Bahkan di Tiongkok kuno, mereka memperhatikan sifat beberapa logam untuk menarik. Fenomena fisik ini disebut magnet, dan bahan dengan kemampuan ini disebut magnet. Sekarang properti ini secara aktif digunakan dalam elektronik dan industri radio, dan terutama magnet yang kuat digunakan, termasuk untuk mengangkat dan mengangkut logam dalam jumlah besar. Sifat-sifat bahan ini juga digunakan dalam kehidupan sehari-hari - banyak orang tahu kartu pos dan huruf magnetik untuk mengajar anak-anak. Apa itu magnet, di mana mereka digunakan, apa itu neodymium, teks ini akan menceritakan tentang ini.

Jenis magnet

Di dunia modern, mereka diklasifikasikan ke dalam tiga kategori utama sesuai dengan jenis medan magnet yang mereka buat:

• permanen, terdiri dari bahan alami dengan sifat fisik ini, misalnya neodymium;
• sementara, memiliki sifat-sifat ini saat berada di medan aksi medan magnet;
• elektromagnet adalah gulungan kawat pada inti yang menciptakan medan elektromagnetik ketika energi melewati konduktor.

Pada gilirannya, magnet permanen yang paling umum dibagi menjadi lima kelas utama, menurut komposisi kimianya:

• feromagnet berdasarkan besi dan paduannya dengan barium dan strontium;
• magnet neodymium yang mengandung neodymium logam tanah jarang, dalam paduan dengan besi dan boron (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);
• paduan samarium-kobalt dengan karakteristik magnetik yang sebanding dengan neodymium, tetapi pada saat yang sama rentang suhu aplikasi yang lebih luas (SmCo);
• Paduan Alnico, alias YUNDK, paduan ini dibedakan oleh ketahanan korosi yang tinggi dan batas suhu tinggi;
• magnetoplas, yang merupakan campuran paduan magnetik dengan pengikat, ini memungkinkan Anda membuat produk dengan berbagai bentuk dan ukuran.

Paduan logam magnetik adalah produk yang rapuh dan cukup murah dengan kualitas rata-rata. Biasanya merupakan paduan oksida besi dengan strontium dan barium ferit. Kisaran suhu operasi magnet yang stabil tidak lebih tinggi dari 250-270 °C. Spesifikasi:

• gaya koersif - sekitar 200 kA/m;
• induksi sisa - hingga 0,4 Tesla;
• kehidupan pelayanan rata-rata adalah 20-30 tahun.

Apa itu magnet neodymium?

Ini adalah yang paling kuat dari yang permanen, tetapi pada saat yang sama cukup rapuh dan tidak stabil terhadap korosi, paduan ini didasarkan pada mineral tanah jarang - neodymium. Ini adalah magnet permanen terkuat.

Karakteristik:

• gaya koersif - sekitar 1000 kA/m;
• induksi sisa - hingga 1,1 Tesla;
• umur layanan rata-rata - hingga 50 tahun.

Penggunaannya hanya membatasi batas bawah kisaran suhu, untuk magnet neodymium yang paling tahan panas adalah 140 ° C, sedangkan yang kurang tahan dihancurkan pada suhu di atas 80 derajat.

Paduan kobalt samarium

Memiliki karakteristik teknis yang tinggi, tetapi pada saat yang sama paduannya sangat mahal.

Karakteristik:

• gaya koersif - sekitar 700 kA/m;
• induksi sisa - hingga 0,8-1,0 Tesla;
• umur layanan rata-rata - 15-20 tahun.

Mereka digunakan untuk kondisi kerja yang sulit: suhu tinggi, lingkungan agresif dan beban berat. Karena biayanya yang relatif tinggi, penggunaannya agak terbatas.

Alnico

Serbuk paduan kobalt (37-40%) dengan penambahan aluminium dan nikel juga memiliki karakteristik unjuk kerja yang baik, selain dapat mempertahankan sifat kemagnetannya pada suhu hingga 550 °C. Karakteristik teknisnya lebih rendah daripada paduan feromagnetik dan adalah:

• gaya koersif - sekitar 50 kA/m;
• induksi sisa - hingga 0,7 Tesla;
• kehidupan pelayanan rata-rata adalah 10-20 tahun.

Namun, terlepas dari ini, paduan inilah yang paling menarik untuk digunakan di bidang ilmiah. Selain itu, penambahan titanium dan niobium ke paduan berkontribusi pada peningkatan gaya koersif paduan menjadi 145–150 kA/m.

Magnetoplastik

Mereka terutama digunakan dalam kehidupan sehari-hari untuk pembuatan kartu pos magnetik, kalender dan hal-hal kecil lainnya, karakteristik medan magnet sedikit berkurang karena konsentrasi komposisi magnetik yang lebih rendah.

Ini adalah jenis utama magnet permanen. Elektromagnet dengan prinsip operasi dan aplikasi agak berbeda dari paduan tersebut.

Menarik. Magnet neodymium digunakan hampir di mana-mana, termasuk dalam desain untuk membuat struktur terapung, dan dalam budaya untuk tujuan yang sama.

Elektromagnet dan demagnetizer

Jika elektromagnet menciptakan medan ketika melewati belitan listrik, maka demagnetizer, sebaliknya, menghilangkan medan magnet sisa. Efek ini dapat digunakan untuk berbagai tujuan. Misalnya, apa yang bisa dilakukan dengan demagnetizer? Sebelumnya, demagnetizer digunakan untuk mendemagnetisasi kepala reproduksi tape recorder, kineskop TV dan melakukan fungsi lain dari jenis ini. Saat ini, sering digunakan untuk tujuan yang agak ilegal, untuk mendemagnetisasi meter setelah menerapkan magnet pada mereka. Selain itu, perangkat ini dapat dan harus digunakan untuk menghilangkan medan magnet sisa dari alat.

Demagnetizer biasanya terdiri dari kumparan biasa, dengan kata lain, menurut perangkat, perangkat ini sepenuhnya mengulangi elektromagnet. Tegangan bolak-balik diterapkan ke koil, setelah itu perangkat dari mana kami menghapus bidang sisa dihapus dari area cakupan demagnetizer, setelah itu mati

Penting! Menggunakan magnet untuk "memutar" penghitung adalah ilegal dan memerlukan denda. Penggunaan demagnetizer yang tidak tepat dapat menyebabkan demagnetisasi lengkap pada perangkat dan kegagalannya.

Magnet buatan sendiri

Untuk melakukan ini, cukup dengan menemukan batang logam yang terbuat dari baja atau paduan besi lainnya, Anda dapat menggunakan inti komposit transformator, dan kemudian membuat belitan. Gulung beberapa lilitan kawat tembaga di sekitar inti. Untuk keamanan, ada baiknya memasukkan sekering di sirkuit. Bagaimana cara membuat magnet yang kuat? Untuk melakukan ini, Anda perlu meningkatkan arus dalam belitan, semakin tinggi, semakin besar gaya magnet perangkat.

Ketika perangkat terhubung ke jaringan dan listrik disuplai ke belitan, perangkat akan menarik logam, yaitu, pada kenyataannya, ini adalah elektromagnet nyata, meskipun desainnya agak disederhanakan.

dalam rubrik

Gaya magnet adalah sifat yang paling penting dari magnet. Dari indikator inilah kinerja dan cakupannya bergantung. Kekuatan magnet diukur dalam satuan tesla (T). Artinya, untuk mengetahui magnet mana yang paling kuat, Anda perlu membandingkan bahan yang berbeda sesuai dengan indikator ini.

Elektromagnet paling kuat

Para ilmuwan di berbagai negara berusaha menciptakan magnet paling kuat di dunia dan terkadang mencapai hasil yang sangat menarik. Hingga saat ini, status elektromagnet terkuat dipegang oleh instalasi di Los Alamos National Laboratory (AS). Perangkat raksasa tujuh set kumparan dengan massa total 8,2 ton menghasilkan medan magnet dengan kekuatan 100 Tesla. Angka yang mengesankan ini adalah 2 juta kali kekuatan medan magnet planet kita.

Perlu dicatat bahwa solenoida magnet pemegang rekor terbuat dari nanokomposit tembaga-niobium Rusia. Bahan ini dikembangkan oleh para ilmuwan dari Institut Kurchatov dengan bantuan Institut Penelitian Bahan Anorganik Seluruh Rusia. A.A. Bochvara. Tanpa komposit tugas berat ini, magnet baru paling kuat di dunia tidak akan mampu melampaui rekor pendahulunya, karena kesulitan teknis utama dalam mengoperasikan instalasi tingkat ini adalah mempertahankan integritas saat terkena impuls magnet terkuat. Kekuatan medan elektromagnet maksimum yang tercatat, yang dihancurkan oleh impuls selama percobaan, adalah 730 T. Di Uni Soviet, para ilmuwan, menggunakan magnet dengan desain khusus dan bahan peledak, berhasil menciptakan impuls 2800 T.

tembaga-niobium

Pulsa magnetik yang diperoleh di laboratorium jutaan kali lebih besar dari medan magnet bumi. Tetapi bahkan magnet paling kuat yang telah dibangun hingga saat ini jutaan kali lebih lemah dari bintang neutron. Magnetar SGR 1806-20 memiliki medan magnet 100 miliar Tesla.

Magnet rumah terkuat

Tentu saja, kekuatan magnet bintang dan eksperimen para ilmuwan menarik, tetapi sebagian besar pengguna ingin mengetahui magnet mana yang paling kuat untuk memecahkan masalah terapan tertentu. Untuk melakukan ini, Anda perlu membandingkan kekuatan medan magnet dari berbagai jenis magnet:

1) magnet ferit– 0.1..0.2 T

2) magnet Alnico dan samarium– 0.4..0.5 T.

3) magnet neodymium– hingga 2 T (bila ditambahkan ke struktur Habalt).

Jadi, magnet yang paling kuat adalah magnet super tanah jarang, magnet kecil yang kuat, komponen utamanya adalah neodymium, besi dan boron. Kekuatan medannya sebanding dengan kekuatan elektromagnet dengan inti ferit. Paduan magnetik berbasis neodymium menawarkan kinerja yang tak tertandingi dalam parameter penting seperti:

1) Kekuatan paksaan. Properti ini memungkinkan material untuk digunakan di area medan magnet eksternal.

2) Kekuatan pemisahan. Berkat gaya magnet maksimum, dimungkinkan untuk mengurangi ukuran produk sambil mempertahankan daya rekat yang tinggi.

3) Induksi magnet sisa. Tingkat magnetisasi residu yang tinggi memberikan sifat magnet neodymium yang sangat penting - durasi pelestarian kualitas magnetik. Intinya, kehilangan hanya beberapa persen dari kekuatannya selama satu abad, paduan magnet neodymium-besi-boron adalah magnet abadi.

Untuk mempertahankan medan magnet yang kuat dari supermagnet tanah jarang berbasis neodymium, orang harus menyadari titik lemahnya. Secara khusus, material memiliki struktur bubuk, sehingga benturan dan jatuh yang kuat dapat menyebabkan hilangnya sifat-sifatnya. Selain itu, paduan mengalami demagnetisasi saat dipanaskan hingga +70 C (versi tahan panas dari paduan dapat bertahan hingga +200 C). Pertimbangkan saja fitur-fitur ini dan produk akan menguntungkan Anda selama mungkin.

Ada banyak informasi di Internet tentang masalah ini, tetapi biasanya sangat sepihak. Sekaligus dan dalam satu artikel - hanya untuk Anda!

Mari kita mulai dari bangku sekolah: apa yang akan guru fisika katakan tentang magnet?

Ada tiga jenis magnet: permanen, sementara dan elektromagnet. Yang pertama diisi sekali dan untuk semua, yang kedua hanya bekerja di medan magnet, yang ketiga - hanya ketika ada arus.

Semua magnet permanen dibagi menjadi alami dan buatan. Yang alami adalah bijih besi magnetik, misalnya. Itu sendiri menarik benda logam ke dirinya sendiri, tidak ada yang perlu dilakukan dengannya untuk ini. Atau Ibu Pertiwi juga merupakan magnet alam. Hanya itu yang menarik bukan logam, tetapi segalanya. Termasuk kami swami.

Magnet permanen buatan dibuat oleh manusia dan jenisnya tergantung pada bahan dari mana magnet itu dibuat. Ada ferit di sini - mereka termasuk besi, magnet neodymium, Alnico, SmCo, dan plastik magnetik. Sebenarnya, vinil magnetik termasuk dalam jumlah magnetoplas: kami menggunakannya dalam pembuatan magnet.

Kami sudah berurusan dengan yang permanen. Magnet sementara- ini adalah produk logam yang termagnetisasi ketika mereka memasuki medan magnet dan untuk waktu yang singkat memperoleh kemampuan untuk menarik benda logam lain itu sendiri. Misalnya, klip kertas dan paku.

Elektromagnet dibentuk dengan bantuan kawat luka, di mana arus dilewatkan. Peralatan kami bekerja pada elektromagnet.

Mari kita selesaikan dengan fisika: dasar-dasarnya sekarang sudah Anda ketahui!

Jenis magnet dalam hal ruang lingkup

Orang biasa akan membaca apa yang fisikawan pikirkan tentang magnet dan bertanya: "Jadi apa?" Informasi yang tidak terlalu berguna. Kami lebih tertarik mengapa magnet dibutuhkan sama sekali?

Informasi. Contoh paling jelas adalah kompas. Magnet mengarah ke titik mata angin. Tapi ini jauh dari satu-satunya perangkat dengan magnet: misalnya, itu juga di ammeter yang sama.

Industri. Magnet digunakan dalam produksi, dan - keduanya untuk bekerja dengan objek yang sangat besar, dan - dengan yang terkecil.

Obat. Seseorang berteriak tentang bahaya magnet bagi kesehatan, dan seseorang menggunakannya untuk pengobatan. Magnetnya berbeda!

Teknik. Sejumlah besar teknologi didasarkan pada kerja magnet. Komputer dan televisi, telepon dan banyak perangkat lainnya dimungkinkan oleh magnet.

Hadiah magnet. Itu disajikan pada kesempatan dan sering kali berisi prasasti ucapan selamat, harapan, foto pahlawan yang indah pada kesempatan itu, dan sebagainya. sangat cantik.

magnet unik. Biasanya dibuat dengan tangan atau sesuai pesanan. Mereka dibedakan oleh beberapa fitur yang tidak biasa atau detail yang dibuat dengan penuh kasih, serta penggunaan bahan yang tidak biasa.

Contoh magnet kami

Magnet khusus bordir "Rocket Jump"

Masing-masing memegang magnet di tangan mereka dan memainkannya sebagai seorang anak. Magnet bisa sangat berbeda dalam bentuk, ukuran, tetapi semua magnet memiliki sifat yang sama - mereka menarik besi. Tampaknya mereka sendiri terbuat dari besi, dalam hal apa pun, dari beberapa jenis logam pasti. Namun, ada "magnet hitam" atau "batu", mereka juga sangat menarik potongan besi, dan terutama satu sama lain.

Tapi mereka tidak terlihat seperti logam, mereka mudah pecah, seperti kaca. Ada banyak hal berguna di rumah magnet, misalnya, lebih mudah untuk "menyematkan" lembaran kertas ke permukaan besi dengan bantuan mereka. Lebih mudah untuk mengumpulkan jarum yang hilang dengan magnet, jadi, seperti yang bisa kita lihat, ini adalah hal yang sangat berguna.

Science 2.0 - Lompatan Besar ke Depan - Magnet

Magnet di masa lalu

Bahkan orang Cina kuno tahu tentang magnet lebih dari 2000 tahun yang lalu, setidaknya fenomena ini dapat digunakan untuk memilih arah saat bepergian. Artinya, mereka menemukan kompas. Para filsuf di Yunani kuno, orang-orang yang penasaran, mengumpulkan berbagai fakta menakjubkan, menemukan magnet di sekitar kota Magness di Asia Kecil. Di sana mereka menemukan batu aneh yang bisa menarik besi. Untuk saat itu, itu tidak kalah menakjubkan dari alien di zaman kita.

Tampaknya lebih mengejutkan lagi bahwa magnet menarik jauh dari semua logam, tetapi hanya besi, dan besi itu sendiri mampu menjadi magnet, meskipun tidak begitu kuat. Kita dapat mengatakan bahwa magnet tidak hanya menarik besi, tetapi juga keingintahuan para ilmuwan, dan dengan kuat memajukan ilmu seperti fisika. Thales dari Miletus menulis tentang "jiwa magnet", dan Titus Lucretius Carus dari Romawi menulis tentang "gerakan mengamuk dari serbuk besi dan cincin" dalam esainya On the Nature of Things. Dia sudah bisa memperhatikan keberadaan dua kutub di magnet, yang kemudian, ketika para pelaut mulai menggunakan kompas, menerima nama untuk menghormati mata angin.

Apa itu magnet. Dengan kata-kata sederhana. Medan magnet

Ambil magnetnya dengan serius

Sifat magnet tidak bisa dijelaskan untuk waktu yang lama. Dengan bantuan magnet, benua baru ditemukan (pelaut masih memperlakukan kompas dengan sangat hormat), tetapi tidak ada yang tahu apa-apa tentang sifat magnetisme. Pekerjaan dilakukan hanya untuk meningkatkan kompas, yang juga dilakukan oleh ahli geografi dan navigator Christopher Columbus.

Pada tahun 1820, ilmuwan Denmark Hans Christian Oersted membuat penemuan besar. Dia menetapkan aksi kawat dengan arus listrik pada jarum magnet, dan, sebagai ilmuwan, menemukan melalui eksperimen bagaimana ini terjadi dalam kondisi yang berbeda. Pada tahun yang sama, fisikawan Prancis Henri Ampere mengajukan hipotesis tentang arus melingkar elementer yang mengalir dalam molekul zat magnetik. Pada tahun 1831, orang Inggris Michael Faraday, menggunakan gulungan kawat berinsulasi dan magnet, melakukan eksperimen yang menunjukkan bahwa kerja mekanis dapat diubah menjadi arus listrik. Dia juga menetapkan hukum induksi elektromagnetik dan memperkenalkan konsep "medan magnet".

Hukum Faraday menetapkan aturan: untuk rangkaian tertutup, gaya gerak listrik sama dengan laju perubahan fluks magnet yang melewati rangkaian ini. Semua mesin listrik bekerja berdasarkan prinsip ini - generator, motor listrik, transformator.

Pada tahun 1873, ilmuwan Skotlandia James C. Maxwell menyatukan fenomena magnet dan listrik menjadi satu teori, elektrodinamika klasik.

Zat yang dapat dimagnetisasi disebut feromagnet. Nama ini menghubungkan magnet dengan besi, namun selain itu, kemampuan magnetisasi juga terdapat pada nikel, kobalt, dan beberapa logam lainnya. Karena medan magnet telah beralih ke bidang penggunaan praktis, bahan magnetik juga menjadi subjek perhatian besar.

Eksperimen dimulai dengan paduan logam magnetik dan berbagai aditif di dalamnya. Bahan yang dihasilkan sangat mahal, dan jika Werner Siemens tidak menemukan ide untuk mengganti magnet dengan baja yang dimagnetisasi oleh arus yang relatif kecil, dunia tidak akan pernah melihat trem listrik dan Siemens. Siemens juga berurusan dengan mesin telegraf, tetapi di sini ia memiliki banyak pesaing, dan trem listrik memberi perusahaan banyak uang, dan akhirnya menarik semua yang lain dengannya.

Induksi elektromagnetik

Kuantitas dasar yang terkait dengan magnet dalam rekayasa

Kami terutama akan tertarik pada magnet, yaitu feromagnet, dan mengesampingkan sisanya, medan magnet yang sangat luas (lebih baik dikatakan, elektromagnetik, untuk mengenang Maxwell). Satuan pengukuran kami adalah yang diterima dalam SI (kilogram, meter, sekon, ampere) dan turunannya:

aku Kekuatan medan, H, A/m (amp per meter).

Nilai ini mencirikan kekuatan medan antara konduktor paralel, jarak antara 1 m, dan arus yang mengalir melaluinya adalah 1 A. Kuat medan adalah besaran vektor.

aku Induksi magnetik, B, Tesla, kerapatan fluks magnet (Weber/m.sq.)

Ini adalah rasio arus yang melalui konduktor dengan keliling, pada jari-jari di mana kita tertarik pada besarnya induksi. Lingkaran terletak pada bidang yang dilintasi kawat secara tegak lurus. Ini termasuk faktor lain yang disebut permeabilitas magnetik. Ini adalah besaran vektor. Jika kita secara mental melihat ujung kabel dan menganggap bahwa arus mengalir ke arah yang menjauhi kita, maka lingkaran gaya magnet "berputar" searah jarum jam, dan vektor induksi diterapkan pada garis singgung dan bertepatan dengan arahnya.

aku Permeabilitas magnetik, (nilai relatif)

Jika kita mengambil permeabilitas magnetik ruang hampa sebagai 1, maka untuk bahan lainnya kita mendapatkan nilai yang sesuai. Jadi, misalnya, untuk udara kita mendapatkan nilai yang hampir sama dengan vakum. Untuk besi, kita akan memperoleh nilai yang jauh lebih besar, sehingga kita dapat secara kiasan (dan sangat akurat) mengatakan bahwa besi "menarik" garis gaya magnet ke dalam dirinya sendiri. Jika kuat medan pada kumparan tanpa inti adalah H, maka dengan inti kita mendapatkan H.

aku Kekuatan paksa, Saya.

Gaya koersif menunjukkan seberapa besar bahan magnetik menolak demagnetisasi dan remagnetisasi. Jika arus pada kumparan dihilangkan seluruhnya, maka akan ada sisa induksi pada inti. Untuk membuatnya sama dengan nol, Anda perlu membuat medan dengan kekuatan tertentu, tetapi sebaliknya, yaitu, biarkan arus mengalir ke arah yang berlawanan. Ketegangan ini disebut gaya koersif.

Karena magnet selalu digunakan dalam praktik dalam beberapa hubungan dengan listrik, tidak mengherankan bahwa kuantitas listrik seperti ampere digunakan untuk menggambarkan sifat-sifatnya.

Dari apa yang telah dikatakan, dapat disimpulkan bahwa, misalnya, paku, yang digerakkan oleh magnet, dengan sendirinya menjadi magnet, meskipun lebih lemah. Dalam praktiknya, ternyata anak-anak yang bermain magnet pun mengetahuinya.

Ada persyaratan yang berbeda untuk magnet dalam rekayasa, tergantung di mana bahan-bahan ini pergi. Bahan feromagnetik dibagi menjadi "lunak" dan "keras". Yang pertama pergi ke pembuatan inti untuk perangkat di mana fluks magnet konstan atau variabel. Anda tidak dapat membuat magnet independen yang baik dari bahan lunak. Mereka terlalu mudah mengalami demagnetisasi, dan inilah tepatnya properti berharga mereka, karena relai harus "melepas" jika arus dimatikan, dan motor listrik tidak boleh memanas - energi berlebih dikonsumsi untuk remagnetisasi, yang dilepaskan dalam bentuk panas.

BENAR-BENAR MEDAN MAGNETIK TERLIHAT SEPERTI APA? Igor Beletsky

Magnet permanen, yaitu yang disebut magnet, membutuhkan bahan keras untuk pembuatannya. Kekakuan berarti magnetis, yaitu, induksi residual yang besar dan gaya koersif yang besar, karena, seperti yang telah kita lihat, besaran-besaran ini berkaitan erat. Baja karbon, tungsten, kromium dan kobalt digunakan untuk magnet semacam itu. Gaya koersif mereka mencapai nilai sekitar 6500 A/m.

Ada paduan khusus yang disebut alni, alnisi, alnico dan banyak lainnya, seperti yang Anda duga, mereka termasuk aluminium, nikel, silikon, kobalt dalam berbagai kombinasi, yang memiliki gaya koersif yang lebih besar - hingga 20.000 ... 60.000 A / m. Magnet seperti itu tidak mudah dirobek dari besi.

Ada magnet yang dirancang khusus untuk beroperasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Ini adalah "magnet bulat" yang terkenal. Itu "ditambang" dari pembicara yang tidak berharga dari pembicara pusat musik, atau radio mobil atau bahkan TV masa lalu. Magnet ini dibuat dengan sintering oksida besi dan aditif khusus. Bahan seperti itu disebut ferit, tetapi tidak setiap ferit dimagnetisasi secara khusus dengan cara ini. Dan di speaker digunakan untuk alasan mengurangi kerugian yang tidak berguna.

magnet. penemuan. Bagaimana itu bekerja?

Apa yang terjadi di dalam magnet?

Karena fakta bahwa atom materi adalah semacam "gumpalan" listrik, mereka dapat menciptakan medan magnetnya sendiri, tetapi hanya pada beberapa logam yang memiliki struktur atom serupa, kemampuan ini sangat menonjol. Dan besi, dan kobalt, dan nikel berdiri berdampingan dalam sistem periodik Mendeleev, dan memiliki struktur kulit elektron yang serupa, yang mengubah atom unsur-unsur ini menjadi magnet mikroskopis.

Karena logam dapat disebut campuran beku dari berbagai kristal dengan ukuran yang sangat kecil, jelas bahwa paduan tersebut dapat memiliki banyak sifat magnetik. Banyak kelompok atom dapat "membuka gulungan" magnet mereka sendiri di bawah pengaruh tetangga dan medan eksternal. "Komunitas" semacam itu disebut domain magnetik, dan membentuk struktur yang sangat aneh yang masih dipelajari dengan penuh minat oleh fisikawan. Ini sangat penting secara praktis.

Seperti telah disebutkan, magnet bisa berukuran hampir atom, sehingga ukuran terkecil dari domain magnetik dibatasi oleh ukuran kristal di mana atom-atom logam magnetik tertanam. Ini menjelaskan, misalnya, kepadatan perekaman yang hampir fantastis pada hard disk komputer modern, yang tampaknya akan terus tumbuh hingga disk memiliki pesaing yang lebih serius.

Gravitasi, magnet, dan listrik

Di mana magnet digunakan?

Inti yang merupakan magnet dari magnet, meskipun biasanya disebut inti, magnet memiliki lebih banyak kegunaan. Ada magnet alat tulis, magnet pintu furnitur, magnet catur untuk pelancong. Ini adalah magnet yang terkenal.

Jenis yang lebih langka termasuk magnet untuk akselerator partikel, ini adalah struktur yang sangat mengesankan yang dapat berbobot puluhan ton atau lebih. Meskipun sekarang fisika eksperimental ditumbuhi rumput, dengan pengecualian bagian yang segera membawa keuntungan super di pasar, dan itu sendiri hampir tidak memerlukan biaya apa pun.

Magnet aneh lainnya dipasang di perangkat medis mewah yang disebut pemindai pencitraan resonansi magnetik. (Sebenarnya, metode ini disebut NMR, resonansi magnetik nuklir, tetapi agar tidak menakut-nakuti orang-orang yang umumnya tidak kuat dalam fisika, itu diganti namanya.) Perangkat ini membutuhkan penempatan objek yang diamati (pasien) di magnet yang kuat. medan, dan magnet yang sesuai memiliki ukuran yang menakutkan dan bentuk peti mati iblis.

Seseorang ditempatkan di sofa dan berguling melalui terowongan di magnet ini sementara sensor memindai tempat yang menarik untuk dokter. Secara umum, tidak apa-apa, tetapi bagi sebagian orang, klaustrofobia sampai pada titik panik. Orang-orang seperti itu akan rela membiarkan diri mereka dipotong hidup-hidup, tetapi tidak akan menyetujui pemeriksaan MRI. Namun, siapa yang tahu bagaimana perasaan seseorang dalam medan magnet yang luar biasa kuat dengan induksi hingga 3 Tesla, setelah membayar banyak uang untuk itu.

Untuk mendapatkan medan yang kuat seperti itu, superkonduktivitas sering digunakan dengan mendinginkan kumparan magnet dengan hidrogen cair. Ini memungkinkan untuk "memompa" medan tanpa takut bahwa memanaskan kabel dengan arus yang kuat akan membatasi kemampuan magnet. Ini bukan pengaturan yang murah. Tetapi magnet yang terbuat dari paduan khusus yang tidak memerlukan bias arus jauh lebih mahal.

Bumi kita juga merupakan magnet yang besar, meskipun tidak terlalu kuat. Ini membantu tidak hanya pemilik kompas magnetik, tetapi juga menyelamatkan kita dari kematian. Tanpa itu, kita akan dibunuh oleh radiasi matahari. Gambar medan magnet bumi, yang dimodelkan oleh komputer dari pengamatan dari luar angkasa, terlihat sangat mengesankan.

Berikut adalah jawaban kecil untuk pertanyaan tentang apa itu magnet dalam fisika dan teknologi.

Seiring dengan potongan-potongan ambar yang dialiri listrik oleh gesekan, magnet permanen bagi orang-orang kuno adalah bukti material pertama dari fenomena elektromagnetik (petir pada awal sejarah pasti dikaitkan dengan bidang manifestasi kekuatan non-materi). Penjelasan tentang sifat feromagnetisme selalu memenuhi pikiran para ilmuwan yang ingin tahu, namun, bahkan saat ini, sifat fisik dari magnetisasi permanen beberapa zat, baik yang dibuat secara alami maupun buatan, belum sepenuhnya diungkapkan, meninggalkan bidang yang cukup besar. kegiatan untuk peneliti modern dan masa depan.

Bahan tradisional untuk magnet permanen

Mereka telah aktif digunakan dalam industri sejak 1940 dengan munculnya paduan alnico (AlNiCo). Sebelumnya, magnet permanen dari berbagai tingkatan baja hanya digunakan pada kompas dan magneto. Alnico memungkinkan untuk mengganti elektromagnet dengan mereka dan menggunakannya di perangkat seperti motor, generator, dan pengeras suara.

Intrusi ke dalam kehidupan kita sehari-hari menerima dorongan baru dengan penciptaan magnet ferit, dan sejak itu magnet permanen telah menjadi biasa.

Revolusi bahan magnetik dimulai sekitar tahun 1970, dengan penciptaan keluarga samarium-kobalt dari bahan magnetik keras dengan kerapatan energi magnetik yang sampai sekarang tidak terlihat. Kemudian generasi baru magnet tanah jarang berdasarkan neodymium, besi dan boron ditemukan dengan kepadatan energi magnet yang jauh lebih tinggi daripada samarium-kobalt (SmCo) dan dengan biaya rendah yang diharapkan. Kedua keluarga magnet tanah jarang ini memiliki kepadatan energi yang sangat tinggi sehingga tidak hanya dapat menggantikan elektromagnet, tetapi juga dapat digunakan di area yang tidak dapat diakses oleh mereka. Contohnya adalah motor stepper magnet permanen kecil di jam tangan dan transduser suara di headphone seperti Walkman.

Peningkatan bertahap dalam sifat magnetik bahan ditunjukkan pada diagram di bawah ini.

magnet permanen neodymium

Mereka mewakili perkembangan terbaru dan paling signifikan di bidang ini selama beberapa dekade terakhir. Penemuan mereka pertama kali diumumkan hampir bersamaan pada akhir tahun 1983 oleh pekerja logam dari Sumitomo dan General Motors. Mereka didasarkan pada senyawa intermetalik NdFeB: paduan neodymium, besi dan boron. Dari jumlah tersebut, neodymium adalah elemen tanah jarang yang diekstraksi dari mineral monasit.

Minat besar yang dihasilkan magnet permanen ini berasal dari fakta bahwa untuk pertama kalinya bahan magnet baru telah diperoleh yang tidak hanya lebih kuat dari generasi sebelumnya, tetapi juga lebih ekonomis. Ini terutama terdiri dari besi, yang jauh lebih murah daripada kobalt, dan neodymium, yang merupakan salah satu bahan tanah jarang yang paling umum dan lebih berlimpah di Bumi daripada timbal. Mineral tanah jarang utama monasit dan bastanesit mengandung neodymium lima sampai sepuluh kali lebih banyak daripada samarium.

Mekanisme Fisik Magnetisasi Permanen

Untuk menjelaskan fungsi magnet permanen, kita harus melihat ke dalamnya hingga skala atom. Setiap atom memiliki satu set spin elektronnya, yang bersama-sama membentuk momen magnetnya. Untuk tujuan kita, kita dapat menganggap setiap atom sebagai magnet batang kecil. Ketika magnet permanen mengalami demagnetisasi (baik dengan memanaskannya ke suhu tinggi atau dengan medan magnet eksternal), setiap momen atom berorientasi secara acak (lihat gambar di bawah) dan tidak ada keteraturan yang diamati.

Ketika dimagnetisasi dalam medan magnet yang kuat, semua momen atom berorientasi pada arah medan dan, seolah-olah, saling mengunci satu sama lain (lihat gambar di bawah). Kopling ini memungkinkan untuk mempertahankan medan magnet permanen ketika medan eksternal dihilangkan, dan juga untuk menahan demagnetisasi ketika arahnya berubah. Ukuran gaya kohesif momen atom adalah besarnya gaya koersif magnet. Lebih lanjut tentang ini nanti.

Dalam presentasi yang lebih dalam tentang mekanisme magnetisasi, mereka tidak beroperasi dengan konsep momen atom, tetapi menggunakan konsep miniatur (orde 0,001 cm) daerah di dalam magnet, yang awalnya memiliki magnetisasi konstan, tetapi berorientasi acak. dengan tidak adanya medan eksternal, sehingga pembaca yang ketat, jika diinginkan, dapat mengaitkan fisik di atas, mekanismenya bukan pada magnet secara keseluruhan. dan ke domainnya yang terpisah.

Induksi dan magnetisasi

Momen atom bertambah dan membentuk momen magnet dari seluruh magnet permanen, dan magnetisasinya M menunjukkan besarnya momen ini per satuan volume. Induksi magnet B menunjukkan bahwa magnet permanen adalah hasil dari gaya magnet eksternal (kekuatan medan) H yang diterapkan selama magnetisasi primer, serta magnetisasi internal M karena orientasi momen atom (atau domain). Nilainya umumnya diberikan oleh rumus:

B = 0 (H + M),

dimana 0 adalah konstanta.

Dalam magnet annular dan homogen permanen, kekuatan medan H di dalamnya (tanpa adanya medan eksternal) sama dengan nol, karena, menurut hukum arus total, integralnya di sepanjang lingkaran mana pun di dalam inti annular tersebut adalah sama dengan:

H∙2πR = iw=0 , dari mana H=0.

Oleh karena itu, magnetisasi pada magnet cincin adalah:

Dalam magnet terbuka, misalnya, dalam lingkaran yang sama, tetapi dengan celah udara dengan lebar l zag di inti dengan panjang l ser, tanpa adanya medan eksternal dan induksi B yang sama di dalam inti dan di celah , menurut hukum arus total, kita peroleh:

H ser l ser + (1/ 0)Bl zas = iw=0.

Karena B \u003d 0 (H ser + M ser), maka, dengan mengganti ekspresinya ke yang sebelumnya, kita mendapatkan:

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

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

Di celah udara:

H zaz \u003d B / 0,

selain itu, B ditentukan oleh M ser yang diberikan dan H ser yang ditemukan.

Kurva magnetisasi

Mulai dari keadaan tidak termagnetisasi, ketika H meningkat dari nol, karena orientasi semua momen atom ke arah medan eksternal, M dan B meningkat dengan cepat, berubah sepanjang bagian "a" dari kurva magnetisasi utama (lihat gambar di bawah).

Ketika semua momen atom sejajar, M mencapai nilai saturasinya, dan peningkatan lebih lanjut pada B semata-mata disebabkan oleh medan yang diterapkan (bagian b dari kurva utama pada gambar di bawah). Ketika medan eksternal berkurang menjadi nol, induksi B berkurang tidak di sepanjang jalur aslinya, tetapi di sepanjang bagian "c" karena kopling momen atom, yang cenderung menjaga mereka dalam arah yang sama. Kurva magnetisasi mulai menggambarkan apa yang disebut loop histeresis. Ketika H (medan luar) mendekati nol, maka induksi mendekati nilai sisa yang hanya ditentukan oleh momen atom:

B r = 0 (0 + M r).

Setelah arah H berubah, H dan M bekerja dalam arah yang berlawanan, dan B menurun (bagian dari kurva "d" pada Gambar.). Nilai medan di mana B berkurang menjadi nol disebut gaya koersif magnet B H C . Ketika besarnya medan yang diterapkan cukup besar untuk mematahkan kohesi momen atom, mereka mengarahkan diri ke arah medan yang baru, dan arah M dibalik. Nilai medan di mana ini terjadi disebut gaya koersif internal magnet permanen M H C . Jadi ada dua gaya koersif yang berbeda tetapi terkait yang terkait dengan magnet permanen.

Gambar di bawah menunjukkan kurva demagnetisasi dasar dari berbagai bahan untuk magnet permanen.

Dari sini terlihat bahwa magnet NdFeB yang memiliki gaya koersif dan induksi residual Br tertinggi (baik total maupun internal, yaitu ditentukan tanpa memperhitungkan kekuatan H, hanya dari magnetisasi M).

Arus permukaan (ampere)

Medan magnet magnet permanen dapat dianggap sebagai medan beberapa arus terkait yang mengalir di atas permukaannya. Arus ini disebut arus ampere. Dalam arti kata yang biasa, tidak ada arus di dalam magnet permanen. Namun, membandingkan medan magnet magnet permanen dan medan arus dalam kumparan, fisikawan Prancis Ampere menyarankan bahwa magnetisasi suatu zat dapat dijelaskan oleh aliran arus mikroskopis yang membentuk sirkuit tertutup mikroskopis. Memang, bagaimanapun, analogi antara medan solenoida dan magnet silinder panjang hampir lengkap: ada kutub utara dan selatan magnet permanen dan kutub yang sama untuk solenoida, dan pola garis medan bidangnya juga sangat mirip (lihat gambar di bawah).

Apakah ada arus di dalam magnet?

Mari kita bayangkan bahwa seluruh volume beberapa magnet permanen batang (dengan bentuk penampang sewenang-wenang) diisi dengan arus Ampere mikroskopis. Penampang magnet dengan arus seperti itu ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Masing-masing memiliki momen magnet. Dengan orientasi yang sama ke arah medan luar, mereka membentuk momen magnet yang dihasilkan yang berbeda dari nol. Ini menentukan keberadaan medan magnet dengan tidak adanya pergerakan muatan yang teratur, tanpa adanya arus yang melalui setiap bagian magnet. Juga mudah dipahami bahwa di dalamnya arus dari sirkuit yang berdekatan (berhubungan) dikompensasi. Hanya arus di permukaan tubuh, yang membentuk arus permukaan magnet permanen, yang ternyata tidak terkompensasi. Kepadatannya ternyata sama dengan magnetisasi M.

Bagaimana cara menghilangkan kontak yang bergerak

Masalah membuat mesin sinkron non-kontak diketahui. Desain tradisionalnya dengan eksitasi elektromagnetik dari kutub rotor dengan koil melibatkan suplai arus ke mereka melalui kontak bergerak - cincin kontak dengan sikat. Kerugian dari solusi teknis semacam itu sudah diketahui dengan baik: ini adalah kesulitan perawatan, keandalan rendah, dan kerugian besar dalam kontak bergerak, terutama ketika datang ke generator turbo dan hidro yang kuat, di sirkuit eksitasi di mana daya listrik yang besar dikonsumsi.

Jika Anda membuat generator magnet permanen seperti itu, maka masalah kontak segera hilang. Benar, ada masalah pengikatan magnet yang andal pada rotor yang berputar. Di sinilah pengalaman yang diperoleh dalam konstruksi traktor dapat berguna. Telah lama digunakan generator induktor dengan magnet permanen yang terletak di alur rotor, diisi dengan paduan leleh rendah.

Motor magnet permanen

Dalam beberapa dekade terakhir, motor DC brushless telah tersebar luas. Unit semacam itu sebenarnya adalah motor listrik dan sakelar elektronik dari belitan jangkarnya, yang bertindak sebagai pengumpul. Motor listrik adalah motor sinkron dengan magnet permanen yang terletak pada rotor, seperti pada Gambar. di atas, dengan belitan jangkar tetap pada stator. Sirkuit sakelar elektronik adalah inverter tegangan (atau arus) DC dari jaringan suplai.

Keuntungan utama dari mesin semacam itu adalah tanpa kontak. Elemen spesifiknya adalah sensor posisi rotor foto, induksi atau Hall yang mengontrol pengoperasian inverter.