei verschiedene, aber verwandte Koerzitivkräfte, die mit einem Permanentmagneten verbunden sind.

Die folgende Abbildung zeigt die grundlegenden Entmagnetisierungskurven verschiedener Materialien für Permanentmagnete.

Daraus ist ersichtlich, dass NdFeB-Magnete die höchste Restinduktion Br und Koerzitivkraft aufweisen (sowohl gesamt als auch intern, d.h. ohne Berücksichtigung der Stärke H ermittelt, nur aus der Magnetisierung M).

Oberflächenströme (Ampere).

Die Magnetfelder von Permanentmagneten können als die Felder einiger damit verbundener Ströme betrachtet werden, die über ihre Oberflächen fließen. Diese Ströme werden Ampere-Ströme genannt. Im üblichen Sinne des Wortes fließen keine Ströme innerhalb von Permanentmagneten. Der französische Physiker Ampere verglich jedoch die Magnetfelder von Permanentmagneten und die Felder von Strömen in Spulen und schlug vor, dass die Magnetisierung einer Substanz durch den Fluss mikroskopischer Ströme erklärt werden kann, die mikroskopisch kleine geschlossene Kreisläufe bilden. Schließlich ist die Analogie zwischen dem Feld eines Solenoids und einem langen zylindrischen Magneten fast vollständig: Es gibt einen Nord- und einen Südpol eines Permanentmagneten und dieselben Pole für ein Solenoid und die Muster der Feldlinien ihrer Felder sind ebenfalls sehr ähnlich (siehe Abbildung unten).

Gibt es Ströme in einem Magneten?

Stellen wir uns vor, dass das gesamte Volumen eines Stab-Permanentmagneten (mit beliebiger Querschnittsform) mit mikroskopischen Ampere-Strömen gefüllt ist. Ein Querschnitt eines Magneten mit solchen Strömen ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Jeder von ihnen hat ein magnetisches Moment. Bei gleicher Ausrichtung in Richtung des äußeren Feldes bilden sie ein von Null verschiedenes resultierendes magnetisches Moment. Es bestimmt die Existenz eines Magnetfelds in scheinbarer Abwesenheit einer geordneten Ladungsbewegung, in Abwesenheit von Strom durch irgendeinen Abschnitt des Magneten. Es ist auch leicht zu verstehen, dass in ihm die Ströme benachbarter (kontaktierender) Stromkreise kompensiert werden. Lediglich die Ströme an der Körperoberfläche, die den Oberflächenstrom des Permanentmagneten bilden, erweisen sich als unkompensiert. Seine Dichte ist gleich der Magnetisierung M.

Wie man bewegliche Kontakte loswird

Das Problem der Schaffung einer berührungslosen Synchronmaschine ist bekannt. Sein traditionelles Design mit elektromagnetischer Erregung von den Polen des Rotors mit Spulen beinhaltet die Stromzufuhr zu ihnen durch bewegliche Kontakte - Kontaktringe mit Bürsten. Die Nachteile einer solchen technischen Lösung sind wohlbekannt: Dies sind Wartungsschwierigkeiten, geringe Zuverlässigkeit und große Verluste in beweglichen Kontakten, insbesondere wenn es sich um leistungsstarke Turbo- und Hydrogeneratoren handelt, in deren Erregungskreisen eine beträchtliche elektrische Leistung verbraucht wird.

Wenn Sie einen solchen Permanentmagnetgenerator herstellen, verschwindet das Kontaktproblem sofort. Es gibt zwar ein Problem der zuverlässigen Befestigung von Magneten an einem rotierenden Rotor. Hier kommen die Erfahrungen aus dem Traktorenbau zum Tragen. Seit langem wird ein Induktionsgenerator mit Permanentmagneten verwendet, die sich in den Nuten des Rotors befinden und mit einer niedrigschmelzenden Legierung gefüllt sind.

Permanentmagnetmotor

In den letzten Jahrzehnten haben bürstenlose Gleichstrommotoren eine weite Verbreitung gefunden. Eine solche Einheit ist eigentlich ein Elektromotor und ein elektronischer Schalter seiner Ankerwicklung, die als Kollektor fungiert. Der Elektromotor ist ein Synchronmotor mit Permanentmagneten auf dem Rotor, wie in Abb. oben, mit einer festen Ankerwicklung auf dem Stator. Die elektronische Schalterschaltung ist ein Gleichspannungs-(oder Strom-)Wechselrichter des Versorgungsnetzes.

Der Hauptvorteil eines solchen Motors ist seine Kontaktlosigkeit. Sein spezifisches Element ist ein Photo-, Induktions- oder Hall-Rotorpositionssensor, der den Betrieb des Wechselrichters steuert.