Ещё в Древнем Китае обратили внимание на свойство некоторых металлов притягивать. Это физическое явление получило название магнетизм, а материалы, обладающие этой способностью, назвали магнитами. Сейчас это свойство активно используется в радиолектронике и промышленности, а особо мощные магниты используют, в том числе и для поднятия и транспортировки больших объёмов металла. Применяются свойства этих материалов и в быту – многим известны магнитные открытки и буквы для обучения детей. Какие магниты бывают, где их используют, что такое неодимовый, об этом расскажет этот текст.

Виды магнитов

В современном мире их классифицируют по трём основным категориям по типу создаваемого ими магнитного поля:

• постоянные, состоящие из природного материала, обладающего этими физическими свойствами, например, неодимовые;
• временные, обладающие этими свойствами во время нахождения в поле действия магнитного поля;
• электромагниты – это витки провода на сердечнике, создающие электромагнитное поле при прохождении энергии по проводнику.

В свою очередь, наиболее распространённые постоянные магниты подразделяются на пять основных классов, по своему химическому составу:

• ферромагниты на основе железа и его сплавов с барием и стронцием;
• неодимовые магниты, имеющие в своём составе редкоземельный металл неодим, в сплаве с железом и бором (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
• самариево-кобальтовые сплавы, имеющие сравнимые с неодимовым магнитные характеристики, но в тоже время более широкий температурный диапазон применения (SmCo);
• сплав Альнико, он же ЮНДК, этот сплав отличается высокой коррозионной устойчивостью и высоким температурным пределом;
• магнитопласты, представляющие собой смесь магнитного сплава со связующим, это позволяет создать изделия различных форм и размеров.

Сплавы магнитных металлов хрупкие и достаточно дешёвые изделия, обладающие средними качествами. Обычно это сплав оксида железа с ферритами стронция и бария. Температурный диапазон стабильной работы магнита не выше 250-270°C. Технические характеристики:

• коэрцитивная сила – около 200 кА/м;
• остаточная индукция – до 0,4 Тесла;
• средний срок службы – 20-30 лет.

Что такое неодимовые магниты

Это наиболее мощные из постоянных, но в тоже время достаточно хрупкие и нестойкие к коррозии, в основе этих сплавов лежит редкоземельный минерал – неодим. Это самый сильный магнит из постоянных.

Характеристики:

• коэрцитивная сила – около 1000 кА/м;
• остаточная индукция – до 1,1 Тесла;
• средний срок службы – до 50 лет.

Их применение ограничивает только низкий предел температурного диапазона, для наиболее термостойких марок неодимового магнита это 140°C, в то время как менее стойкие разрушаются при температуре свыше 80 градусов.

Самариевокобальтовые сплавы

Обладающие высокими техническими характеристиками, но в тоже время очень дорогие сплавы.

Характеристики:

• коэрцитивная сила – около 700 кА/м;
• остаточная индукция – до 0,8-1,0 Тесла;
• средний срок службы – 15-20 лет.

Они используются для сложных условий работы: высокие температуры, агрессивные среды и большая нагрузка. Из-за сравнительно высокой стоимости их применение несколько ограничено.

Альнико

Порошковый сплав из кобальта (37-40%) с добавлением алюминия и никеля также обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, кроме того способностью сохранять свои магнитные свойства при температурах до 550°C. Их технические характеристики ниже, чем у ферромагнитных сплавов и составляют:

• коэрцитивная сила – около 50 кА/м;
• остаточная индукция – до 0,7 Тесла;
• средний срок службы – 10-20 лет.

Но, несмотря на это, именно этот сплав наиболее интересен для применения в научной сфере. Кроме того, добавление в сплав титана и ниобия способствует повышению коэрцетивной силы сплава до 145-150 кА/м.

Магнитопласты

Используются в основном в быту для изготовления магнитных открыток, календарей и прочих мелочей, характеристики магнитного поля незначительно падают из-за меньшей концентрации магнитного состава.

Это основные типы постоянных магнитов. Электромагнит по принципу действия и применению несколько отличается от таких сплавов.

Интересно. Неодимовые магниты используются практически повсеместно, в том числе и в дизайне для создания парящих конструкций, и в культуре для этих же целей.

Электромагнит и демагнитизатор

Если электромагнит создаёт поле при прохождении через витки обмотки электроэнергии, то демагнитизатор, наоборот, снимает остаточное магнитное поле. Применять этот эффект можно в разных целях. Например, что можно сделать демагнитизатором? Ранее демагнитизатор использовался для размагничивания воспроизводящих головок магнитофонов, кинескопов телевизоров и выполнения иных функций подобного рода. Сегодня его зачастую применяют в несколько незаконных целях, для размагничивания счётчиков после применения на них магнитов. Кроме того это устройство можно и нужно применять для снятия остаточного магнитного поля с инструментов.

Состоит демагнитизатор обычно из обычной катушки, иначе говоря, по устройству этот прибор полностью повторяет собой электромагнит. На катушку подаётся переменное напряжение, после чего устройство, с которого мы снимаем остаточное поле, убирается из зоны действия демагнитизатора, после чего он отключается

Важно! Использование магнита для «подкрутки» счётчика незаконно и влечёт за собой штраф. Неправильное использование демагнитизатора может привести к полному размагничиванию прибора и его выходу из строя.

Самостоятельное изготовление магнита

Для этого достаточно найти металлический брусок из стали или другого ферросплава, можно использовать составной сердечник трансформатора, после чего сделать обмотку. Намотать на сердечник несколько витков медной обмоточной проволоки. Для безопасности стоит включить в схему плавкий предохранитель. Как сделать мощный магнит? Для этого нужно увеличивать силу тока в обмотке, чем она выше, тем больше магнитная сила устройства.

При включении устройства в сеть и подаче электроэнергии на обмотку, устройство будет притягивать металл, то есть фактически это самый настоящий электромагнит, пусть и несколько упрощённой конструкции.

в рубрике

Магнитная сила – это самое важное свойство магнита. Именно от этого показателя зависят его эксплуатационные качества и сфера применения. Силу магнитов измеряют в единицах тесла (Тл). То есть, чтобы узнать, какой магнит самый мощный, нужно провести сравнение различных материалов по этому показателю.

Самый мощный электромагнит

Ученые в разных странах стараются создать самый мощный магнит в мире и порой добиваются очень любопытных результатов. На сегодняшний день статус самого сильного электромагнита удерживает за собой установка в национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США). Гигантское устройство из семи наборов катушек общей массой 8,2 тонны вырабатывает магнитное поле мощностью 100 Тл. Этот впечатляющий показатель в 2 миллиона раз превышает силу магнитного поля нашей планеты.

Стоит отметить, что соленоид магнита-рекордсмена произведен из российского нанокомпозита медь-ниобий. Этот материал разработан учеными Курчатовского института при содействии ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Без этого сверхпрочного композита новый самый мощный магнит в мире не сумел бы превзойти рекорд предшественника, поскольку главная техническая сложность при работе установок такого уровня – сохранение целостности при воздействии сильнейших магнитных импульсов. Максимальная зафиксированная сила поля электромагнита, который был разрушен импульсами во время эксперимента, составила 730 Тл. В СССР ученые, используя магнит особой конструкции и взрывчатые вещества, сумели создать импульс в 2800 Тл.

медь-ниобий

Полученные в лабораториях магнитные импульсы в миллионы раз превосходят магнитное поле Земли. Но даже самый мощный магнит, который удалось построить на сегодняшний день, в миллионы раз слабее нейтронных звезд. Магнетар SGR 1806−20 обладает магнитным полем силой 100 миллиардов Тесла.

Самый сильный магнит для бытового использования

Конечно, магнитная сила звезд и эксперименты ученых – это интересно, но большинство пользователей хочет узнать, какой магнит самый мощный для решения конкретных прикладных задач. Для этого нужно провести сравнение силы магнитного поля различных видов магнитов:

1) Ферритовые магниты – 0,1..0,2 Тл.

2) Альнико и самариевые магниты – 0,4..0,5 Тл.

3) Неодимовые магниты – до 2 Тл (при сложении в структуру Хабальта).

Итак, самый мощный магнит – это редкоземельный супермагнит, маленький мощный магнитик , главными составляющими которого являются неодим, железо и бор. Сила его поля сопоставима с мощностью электромагнитов с ферритовым сердечником. Магнитный сплав на основе неодима может похвастаться непревзойденными показателями по таким важным параметрам:

1) Коэрцитивная сила. Это свойство позволяет использовать материал в зоне действия внешних магнитных полей.

2) Усилие на отрыв. Благодаря максимальной магнитной силе удается уменьшить размер изделий при сохранении высокой мощности сцепления.

3) Остаточная магнитной индукции. Высокий показатель остаточной намагниченности обеспечивает очень важное свойство неодимового магнита – длительность сохранения магнитных качеств. По сути, теряя всего несколько процентов своей силы за столетие, магнитный сплав неодим-железо-бор является вечным магнитом.

Чтобы сохранить сильное магнитное поле редкоземельного супермагнита на основе неодима, следует помнить о его уязвимых местах. В частности, материал имеет порошковую структуру, поэтому сильные удары и падения могут привести к потере его свойств. Также сплав размагничиваются при нагреве до +70 ⁰ C (термостойкие версии сплавов выдерживают до +200 ⁰ C ). Просто учитывайте эти особенности и тогда изделия будут приносить вам пользу максимально долго.

В интернете довольно много информации по этому вопросу, но обычно она весьма однобока. Всё и сразу и в одной статье – только для вас!

Начнём со школьной скамьи: что же учитель физики рассказал бы нам про магниты?

Есть три типа магнитов: постоянные, временные и электромагниты . Первые заряжаются раз и навсегда, вторые работают только в магнитном поле, третьи – только когда есть ток.

Все постоянные магниты делятся на естественные и искусственные. Естественные – это магнитный железняк, например. Он сам по себе притягивает к себе металлические предметы, ничего с ним для этого делать не нужно. Или вот матушка-Земля – тоже естественный магнит. Только притягивает она не металл, а всё подряд. В том числе и нас свами.

Искусственные постоянные магниты делаются людьми, и их типы зависят от материала, из которого сделан магнит. Здесь бывают ферриты – в их состав входит железо, неодимовые магниты, Альнико, SmCo и магнитопласты. Собственно, в число магнитопластов входит магнитный винил: именно его используем мы при изготовлении магнитиков.

С постоянными разобрались. Временные магниты – это изделия из металлов, которые намагничиваются, попадая в магнитное поле и получают ненадолго способность самим притягивать другие металлические предметы. Например, скрепки и гвозди.

Электромагниты образуются с помощью намотанной проволоки, по которой пускают ток. На электромагнитах работает наша с вами техника.

За сим с физикой заканчиваем: основы вам теперь известны!

Виды магнитов с точки зрения сферы употребления

Прочитает обычный человек, что думает о магнитах физик, да спросит: «Ну и что с того?» Не очень-то полезная информация. Нам вот интереснее, зачем вообще нужны магниты?

Информация . Самый понятный пример: компас. Магнит ориентирует по сторонам света. Но это далеко не единственный прибор с магнитом: например, в том же амперметре он тоже есть.

Промышленность . Магнит используется в производстве, причём – как для работы с очень большими предметами, так и – с мельчайшими.

Медицина . Кто-то кричит о вреде магнитов для здоровья, а кто-то использует их для лечения. Магниты бывают разные!

Техника . Огромное количество техники основано на работе магнитов. Компьютеры и телевизоры, телефоны и многие другие приборы стали возможны благодаря магнитам.

Подарочные магнитики . Преподносится по случаю и часто содержат поздравительную надпись, пожелание, красивую фотографию виновника торжества и прочее. очень красивы.

Уникальные магнитики . Обычно делаются своими руками или же на заказ. Отличаются какой-нибудь необычной фишкой или любовно проработанными деталями, а так же использованием необычных материалов.

Примеры наших магнитиков

Вышитый магнит на заказ "Rocket Jump"

Каждый держал в руках магнит и забавлялся им в детстве. Магниты могут быть самыми разными по форме, размерам, но все магниты имеют общее свойство - они притягивают железо. Похоже, что они и сами сделаны из железа, во всяком случае, из какого-то металла точно. Есть, однако, и «черные магниты» или «камни», они тоже сильно притягивают железки, и особенно друг друга.

Но на металл они не похожи, легко бьются, как стеклянные. В хозяйстве магнитам находится множество полезных дел, например, удобно с их помощью «пришпиливать» бумажные листы к железным поверхностям. Магнитом удобно собирать потерянные иголки, так что, как мы видим, это совсем небесполезная вещь.

Наука 2.0 - Большой скачок - Магниты

Магнит в прошлом

Ещё древние китайцы более 2000 лет назад знали о магнитах, по крайней мере то, что это явление можно использовать для выбора направления при путешествиях. То есть придумали компас. Философы в древней Греции, люди любопытные, собирая различные удивительные факты, столкнулись с магнитами в окрестностях города Магнесса в Малой Азии. Там и обнаружили странные камни, которые могли притягивать железо. По тем временам, это было не менее удивительным, чем могли бы стать в наше время инопланетяне.

Еще более удивительным казалось, что магниты притягивают далеко не все металлы, а только железо, и само железо способно становиться магнитом, хотя и не таким сильным. Можно сказать, что магнит притягивал не только железо, но и любопытство ученых, и сильно двигал вперед такую науку, как физика. Фалес из Милета писал о «душе магнита», а римлянин Тит Лукреций Кар – о «бушующем движении железных опилок и колец», в своем сочинении «О природе вещей». Уже он мог заметить наличие двух полюсов у магнита, которые потом, когда компасом начали пользоваться моряки, получили названия в честь сторон света.

Что такое магнит. Простыми словами. Магнитное поле

За магнит взялись всерьез

Природу магнитов долгое время не могли объяснить. С помощью магнитов открывали новые континенты (моряки до сих пор относятся к компасу с огромным уважением), но о самой природе магнетизма по прежнему никто ничего не знал. Работы велись только по усовершенствованию компаса, чем занимался еще географ и мореплаватель Христофор Колумб.

В 1820 году датский ученый Ганс Христиан Эрстед сделал важнейшее открытие. Он установил действие провода с электрическим током на магнитную стрелку, и как ученый, выяснил опытами как это происходит в разных условиях. В том же году французский физик Анри Ампер выступил с гипотезой об элементарных круговых токах, протекающих в молекулах магнитного вещества. В 1831-ом году англичанин Майкл Фарадей с помощью катушки из изолированного провода и магнита проводит опыты, показывающие, что механическую работу можно превратить в электрический ток. Он же устанавливает закон электромагнитной индукции и вводит в обращение понятие «магнитное поле».

Закон Фарадея устанавливает правило: для замкнутого контура электродвижущая сила равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур. На этом принципе работают все электрические машины - генераторы, электродвигатели, трансформаторы.

В 1873 году шотландский ученый Джеймс К. Максвелл сводит магнитные и электрические явления в одну теорию, классическую электродинамику.

Вещества, способные намагничиваться, получили название ферромагнетиков. Это название связывает магниты с железом, но кроме него, способность к намагничиванию обнаруживается еще у никеля, кобальта, и некоторых других металлов. Поскольку магнитное поле уже перешло в область практического использования, то и магнитные материалы стали предметом большого внимания.

Начались эксперименты со сплавами из магнитных металлов и различными добавками в них. Стоили получаемые материалы очень дорого, и если бы Вернеру Сименсу не пришла в голову идея заменить магнит сталью, намагничиваемой сравнительно небольшим током, то мир так бы и не увидел электрического трамвая и компании Siemens. Сименс занимался еще телеграфными аппаратами, но тут у него было много конкурентов, а электрический трамвай дал фирме много денег, и в конечном счете, потянул за собой все остальное.

Электромагнитная индукция

Основные величины, связанные с магнитами в технике

Мы будем интересоваться в основном магнитами, то есть ферромагнетиками, и оставим немного в стороне остальную, очень обширную область магнитных (лучше сказать, электромагнитных, в память о Максвелле) явлений. Единицами измерений у нас будут те, которые приняты в СИ (килограмм, метр, секунда, ампер) и их производные:

l Напряженность поля , H, А/м (ампер на метр).

Эта величина характеризует напряженность поля между параллельными проводниками, расстояние между которыми 1 м, и протекающий по ним ток 1 А. Напряженность поля является векторной величиной.

l Магнитная индукция , B, Тесла, плотность магнитного потока (Вебер/м.кв.)

Эта отношение тока через проводник к длине окружности, на том радиусе, на котором нас интересует величина индукции. Окружность лежит в плоскости, которую провод пересекает перпендикулярно. Сюда входит еще множитель, называемый магнитной проницаемостью. Это векторная величина. Если мысленно смотреть в торец провода и считать, что ток течет в направлении от нас, то магнитные силовые окружности «вращаются» по часовой стрелке, а вектор индукции приложен к касательной и совпадает с ними по направлению.

l Магнитная проницаемость , μ (относительная величина)

Если принять магнитную проницаемость вакуума за 1, то для остальных материалов мы получим соответствующие величины. Так, например, для воздуха мы получим величину, практически такую же как и для вакуума. Для железа мы получим существенно большие величины, так что можно образно (и весьма точно) говорить, что железо «втягивает» в себя силовые магнитные линии. Если напряженность поля в катушке без сердечника будет равняться H, то с сердечником мы получаем μH.

l Коэрцитивная сила , А/м.

Коэрцитивная сила показывает, насколько магнитный материал сопротивляется размагничиванию и перемагничиванию. Если ток в катушке совсем убрать, то в сердечнике будет остаточная индукция. Чтобы сделать ее равной нулю, нужно создать поле некоторой напряженности, но обратной, то есть пустить ток в обратном направлении. Эта напряженность и называется коэрцитивной силой.

Поскольку магниты на практике всегда используются в какой-то связи с электричеством, то не стоит удивляться тому, что для описания их свойств используется такая электрическая величина, как ампер.

Из сказанного следует возможность, например, гвоздю, на который подействовали магнитом, самому стать магнитом, хотя и более слабым. На практике выходит, что даже дети, забавляющиеся магнитами, об этом знают.

К магнитам в технике предъявляют разные требования, в зависимости от того, куда идут эти материалы. Ферромагнитные материалы делятся на «мягкие» и «жесткие». Первые идут на изготовление сердечников для приборов, где магнитный поток постоянный или переменный. Хорошего самостоятельного магнита из мягких материалов не сделаешь. Они слишком легко размагничиваются и здесь это как раз их ценное свойство, поскольку реле должно «отпустить» если ток выключен, а электрический мотор не должен греться - на перемагничивание расходуется лишняя энергия, которая выделяется в форме тепла.

КАК ВЫГЛЯДИТ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ НА САМОМ ДЕЛЕ? Игорь Белецкий

Постоянные магниты, то есть те, которые магнитами и называют, требуют для своего изготовления жестких материалов. Жесткость имеется в виду магнитная, то есть большая остаточная индукция и большая коэрцитивная сила, поскольку, как мы видели, эти величины тесно связаны между собой. На такие магниты идут углеродистые, вольфрамовые, хромистые и кобальтовые стали. Их коэрцитивная сила достигает значений около 6500 А/м.

Есть особые сплавы, которые называются альни, альниси, альнико и множество других, как можно догадаться в них входят алюминий, никель, кремний, кобальт в разных сочетаниях, которые обладают большей коэрцитивной силой - до 20000…60000 А/м. Такой магнит не так-то просто оторвать от железа.

Есть магниты, специально предназначенные для работы на повышенной частоте. Это многим известный «круглый магнит». Его «добывают» из негодного динамика из колонки музыкального центра, или автомагнитолы или даже телевизора прошлых лет. Этот магнит изготовлен путем спекания окислов железа и специальных добавок. Такой материал называется ферритом, но не каждый феррит специально так намагничивается. А в динамиках его применяют из соображений уменьшения бесполезных потерь.

Магниты. Discovery. Как это работает?

Что происходит внутри магнита?

Благодаря тому, что атомы вещества являются своеобразными «сгустками» электричества, они могут создавать свое магнитное поле, но только у некоторых металлов, имеющих сходное атомное строение, эта способность выражена очень сильно. И железо, и кобальт, и никель стоят в периодической системе Менделеева рядом, и имеют похожие строения электронных оболочек, которое превращает атомы этих элементов в микроскопические магниты.

Поскольку металлы можно назвать застывшей смесью различных кристаллов очень маленького размера, то понятно, что магнитных свойств у таких сплавов может быть очень много. Многие группы атомов могут «разворачивать» свои собственные магниты под влиянием соседей и внешних полей. Такие «сообщества» называются магнитными доменами, и образуют весьма причудливые структуры, которые до сих пор с интересом изучаются физиками. Это имеет большое практическое значение.

Как уже говорилось, магниты могут иметь почти атомные размеры, поэтому наименьший размер магнитного домена ограничивается размером кристалла, в который встроены атомы магнитного металла. Этим объясняется, например, почти фантастическая плотность записи на современные жесткие диски компьютеров, которая, видимо, еще будет расти, пока у дисков не появятся конкуренты посерьезнее.

Гравитация, магнетизм и электричество

Где применяются магниты?

Сердечники которых являются магнитами из магнитов, хотя обычно их называют просто сердечниками, магниты находят еще множество применений. Есть канцелярские магниты, магниты для защелкивания мебельных дверей, магниты в шахматах для путешественников. Это известные всем магниты.

К более редким видам относятся магниты для ускорителей заряженных частиц, это очень внушительные сооружения, которые могут весить десятки тонн и больше. Хотя сейчас экспериментальная физика поросла травой, за исключением той части, которая тут же приносит сверхприбыли на рынке, а сама почти ничего не стоит.

Еще один любопытный магнит установлен в медицинском навороченном приборе, который называется магнитно-резонансным томографом. (Вообще-то метод называется ЯМР, ядерный магнитный резонанс, но чтобы не пугать народ, который в массе не силен в физике, его переименовали.) Для прибора требуется помещение наблюдаемого объекта (пациента) в сильное магнитное поле, и соответствующий магнит имеет устрашающие размеры и форму дьявольского гроба.

Человека кладут на кушетку, и прокатывают через тоннель в этом магните, пока датчики сканируют место, интересующее врачей. В общем, ничего страшного, но у некоторых клаустрофобия доходит до степени паники. Такие охотно дадут себя резать живьем, но не согласятся на обследование МРТ. Впрочем, кто знает, как человек чувствует себя в необычно сильном магнитном поле с индукцией до 3 Тесла, после того, как заплатил за это хорошие деньги.

Чтобы получить такое сильное поле, часто используют сверхпроводимость, охлаждая катушку магнита жидким водородом. Это дает возможность «накачивать» поле без опасений, что нагрев проводов сильным током ограничит возможности магнита. Это совсем недешевая установка. Но магниты из специальных сплавов, которые не требуют подмагничивания током, стоят значительно дороже.

Наша Земля тоже является большим, хотя и не очень сильным магнитом. Он помогает не только владельцам магнитного компаса, но и спасает нас от гибели. Без него мы были бы убиты солнечной радиацией. Картина магнитного поля Земли, смоделированная компьютерами по данным наблюдений из космоса выглядит очень внушительно.

Вот небольшой ответ на вопрос, о том, что такое магнит в физике и технике.

Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.

Традиционные материалы для постоянных магнитов

Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.

Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.

Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.

Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.

Неодимовые постоянные магниты

Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.

Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.

Физический механизм постоянной намагниченности

Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнитразмагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.

Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.

При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.

Индукция и намагниченность

Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:

B = µ 0 (H + M),

где µ 0 является константой.

В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:

H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.

Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:

В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной l заз в сердечнике длиной l сер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:

H сер l сер + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.

Поскольку B = µ 0 (H сер + М сер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:

H сер (l сер + l заз) + М сер l заз =0,

H сер = ─ М сер l заз (l сер + l заз).

В воздушном зазоре:

H заз = B/µ 0 ,

причем B определяется по заданной М сер и найденной H сер.

Кривая намагничивания

Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).

Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:

В r = μ 0 (0 + М г).

После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита B H C . Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита М Н C . Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.

На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.

Из него видно, что наибольшей остаточной индукцией B r и коэрцитивной силой (как полной, так и внутренней, т. е. определяемой без учета напряженности H, только по намагниченности M) обладают именно NdFeB-магниты.

Поверхностные (амперовские) токи

Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).

Есть ли токи внутри магнита?

Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.

Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.

Как избавиться от подвижных контактов

Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты - контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.

Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.

Двигатель на постоянных магнитах

В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.

Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.