Magnet permanen — jenis dan sifat, bentuk, interaksi magnet

Apa itu magnet permanen

Produk feromagnetik yang mampu mempertahankan sisa magnetisasi yang signifikan setelah medan magnet luar dihilangkan disebut magnet permanen.

Magnet permanen terbuat dari berbagai logam seperti kobalt, besi, nikel, paduan tanah jarang (untuk magnet neodymium) serta mineral alami seperti magnetit.

Cakupan penerapan magnet permanen saat ini sangat luas, tetapi tujuannya pada dasarnya sama di mana-mana — sebagai sumber medan magnet permanen tanpa catu daya… Jadi magnet adalah benda yang memiliki miliknya sendiri Medan gaya.

Kata "magnet" itu sendiri berasal dari frasa Yunani yang diterjemahkan sebagai "Batu Magnesia", dinamai menurut kota di Asia tempat deposit magnetit - bijih besi magnet - ditemukan pada zaman kuno… Dari sudut pandang fisik, magnet elementer adalah sebuah elektron, dan sifat magnet magnet biasanya ditentukan oleh momen magnet elektron yang membentuk bahan magnet.

Magnet permanen adalah bagian sistem magnetik produk listrik… Perangkat magnet permanen umumnya didasarkan pada konversi energi:

• mekanis ke mekanis (pemisah, konektor magnetik, dll.);

• mekanik ke elektromagnetik (generator listrik, speaker, dll.);

• elektromagnetik ke mekanik (motor listrik, pengeras suara, sistem magnetoelektrik, dll.);

• mekanis ke internal (perangkat rem, dll.).

Persyaratan berikut berlaku untuk magnet permanen:

• energi magnet spesifik tinggi;

• dimensi minimum untuk kekuatan medan tertentu;

• mempertahankan kinerja pada rentang suhu operasi yang luas;

• resistensi terhadap medan magnet eksternal; — teknologi;

• biaya bahan baku yang rendah;

• stabilitas parameter magnetik dari waktu ke waktu.

Variasi tugas yang diselesaikan dengan bantuan magnet permanen mengharuskan pembuatan berbagai bentuk implementasinya Magnet permanen sering kali berbentuk seperti tapal kuda (yang disebut magnet "tapal kuda").

Gambar tersebut menunjukkan contoh bentuk magnet permanen yang diproduksi secara industri berdasarkan unsur tanah jarang dengan lapisan pelindung.

Magnet permanen yang diproduksi secara komersial dalam berbagai bentuk: a — piringan; membawa; c — parallelepiped; g—silinder; d—bola; e - sektor silinder berongga

Magnet juga dihasilkan dari paduan logam magnet keras dan ferit dalam bentuk batang bulat dan persegi panjang, serta berbentuk tabung, berbentuk C, berbentuk tapal kuda, berbentuk pelat persegi panjang, dll.

Setelah bahan dibentuk, bahan tersebut harus dimagnetisasi, yaitu ditempatkan di medan magnet luar, karena parameter magnet magnet permanen tidak hanya ditentukan oleh bentuknya atau bahan pembuatnya, tetapi juga oleh arahnya. magnetisasi.

Benda kerja dimagnetisasi menggunakan magnet permanen, elektromagnet DC atau kumparan magnet yang dilalui pulsa arus. Pilihan metode magnetisasi tergantung pada bahan dan bentuk magnet permanen.

Akibat pemanasan yang kuat, tumbukan, magnet permanen dapat kehilangan sebagian atau seluruhnya sifat magnetnya (demagnetisasi).

Karakteristik bagian degaussing loop histeresis magnetik bahan dari mana magnet permanen dibuat menentukan sifat-sifat magnet permanen tertentu: semakin tinggi gaya koersif Hc dan semakin tinggi nilai sisa induksi magnetik Br — magnet yang lebih kuat dan lebih stabil.

Kekuatan memaksa (secara harfiah diterjemahkan dari bahasa Latin — "kekuatan penahan") — gaya yang mencegah perubahan polarisasi magnetik ferromagnet.

Selama feromagnet tidak terpolarisasi, yaitu arus elementer tidak berorientasi, gaya koersif mencegah orientasi arus elementer. Tetapi ketika feromagnet sudah terpolarisasi, ia mempertahankan arus dasar dalam posisi berorientasi bahkan setelah medan magnetisasi eksternal dihilangkan.

Ini menjelaskan magnet sisa yang terlihat di banyak feromagnet. Semakin besar gaya koersif, semakin kuat fenomena magnet sisa.

Jadi kekuatan koersif adalah kekuatan medan magnetdiperlukan untuk demagnetisasi lengkap zat ferro atau ferrimagnetik. Jadi, semakin koersif magnet tertentu, semakin tahan terhadap faktor demagnetisasi.

Sebuah unit pengukuran kekuatan koersif di NE — Ampere / meter. A induksi magnetik, seperti yang Anda ketahui, adalah besaran vektor, yang merupakan karakteristik gaya medan magnet. Nilai karakteristik induksi magnet sisa magnet permanen adalah urutan 1 Tesla.

Histeresis magnetik — adanya efek polarisasi magnet mengarah pada fakta bahwa magnetisasi dan demagnetisasi bahan magnetik berlangsung tidak merata, karena magnetisasi bahan sepanjang waktu sedikit tertinggal di belakang medan magnetisasi.

Dalam hal ini, sebagian energi yang dihabiskan untuk magnetisasi tubuh tidak dikembalikan selama demagnetisasi, tetapi diubah menjadi panas. Oleh karena itu, pembalikan magnetisasi material yang berulang kali dikaitkan dengan kehilangan energi yang nyata dan terkadang dapat menyebabkan pemanasan yang kuat pada benda yang dimagnetisasi.

Semakin jelas histeresis dalam material, semakin besar kerugiannya saat magnetisasi dibalik. Oleh karena itu, bahan yang tidak memiliki histeresis digunakan untuk rangkaian magnet dengan fluks magnet bolak-balik (lihat — Inti magnetik perangkat listrik).

Sifat magnet magnet permanen dapat berubah di bawah pengaruh waktu dan faktor eksternal, yang meliputi:

• suhu;

• Medan magnet;

• beban mekanis;

• radiasi dll.

Perubahan sifat magnetik ditandai dengan ketidakstabilan magnet permanen, yang dapat bersifat struktural atau magnetik.

Ketidakstabilan struktural dikaitkan dengan perubahan struktur kristal, transformasi fasa, pengurangan tekanan internal, dll. Dalam hal ini, sifat magnetik asli dapat diperoleh dengan memulihkan struktur (misalnya, dengan perlakuan panas pada material).

Ketidakstabilan magnetik disebabkan oleh perubahan struktur magnetik zat magnetik, yang cenderung kesetimbangan termodinamika dari waktu ke waktu dan di bawah pengaruh pengaruh eksternal. Ketidakstabilan magnetik dapat berupa:

• reversibel (kembali ke kondisi awal mengembalikan sifat magnetik asli);

• ireversibel (pengembalian sifat asli hanya dapat dicapai dengan magnetisasi berulang).

Magnet permanen atau elektromagnet - mana yang lebih baik?

Menggunakan magnet permanen untuk membuat medan magnet permanen alih-alih elektromagnet yang setara memungkinkan:

• untuk mengurangi karakteristik berat dan ukuran produk;

• tidak termasuk penggunaan sumber energi tambahan (yang menyederhanakan desain produk, mengurangi biaya produksi dan pengoperasiannya);

• memberikan waktu yang hampir tidak terbatas untuk mempertahankan medan magnet dalam kondisi kerja (tergantung bahan yang digunakan).

Kerugian dari magnet permanen adalah:

• kerapuhan bahan yang digunakan dalam pembuatannya (ini mempersulit pemrosesan mekanis produk);

• kebutuhan akan perlindungan terhadap pengaruh kelembapan dan jamur (untuk ferit GOST 24063), serta terhadap pengaruh kelembapan dan suhu tinggi.

Jenis dan sifat magnet permanen

ferit

Magnet ferit, meskipun rapuh, memiliki ketahanan korosi yang baik, menjadikannya yang paling umum dengan biaya rendah. Magnet ini terbuat dari paduan oksida besi dengan barium atau strontium ferit. Komposisi ini memungkinkan material mempertahankan sifat magnetiknya dalam kisaran suhu yang luas - dari -30 ° C hingga + 270 ° C.

Produk magnetik berupa cincin ferit, batang dan tapal kuda banyak digunakan baik dalam industri maupun dalam kehidupan sehari-hari, dalam teknologi dan elektronik. Mereka digunakan dalam sistem pengeras suara, di generator, dalam motor DC… Dalam industri otomotif, magnet ferit dipasang di starter, jendela, sistem pendingin, dan kipas.

Magnet ferit dicirikan oleh gaya koersif sekitar 200 kA/m dan sisa induksi magnetik sekitar 0,4 Tesla. Rata-rata, magnet ferit dapat bertahan 10 hingga 30 tahun.

Alnico (aluminium-nikel-kobalt)

Magnet permanen berdasarkan paduan aluminium, nikel, dan kobalt dicirikan oleh stabilitas dan stabilitas suhu yang tak tertandingi: mereka mampu mempertahankan sifat magnetnya pada suhu hingga + 550 ° C, meskipun gaya koersifnya relatif kecil. Di bawah pengaruh medan magnet yang relatif kecil, magnet semacam itu akan kehilangan sifat magnet aslinya.

Nilai sendiri: gaya koersif tipikal adalah sekitar 50 kA / m dengan sisa magnetisasi sekitar 0,7 Tesla. Terlepas dari fitur ini, magnet alnico sangat diperlukan untuk beberapa penelitian ilmiah.

Kandungan khas komponen dalam paduan alnico dengan sifat magnetik tinggi bervariasi dalam batas berikut: aluminium — dari 7 hingga 10%, nikel — dari 12 hingga 15%, kobalt — dari 18 hingga 40%, dan dari 3 hingga 4% tembaga.

Semakin banyak kobalt, semakin tinggi induksi saturasi dan energi magnetik paduan tersebut. Aditif dalam bentuk 2 hingga 8% titanium dan hanya 1% niobium berkontribusi untuk mendapatkan gaya koersif yang lebih tinggi - hingga 145 kA / m. Penambahan silikon 0,5 hingga 1% memastikan sifat magnetik isotropik.

Samaria

Jika Anda membutuhkan ketahanan luar biasa terhadap korosi, oksidasi, dan suhu hingga + 350 ° C, maka paduan magnet samarium dengan kobalt adalah yang Anda butuhkan.

Pada harga tertentu, magnet samarium-kobalt lebih mahal daripada magnet neodymium karena logam kobalt yang lebih langka dan lebih mahal. Namun demikian, disarankan untuk menggunakannya jika perlu memiliki dimensi dan berat minimum dari produk akhir.

Ini paling sesuai di pesawat ruang angkasa, teknologi penerbangan dan komputer, motor listrik mini dan kopling magnet, di perangkat dan perangkat yang dapat dikenakan (jam tangan, headphone, ponsel, dll.)

Karena ketahanan khususnya terhadap korosi, magnet samarium digunakan dalam pengembangan strategis dan aplikasi militer. Motor listrik, generator, sistem pengangkat, kendaraan bermotor - magnet kuat yang terbuat dari paduan samarium-kobalt sangat ideal untuk lingkungan yang agresif dan kondisi kerja yang sulit. Gaya koersif adalah sekitar 700 kA/m dengan sisa induksi magnetik sekitar 1 Tesla.

Neodymium

Magnet neodymium sangat diminati saat ini dan tampaknya menjadi yang paling menjanjikan. Paduan neodymium-besi-boron memungkinkan Anda membuat magnet super untuk berbagai aplikasi, mulai dari kunci dan mainan hingga generator listrik dan mesin pengangkat yang kuat.

Gaya koersif tinggi sekitar 1000 kA / m dan magnetisasi sisa sekitar 1,1 Tesla memungkinkan magnet dipertahankan selama bertahun-tahun, selama 10 tahun magnet neodymium hanya kehilangan 1% magnetisasi jika suhunya dalam kondisi operasi tidak melebihi + 80 ° C (untuk beberapa merek hingga + 200 ° C). Jadi, hanya ada dua kelemahan magnet neodymium - kerapuhan dan suhu pengoperasian yang rendah.

Magnetoplas

Bubuk magnetik bersama dengan pengikat membentuk magnet yang lembut, fleksibel dan ringan. Komponen pengikat seperti vinil, karet, plastik atau akrilik memungkinkan magnet diproduksi dalam berbagai bentuk dan ukuran.

Gaya magnet, tentu saja, lebih rendah dari bahan magnet murni, tetapi terkadang solusi semacam itu diperlukan untuk mencapai tujuan magnet tertentu yang tidak biasa: dalam produksi produk periklanan, dalam produksi stiker mobil yang dapat dilepas, serta dalam produksi berbagai alat tulis dan souvenir.

Interaksi magnet

Seperti kutub magnet menolak dan tidak seperti kutub menarik. Interaksi magnet dijelaskan oleh fakta bahwa setiap magnet memiliki medan magnet dan medan magnet ini saling berinteraksi. Misalnya, apa alasan magnetisasi besi?

Menurut hipotesis ilmuwan Prancis Ampere, di dalam zat tersebut terdapat arus listrik dasar (Arus ampere), yang terbentuk karena pergerakan elektron di sekitar inti atom dan di sekitar porosnya sendiri.

Medan magnet dasar muncul dari pergerakan elektron.Dan jika sepotong besi dimasukkan ke dalam medan magnet luar, maka semua medan magnet dasar pada besi ini diorientasikan dengan cara yang sama dalam medan magnet luar, membentuk medan magnetnya sendiri dari sepotong besi. Jadi jika medan magnet eksternal yang diterapkan cukup kuat, setelah Anda mematikannya, potongan besi tersebut akan menjadi magnet permanen.

Mengetahui bentuk dan magnetisasi magnet permanen memungkinkan perhitungan diganti dengan sistem arus magnetisasi listrik yang setara. Penggantian semacam itu dimungkinkan baik saat menghitung karakteristik medan magnet maupun saat menghitung gaya yang bekerja pada magnet dari medan luar.

Sebagai contoh, mari kita hitung gaya interaksi dua magnet permanen. Misalkan magnet berbentuk silinder tipis, jari-jarinya akan dilambangkan dengan r1 dan r2, ketebalannya adalah h1, h2, sumbu magnet bertepatan, jarak antara magnet akan dilambangkan dengan z, kita anggap itu jauh lebih besar dari ukuran magnet.

Munculnya gaya interaksi antar magnet dijelaskan dengan cara tradisional: satu magnet menciptakan medan magnet yang bekerja pada magnet kedua.

Untuk menghitung gaya interaksi, kami secara mental mengganti magnet magnet seragam J1 dan J2 dengan arus melingkar yang mengalir di permukaan samping silinder. Kekuatan arus ini akan dinyatakan dalam magnetisasi magnet, dan jari-jarinya akan dianggap sama dengan jari-jari magnet.

Mari kita uraikan vektor induksi B dari medan magnet yang diciptakan oleh magnet pertama sebagai pengganti magnet kedua menjadi dua komponen: aksial, diarahkan sepanjang sumbu magnet, dan radial, tegak lurus terhadapnya.

Untuk menghitung gaya total yang bekerja pada cincin, perlu membaginya secara mental menjadi elemen-elemen kecil Idl dan jumlah Amperebertindak pada setiap elemen tersebut.

Dengan menggunakan aturan di sebelah kiri, mudah untuk menunjukkan bahwa komponen aksial medan magnet menimbulkan gaya Ampere yang cenderung meregangkan (atau menekan) cincin—jumlah vektor dari gaya-gaya ini adalah nol.

Kehadiran komponen radial medan menyebabkan munculnya gaya Ampere yang diarahkan sepanjang sumbu magnet, yaitu daya tarik atau tolakannya. Tetap menghitung gaya Ampere - ini akan menjadi gaya interaksi antara kedua magnet.

Lihat juga:Penggunaan magnet permanen dalam teknik listrik dan energi