Неодимові та феритові магніти
Безліч металів має магнітні якості, що дозволяє використовувати їх у багатьох сферах промисловості та в побуті. Ще недавно були широко поширені феритові магніти, зараз вони дедалі більше витісняються магнітами зі сплаву рідкоземельного металу неодиму, заліза і бору. Останні набувають все більшої популярності. Який магніт краще – феритовий чи неодимовий, спробуємо розібратися у цій статті.

Неодимовий магніт
Багато хто з нас чув про неодимові магніти. Що таке? Унікальні якості магніту обумовлені присутністю у сплаві неодиму – хімічного елемента групи лантаноїдів таблиці Менделєєва. Крім основної складової, до складу неодимового магніту входять залізо та бор, або кобальт та ітрій. Виготовляється магніт з неодиму способом нагрівання порошкоподібної маси діючих компонентів. Найхарактерніша характеристика неодимового магніту – його потужність при досить малих розмірах. Такий магніт має силу зчеплення, що в 10 і більше разів перевершує силу феритових магнітів.

Щоб неодимовий магніт прослужив якнайдовше, на його поверхню наносять особливий склад з нікелю. Якщо ж магніт планується використовувати в агресивних або високотемпературних середовищах, рекомендується вибирати покриття з цинку.

Застосовуються неодимові магніти дуже широко:
Як тиски або струбцини - потужність неодиму забезпечує рівномірний затискач розміщеного між магнітами матеріалу.
Для розваг – і дітям, і дорослим однаково цікаво спостерігати фокусами, поставленими з допомогою даного магніту.
Для пошуку предметів із сталі та заліза.
Для намагнічування металевих предметів. До речей, що магнітить неодимовий магніт, відносяться викрутки, голки, ножі та інші вироби.
Для надійного закріплення поверхні різних предметів.

Види неодимових магнітів
Неодимові магніти випускаються різних конфігураціях і мають різну масу. Навіть невеликий магніт розміром 25*5 мм здатний витримати вагу до дев'яти кілограм і при необережному поводженні може пошкодити шкіру. А при використанні магнітів більшої маси тим більше потрібно дотримуватись певних заходів безпеки, щоб унеможливити можливі травми.

Ферритовий магніт – що це таке
Найпоширенішими серед звичайних є феритові магніти, що є сплавом оксиду заліза з оксидами інших металів. Прості магніти найчастіше виготовляються як підкови. Серед основних характеристик феромагнітів є:
Гарна термостійкість.
Висока магнітна проникність.
Низька собівартість.
На поверхню феритових магнітів зазвичай наноситься маркування полюсів червоним та синім кольором.

Порівняння магнітів
Тож чим відрізняється неодимовий магніт від звичайного і як візуально можна визначити ці відмінності? Неодимові магніти стали дуже популярні нещодавно (технології їх виробництва всього близько 30 років), але вже застосовуються практично у всіх сферах життя. Як уже говорилося, найголовніша відмінність неодимового магніту від звичайного – це його сила зчеплення та основні магнітні характеристики: магнітна енергія, залишкова магнітна індукція та коерцитивна сила. Значення цих показників у багато разів перевищують показники феромагнітів. Найпростіший спосіб визначити тип магніту – спробувати зняти його із залізної поверхні. Якщо він легко відділяється, то це феромагніт, якщо зняти магніт вдається тільки після докладання певних зусиль, то перед нами неодимовий магніт. Крім цієї особливості, магніти відрізняються ще за низкою ознак.

Термін служби
Якщо феромагніти служать близько 10 років при правильному використанні і потім повністю розмагнічуються, термін служби неодимового магніту практично не обмежений. За людське століття сила неодимових магнітів втрачається лише з 1%.

Сила тяжіння
Сила тяжіння неодимового магніту при однакових розмірах вище сили феромагніту приблизно 10 разів. Тому маленький, але дуже потужний магніт може використовуватися в комп'ютерах та акустичних системах, а також для виготовлення різноманітних сувенірів та прикрас.

Форма
Феромагніти в основному виробляють у вигляді підкови з червоною та синьою лапками, що показують негативний та позитивний полюси. Подковообразная форма дозволяє замкнути лінії магнітного поля збільшення терміну служби феромагнита. Неодимові магніти випускаються найрізноманітніших форм і конфігурацій – паралелепіпед, кільце, диск та інші. На поверхні можна розмістити кілька полюсів, тобто зробити їх «мультиполярними».

Ціна
Неодимовий магніт коштує дорожче феритового, що виправдовується його характеристиками та терміном служби. Купивши магніт із неодиму, ви отримуєте практично «вічний» магніт, принаймні за ваше життя його якості майже не зміняться.

Переваги та застосування неодимового магніту
Таким чином, неодимовий магніт, незважаючи на більш високу ціну, має незаперечні переваги в порівнянні зі звичайним феритовим. Збільшена потужність, довгий термін служби, різна форма виготовлення забезпечили магніту зі сплаву «неодим-залізо-бор» високий попит серед споживачів.

Навіщо потрібний неодимовий магніт
Що означає неодимовий магніт для сучасної людини у повсякденному житті? Крім вищезазначених способів застосування, популярний матеріал використовується для:
Очищення акваріумів та інших ємностей, а також моторної та трансмісійної олії, що застосовується в автотехніці.
Акуратне вирівнювання металевих поверхонь.
Розмагнічування дисків, плівок та для багатьох інших дій.
Звичайно, всі перелічені в статті характеристики неодимових магнітів мають значення лише при придбанні якісних матеріалів. Кожен, хто окремо купував неодими у Світі Магнітів, знає, що інтернет-магазин надає всі необхідні гарантії та сертифікати якості, а також забезпечує кожного покупця грамотною консультацією.

Поряд з тертям, що електризуються, шматочками бурштину постійні магніти були для древніх людей першим матеріальним свідченням електромагнітних явищ (блискавки на зорі історії безумовно відносили до сфери прояву нематеріальних сил). Пояснення природи феромагнетизму завжди займало допитливі уми вчених, однак і в даний час фізична природа постійної намагніченості деяких речовин, як природних, так і штучно створених, ще не до кінця розкрита, залишаючи чимало діяльності для сучасних і майбутніх дослідників.

Традиційні матеріали для постійних магнітів

Вони почали активно використовуватися в промисловості, починаючи з 1940 з появи сплаву алніко (AlNiCo). До цього постійні магніти з різних сортів стали застосовувалися лише компасах і магнето. Алніко уможливив заміну на них електромагнітів і застосування їх у таких пристроях, як двигуни, генератори та гучномовці.

Це їхнє проникнення в наше повсякденне життя отримало новий імпульс зі створенням феритових магнітів, і з того часу постійні магніти стали звичайним явищем.

Революція в магнітних матеріалах почалася близько 1970 року, зі створенням самарій-кобальтового сімейства жорстких магнітних матеріалів з досі небаченою щільністю магнітної енергії. Потім було відкрито нове покоління рідкісноземельних магнітів на основі неодиму, заліза та бору з набагато більш високою щільністю магнітної енергії, ніж у самарій-кобальтових (SmCo) та з очікувано низькою вартістю. Ці дві родини рідкісноземельних магнітів мають такі високі щільності енергії, що вони не тільки можуть замінити електромагніти, але використовуватися в областях, недоступних для них. Прикладами можуть бути крихітний кроковий двигун на постійних магнітах у наручному годиннику та звукові перетворювачі в навушниках типу Walkman.

Поступове покращення магнітних властивостей матеріалів представлено на діаграмі нижче.

Неодимові постійні магніти

Вони представляють новітнє і найбільш значне досягнення у цій галузі протягом останніх десятиліть. Вперше про їхнє відкриття було оголошено майже одночасно наприкінці 1983 року фахівцями з металів компаній Sumitomo та General Motors. Вони засновані на інтерметалевому з'єднанні NdFeB: сплаві неодиму, заліза та бору. З них неодим є рідкісноземельним елементом, що видобувається з мінералу моназиту.

Величезний інтерес, які викликали ці постійні магніти, виникає тому, що вперше було отримано новий магнітний матеріал, який не тільки сильніший, ніж у попереднього покоління, але є більш економічним. Він складається в основному із заліза, яке набагато дешевше, ніж кобальт, і з неодиму, що є одним із найпоширеніших рідкісноземельних матеріалів, запаси якого на Землі більші, ніж свинцю. У головних рідкісноземельних мінералах моназиті та бастанезиті міститься в п'ять-десять разів більше неодиму, ніж самарія.

Фізичний механізм постійної намагніченості

Щоб пояснити функціонування постійного магніту, ми маємо заглянути всередину його до атомних масштабів. Кожен атом має набір спинів своїх електронів, які формують його магнітний момент. Для нашої мети ми можемо розглядати кожен атом як невеликий смуговий магніт. Коли постійний магнітрозмагнічений (або шляхом нагрівання його до високої температури, або зовнішнім магнітним полем), кожен атомний момент орієнтований випадковим чином (див. рис. Нижче) і ніякої регулярності не спостерігається.

Коли ж він намагнічений у сильному магнітному полі, всі атомні моменти орієнтуються у напрямі поля і ніби зчеплюються «замок» один з одним (див. рис. нижче). Це зчеплення дозволяє зберегти поле постійного магніту при видаленні зовнішнього поля, а також чинити опір розмагнічування при зміні його напрямку. Мірою сили зчеплення атомних моментів є величина коерцитивної сили магніту. Докладніше про це пізніше.

При більш глибокому викладі механізму намагнічування оперують не поняттями атомних моментів, а використовують уявлення про мініатюрні (порядку 0,001 см) області всередині магніту, що спочатку володіють постійною намагніченістю, але орієнтованих при відсутності зовнішнього поля випадковим чином, так що строгий читач при бажанні може віднести механізм немає до магніту загалом. а до окремого його домену.

Індукція та намагніченість

Атомні моменти підсумовуються і утворюють магнітний момент всього постійного магніту, яке намагніченість M показує величину цього моменту на одиницю обсягу. Магнітна індукція B показує, що постійний магніт є результатом зовнішнього магнітного зусилля (напруженості поля) H, що прикладається при первинному намагнічуванні, а також внутрішньої намагніченості M, зумовленої орієнтацією атомних (або доменних) моментів. Її величина у загальному випадку задається формулою:

B = µ 0 (H + M),

де µ 0 є константою.

У постійному кільцевому і однорідному магніті напруженість поля H всередині нього (за відсутності зовнішнього поля) дорівнює нулю, оскільки за законом повного струму інтеграл від неї вздовж будь-якого кола всередині такого кільцевого сердечника дорівнює:

H∙2πR = iw=0 , звідки H=0.

Отже, намагніченість у кільцевому магніті:

У незамкнутому магніті, наприклад, у тому ж кільцевому, але з повітряним зазором шириною l заз у сердечнику довжиною l сер, за відсутності зовнішнього поля та однакової індукції B всередині сердечника і в зазорі за законом повного струму отримаємо:

H сір l сір + (1/ µ 0)Bl заз = iw=0.

Оскільки B = µ 0 (H сір + М сір), то, підставляючи її вираз у попереднє, отримаємо:

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

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

У повітряному зазорі:

H заз = B/µ 0 ,

причому B визначається по заданій М сір і знайденої H сір.

Крива намагнічування

Починаючи з ненамагніченого стану, коли Н збільшується від нуля, внаслідок орієнтації всіх атомних моментів у напрямку зовнішнього поля швидко збільшуються М і B, змінюючись вздовж ділянки «а» основною кривою намагнічування (див. малюнок нижче).

Коли вирівняні всі атомні моменти, М приходить до свого значення насичення, і подальше збільшення відбувається виключно через прикладене поле (ділянка b основної кривої на рис. нижче). При зменшенні зовнішнього поля до нуля індукція зменшується не по початковому шляху, а по ділянці «c» через зчеплення атомних моментів, що прагне зберегти їх у тому напрямку. Крива намагнічування починає описувати так звану петлю гістерези. Коли Н (зовнішнє поле) наближається до нуля, то індукція наближається до залишкової величини, яка визначається лише атомними моментами:

r = μ 0 (0 + М г).

Після того, як напрямок H змінюється, Н і М діють у протилежних напрямках, і B зменшується (ділянка кривої «d» на рис.). Значення поля, при якому зменшується до нуля, називається коерцитивною силою магніту B H C . Коли величина прикладеного поля є досить великою, щоб зламати зчеплення атомних моментів, вони орієнтуються на новий напрямок поля, а напрям M змінюється на протилежне. Значення поля, за якого це відбувається, називається внутрішньою коерцитивною силою постійного магніту М Н C . Отже, є дві різні, але пов'язані коерцитивні сили, пов'язані з постійним магнітом.

На малюнку нижче показано основні криві розмагнічування різних матеріалів для постійних магнітів.

З нього видно, що найбільшою залишковою індукцією B r і коерцитивною силою (як повною, так і внутрішньою, тобто визначається без урахування напруженості H тільки по намагніченості M) мають саме NdFeB-магніти.

Поверхневі (амперівські) струми

Магнітні поля постійних магнітів можна розглядати як поля деяких пов'язаних з ними струмів, що протікають їх поверхнями. Ці струми називають амперівськими. У звичному значенні слова струми всередині постійних магнітів відсутні. Однак, порівнюючи магнітні поля постійних магнітів і поля струмів у котушках, французький фізик Ампер припустив, що намагніченість речовини можна пояснити протіканням мікроскопічних струмів, що утворюють мікроскопічні замкнуті контури. Адже аналогія між полем соленоїда і довгого циліндричного магніту майже повна: є північний і південний полюс постійного магніту і такі ж полюси у соленоїда, а картини силових ліній їх полів також дуже схожі (див. малюнок нижче).

Чи є струми всередині магніту?

Уявімо, що весь об'єм деякого постійного стрижневого магніту (з довільною формою поперечного перерізу) заповнений мікроскопічними амперівськими струмами. Поперечний розріз магніту з такими струмами показаний нижче.

Кожен з них має магнітний момент. При однаковій орієнтації їх у напрямку зовнішнього поля вони утворюють результуючий магнітний момент, відмінний від нуля. Він і визначає існування магнітного поля за відсутності впорядкованого руху зарядів, за відсутності струму через будь-який переріз магніту. Легко також зрозуміти, що всередині нього струми суміжних контурів, що стикаються, компенсуються. Нескомпенсированными виявляються лише струми лежить на поверхні тіла, утворюють поверхневий струм постійного магніту. Щільність його виявляється рівною намагніченості M.

Як позбутися рухомих контактів

Відома проблема створення безконтактної синхронної машини. Традиційна її конструкція з електромагнітним збудженням від полюсів ротора з котушками передбачає підведення струму до них через рухомі контакти – контактні кільця зі щітками. Недоліки такого технічного рішення загальновідомі: це і труднощі в обслуговуванні, і низька надійність, і великі втрати в рухомих контактах, особливо якщо йдеться про потужні турбо-і гідрогенератори, в ланцюгах збудження яких витрачається чимала електрична потужність.

Якщо зробити такий генератор на постійних магнітах, то проблема контакту відразу йде. Правда, з'являється проблема надійного кріплення магнітів на роторі, що обертається. Тут може стати в нагоді досвід, накопичений у тракторобудуванні. Там вже давно застосовується індукторний генератор на постійних магнітах, розташованих у пазах ротора, залитих легкоплавким сплавом.

Двигун на постійних магнітах

В останні десятиліття широкого поширення набули вентильні двигуни постійного струму. Такий агрегат є власне електродвигун і електронний комутатор його обмотки якоря, що виконує функції колектора. Електродвигун є синхронним двигуном на постійних магнітах, розташованих на роторі, як і на рис. вище, з нерухомою обмоткою якоря на статорі. Електронний комутатор схемотехнічно являє собою інвертор постійної напруги (або струму) мережі живлення.

Основною перевагою такого двигуна є безконтактність. Специфічним елементом є фото-, індукційний або холлівський датчик положення ротора, керуючий роботою інвертора.

Що таке постійний магніт

Феромагнітний виріб, здатний зберігати значну залишкову намагніченість після зняття зовнішнього магнітного поля, називається постійним магнітом. Постійні магніти виготовляють із різних металів, таких як: кобальт, залізо, нікель, сплави рідкісноземельних металів (для неодимових магнітів), а також з природних мінералів типу магнетитів.

Сфера застосування постійних магнітів сьогодні дуже широка, проте призначення їх принципово скрізь одне й те саме як джерело постійного магнітного поля без підведення електроенергії. Таким чином, магніт – це тіло, що володіє своїм власним.

Саме слово «магніт» походить від грецького словосполучення, яке перекладається як «камінь з Магнесії», за назвою азіатського міста, де були в давнину відкриті поклади магнетиту - магнітного залізняку. З фізичної погляду елементарним магнітом є електрон, а магнітні властивості магнітів взагалі обумовлюються магнітними моментами електронів, що входять до складу намагніченого матеріалу.

Характеристики розмагнічуючого ділянки матеріалу, з якого виготовлений постійний магніт, визначають властивості того чи іншого постійного магніту: чим вище коерцитивна сила Нс, і чим вище залишкова магнітна індукція Вr - тим сильніший і стабільніший магніт.

Коерцитивна сила (буквально в перекладі з латинського - «утримуюча сила») - це , необхідне для повного розмагнічування феро-або феримагнітного речовини. Таким чином, чим більшою коерцитивною силою володіє конкретний магніт, тим він стійкіший до факторів, що розмагнічують.

Одиниця виміру коерцитивної сили - Ампер/метр. А як відомо, - це векторна величина, що є силовою характеристикою магнітного поля. Характерне значення залишкової магнітної індукції постійних магнітів – порядку 1 Тесла.

Види та властивості постійних магнітів

Феритові

Феритові магніти хоч і відрізняються крихкістю, але мають гарну корозійну стійкість, що при невисокій ціні робить їх найбільш поширеними. Такі магніти виготовляють із сплаву оксиду заліза з феритом барію або стронцію. Даний склад дозволяє матеріалу зберігати свої магнітні властивості в широкому температурному діапазоні - від -30°C до +270°C.

Магнітні вироби у формі феритових кілець, брусків та підків широко використовуються як у промисловості, так і в побуті, техніці та електроніці. Їх використовують в акустичних системах, в генераторах, . В автомобілебудуванні феритові магніти встановлюють у стартери, склопідйомники, системи охолодження і вентилятори.

Феритові магніти відрізняються коерцитивною силою близько 200 кА/м та залишковою магнітною індукцією близько 0,4 Тесла. У середньому феритовий магніт може прослужити від 10 до 30 років.

Альнико (алюміній-нікель-кобальт)

Постійні магніти на основі сплаву з алюмінію, нікелю та кобальту відрізняються неперевершеною температурною стійкістю та стабільністю: вони здатні зберігати свої магнітні властивості при температурах до +550°C, хоча коерцитивна сила, характерна для них, відносно мала. Під дією щодо невеликого магнітного поля такі магніти втратять вихідні магнітні властивості.

Поміркуйте самі: типова коерцитивна сила близько 50 кА/м при залишковій намагніченості близько 0,7 Тесла. Однак незважаючи на цю особливість, магніти альник незамінні для деяких наукових досліджень.

Типовий вміст компонентів у сплавах альнико з високими магнітними властивостями змінюється в таких межах: алюміній – від 7 до 10%, нікель – від 12 до 15%, кобальт – від 18 до 40%, та від 3 до 4% міді.

Чим більше кобальту, тим вище індукція насичення та магнітна енергія сплаву. Добавки у вигляді від 2 до 8% титану та всього 1% ніобію сприяють отриманню більшої коерцитивної сили – до 145 кА/м. Добавка від 05 до 1% кремнію забезпечує ізотропію магнітних властивостей.

Самарієві

Якщо потрібна виняткова стійкість до корозії, окиснення і температури до +350 ° C, то магнітний сплав самарію з кобальтом - те, що треба.

За вартістю самарій-кобальтові магніти дорожчі за неодимові за рахунок більш дефіцитного і дорогого металу - кобальту. Тим не менш, саме їх доцільно застосовувати у разі потреби мати мінімальні розміри та вагу кінцевих виробів.

Найбільш доцільно це в космічних апаратах, авіаційній і комп'ютерній техніці, мініатюрних електродвигунах і магнітних муфтах, в приладах і пристроях, що носяться (годинниках, навушниках, мобільних телефонах і т.д.)

Завдяки особливій корозійній стійкості саме самарієві магніти застосовуються в стратегічних розробках і військових додатках. Електродвигуни, генератори, підйомні системи, мототехніка – сильний магніт із сплаву самарію-кобальту ідеально підходить для агресивних середовищ та складних умов експлуатації. Коерцитивна сила близько 700 кА/м при залишковій магнітній індукції 1 Тесла.

Неодимові

Неодимові магніти на сьогоднішній день дуже затребувані і видаються найперспективнішими. Сплав неодим-залізо-бір дозволяє створювати супермагніти для різних сфер, починаючи з засувок та іграшок, закінчуючи потужними підйомними машинами.

Висока коерцитивна сила близько 1000 кА/м і залишкова намагніченість близько 1,1 Тесла, дозволяють магніту зберігатися протягом багатьох років, за 10 років неодимовий магніт втрачає лише 1% своєї намагніченості, якщо температура його в умовах експлуатації не перевищує +80°C ( для деяких марок до +200 ° C). Таким чином, лише два недоліки є у неодимових магнітів - крихкість та низька робоча температура.

Магнітний порошок разом із сполучним компонентом утворює м'який, гнучкий та легкий магніт. Сполучні компоненти, такі як вініл, каучук, пластик або акрил дозволяють отримувати магніти різних форм та розмірів.

Магнітна сила, звичайно, поступається чистому магнітному матеріалу, але іноді такі рішення необхідні для досягнення певних незвичайних для магнітів цілей: у виробництві рекламної продукції, при виготовленні знімних наклейок на авто, а також у виготовленні різних канцелярських та сувенірних товарів.

Одноіменні полюси магнітів відштовхуються, а різноіменні полюси притягуються. Взаємодія магнітів пояснюється тим, що будь-який магніт має магнітне поле і ці магнітні поля взаємодіють між собою. У чому, наприклад, причина намагнічування заліза?

Згідно з гіпотезою французького вченого Ампера, всередині речовини існують елементарні електричні струми (струми Ампера), які утворюються внаслідок руху електронів навколо ядер атомів та навколо власної осі.

При русі електронів з'являються елементарні магнітні поля. І якщо шматок заліза внести у зовнішнє магнітне поле, всі елементарні магнітні поля у тому залозі орієнтуються однаково у зовнішньому магнітному полі, утворюючи власне магнітне поле шматка заліза. Так, якщо прикладене зовнішнє магнітне поле було досить сильним, після його відключення шматок заліза стане постійним магнітом.

Знання форми та намагніченості постійного магніту дозволяє для розрахунків замінити його еквівалентною системою електричних струмів намагнічування. Така заміна можлива як із розрахунку характеристик магнітного поля, і при розрахунках сил, які діють магніт із боку зовнішнього поля. Наприклад проведемо розрахунок сили взаємодії двох постійних магнітів.

Нехай магніти мають форму тонких циліндрів, їх радіуси позначимо r1 і r2, товщини h1, h2 осі магнітів збігаються, відстань між магнітами позначимо z, вважатимемо, що воно значно більше розмірів магнітів.

Виникнення сили взаємодії між магнітами пояснюється традиційним способом: один магніт створює магнітне поле, яке впливає другий магніт.

Для розрахунку сили взаємодії подумки замінимо магніти з однорідною намагніченістю J1 і J2 круговими струмами, що течуть по бічній поверхні циліндрів. Сили цих струмів виразимо через намагніченості магнітів, які радіуси вважатимемо рівними радіусам магнітів.

Розкладемо вектор індукції B магнітного поля, створюваного першим магнітом у місці розташування другого на дві складові: осьову, спрямовану вздовж осі магніту, і радіальну перпендикулярну їй.

Для обчислення сумарної сили, що діє на кільце, необхідно розбити його подумки на малі елементи IΔl і підсумувати , що діють на кожні такий елемент.

Використовуючи правило лівої руки, легко показати, що осьова складова магнітного поля призводить до появи сил Ампера, які прагнуть розтягнути (або стиснути) кільце – векторна сума цих сил дорівнює нулю.

Наявність радіальної складової поля призводить до виникнення сил Ампера, спрямованих вздовж осі магнітів, тобто до тяжіння або відштовхування. Залишиться обчислити сили Ампера – це й будуть сили взаємодії між двома магнітами.

Які види магнітів бувають і в чому їхня відмінність?

У сучасних приладах та й просто в буденному житті досить часто використовуються магніти. Це не просто оброблена руда, але точно підігнані до певних вимог склади. Магніти бувають дуже різні, і в залежності від призначення відрізняється склад речовини, з якої він виготовлений. Магніти поділяються за своїм складом на кілька категорій, деякі з них:

1. Магніт AlNiCo. Це один із найстаріших рецептів магніту. Він зберігся і використовується з сорокових років минулого століття та має незаперечні плюси. Сила намагніченості в нього дуже велика, свої властивості він втрачає лише за температури 840 градусів вище нуля за Цельсієм, що сприяє його поширенню. Найпопулярніший приклад це магнітні фіксаториу вигляді підкови. До негативних рис слід віднести ушкоджуваність. Досить часто магніт кришиться або ламається від часу, це створює також труднощі в обробці.

2. Феріти. Ці з'єднання створені з кераміки, з'єднаної з металом. До позитивних властивостей цих магнітів слід віднести їх високий опір електриці, завдяки чому на їх основі створюються магнітні пристроїдля роботи із струмом. Також це дуже дешевий магніт, його ціна найнижча серед побратимів. Негативні риси - це нестабільність при температурі. Подібний склад має магніт зварювальнийабо магнітний косинецьта інші пристосування для техніки, тому що вони мають здатність довго чинити опір окисленню і мають високу коерцитивну силу. З цим матеріалом при обробці використовують магнітну оснастку, щоб краще обробити ферит.

3. Магніт SmCo. Вперше ця сполука була використана як магніт у сімдесятих роках минулого століття. Воно показує найкращі результати з усіх вимірів і залишає попередніх суперників далеко позаду, але вартість такого магніту дуже висока. До недоліків, крім високої ціни, слід віднести крихкість. Подібні магніти використовуються там, де ціна є побічним фактором. Це можуть бути магніти, що відключаються на виробництві або у військовій справі.

4. Магніт NdFeB. Це свого роду компроміс. Його властивості максимально наближені до відмінних результатів SmCo, але має меншу ціну. Для того, щоб добитися таких результатів магніт необхідно виготовляти у вакуумному середовищі, а потім укладати його в оболонку з цинку або міді. До негативних сторін низька температура Кюрі, тобто температура, коли склад втрачає магнітні властивості. Однак це можна виправити додаванням кобальту, але це значно підвищить ціну. У житті такі магніти часто можна зустріти в комп'ютерній техніці.

5. Полімерні магніти. Подібні речовини створюють, використовуючи природний або хімічно створений магнітний порошок і додають до нього метал. До позитивних властивостей цього матеріалу можна віднести впевнений опір механічному впливу та магніту можна надати будь-яку форму. До негативних сторін досить низькі свідчення з усіх вимірів. Властивості подібного магніту нагадують сполучний матеріал.

Вибір магніту полягає в тому, навіщо він призначений. У наш час кожне з'єднання вже міцно закріпилося у своїй ніші на ринку та у виробництві. Для індивідуального використання слід підбирати мене дорогі сорти, які зберігають всі властивості в побутовому середовищі, а при масовому використанні вибирають компромісне поєднання або схиляються на користь якості, нехай і за завищеною ціною.

Кожен тримав у руках магніт і бавився їм у дитинстві. Магніти можуть бути різними за формою, розмірами, але всі магніти мають загальну властивість - вони притягують залізо. Схоже, що вони й самі зроблені із заліза, принаймні з якогось металу точно. Є, однак, і «чорні магніти» чи «камені», вони теж сильно притягують залізяки, і особливо один одного.

Але на метал вони не схожі, легко б'ються як скляні. У господарстві магнітів знаходиться безліч корисних справ, наприклад, зручно за допомогою «пришпилювати» паперові листи до залізних поверхонь. Магнітом зручно збирати втрачені голки, тож, як ми бачимо, це зовсім недаремна річ.

Наука 2.0 - Великий стрибок - Магніти

Магніт у минулому

Ще давні китайці більше 2000 років тому знали про магніти, принаймні те, що це явище можна використовувати для вибору напрямку подорожей. Тобто вигадали компас. Філософи в Стародавній Греції, люди цікаві, збираючи різні дивовижні факти, зіткнулися з магнітами на околицях міста Магнесса в Малій Азії. Там і виявили дивне каміння, яке могло притягувати залізо. На той час це було не менш дивним, ніж могли б стати в наш час інопланетяни.

Ще дивовижнішим здавалося, що магніти притягують далеко ще не всі метали, лише залізо, і саме залізо здатне ставати магнітом, хоча й таким сильним. Можна сміливо сказати, що магніт притягував як залізо, а й цікавість вчених, і сильно рухав вперед таку науку, як фізика. Фалес з Мілета писав про «душу магніту», а римлянин Тіт Лукрецій Кар – про «бурхливий рух залізної тирси та кілець», у своєму творі «Про природу речей». Вже міг помітити наявність двох полюсів у магніту, які потім, коли компасом почали користуватися моряки, отримали назви на честь сторін світла.

Що таке магніт Простими словами. Магнітне поле

За магніт взялися всерйоз

Природу магнітів тривалий час було неможливо пояснити. За допомогою магнітів відкривали нові континенти (моряки досі відносяться до компасу з величезною повагою), але про саму природу магнетизму, як і раніше, ніхто нічого не знав. Роботи велися лише з удосконалення компасу, чим займався ще географ і мореплавець Христофор Колумб.

В 1820 датський вчений Ганс Христиан Ерстед зробив найважливіше відкриття. Він встановив дію дроту з електричним струмом на магнітну стрілку, і як вчений з'ясував дослідами, як це відбувається в різних умовах. У тому ж році французький фізик Анрі Ампер виступив із гіпотезою про елементарні кругові струми, що протікають у молекулах магнітної речовини. У 1831-му році англієць Майкл Фарадей за допомогою котушки з ізольованого дроту та магніту проводить досліди, що показують, що механічну роботу можна перетворити на електричний струм. Він же встановлює закон електромагнітної індукції та вводить в обіг поняття «магнітне поле».

Закон Фарадея встановлює правило: для замкнутого контуру електрорушійна сила дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що проходить через цей контур. На цьому принципі працюють усі електричні машини – генератори, електродвигуни, трансформатори.

У 1873 році шотландський вчений Джеймс К. Максвелл зводить магнітні та електричні явища в одну теорію, класичну електродинаміку.

Речовини, здатні намагнічуватись, отримали назву феромагнетиків. Ця назва пов'язує магніти із залізом, але крім нього, здатність до намагнічування виявляється ще у нікелю, кобальту, та деяких інших металів. Оскільки магнітне поле вже перейшло в сферу практичного використання, то й магнітні матеріали стали предметом великої уваги.

Почалися експерименти зі сплавами з магнітних металів та різними добавками в них. Коштували одержувані матеріали дуже дорого, і якби Вернер Сіменс не спала на думку ідея замінити магніт сталлю, що намагнічується порівняно невеликим струмом, то світ так би і не побачив електричного трамвая і компанії Siemens. Сіменс займався ще телеграфними апаратами, але тут у нього було багато конкурентів, а електричний трамвай дав фірмі багато грошей, і, зрештою, потяг за собою все інше.

Електромагнітна індукція

Основні величини, пов'язані з магнітами у техніці

Ми будемо цікавитися в основному магнітами, тобто феромагнетиками, і залишимо трохи осторонь іншу, дуже велику область магнітних (краще сказати, електромагнітних, на згадку про Максвелла) явищ. Одиницями вимірювань у нас будуть ті, що прийняті в СІ (кілограм, метр, секунда, ампер) та їх похідні:

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

Ця величина характеризує напруженість поля між паралельними провідниками, відстань між якими 1 м, і струм 1 А, що протікає по них. Напруженість поля є векторною величиною.

l Магнітна індукція, B, Тесла, щільність магнітного потоку (Вебер/м.кв.)

Це ставлення струму через провідник до довжини кола, у тому радіусі, у якому нас цікавить величина індукції. Коло лежить у площині, яку провід перетинає перпендикулярно. Сюди входить ще множник, який називається магнітною проникністю. Це — векторна величина. Якщо подумки дивитися в торець дроту і вважати, що струм тече в напрямку від нас, то магнітні силові кола обертаються за годинниковою стрілкою, а вектор індукції прикладений до дотичної і збігається з ними у напрямку.

l Магнітна проникність, μ (відносна величина)

Якщо прийняти магнітну проникність вакууму за 1, то інших матеріалів ми отримаємо відповідні величини. Так, наприклад, для повітря ми отримаємо величину, практично таку, як і для вакууму. Для заліза ми отримаємо значно більші величини, так що можна образно (і дуже точно) говорити, що залізо «втягує» в себе силові магнітні лінії. Якщо напруженість поля в котушці без сердечника дорівнюватиме H, то з осердям ми отримуємо μH.

l Коерцитивна сила, А/м.

Коерцитивна сила показує, наскільки магнітний матеріал пручається розмагнічування та перемагнічування. Якщо струм у котушці зовсім прибрати, то в осерді буде залишкова індукція. Щоб зробити її рівною нулю, потрібно створити поле певної напруженості, але зворотного, тобто пустити струм у зворотному напрямку. Ця напруженість і називається коерцитивною силою.

Оскільки магніти на практиці завжди використовуються в якомусь зв'язку з електрикою, то не варто дивуватися з того, що для опису їх властивостей використовується така електрична величина, як ампер.

Зі сказаного випливає можливість, наприклад, цвяхом, на який подіяли магнітом, самому стати магнітом, хоча й слабшим. На практиці виходить, що навіть діти, які бавляться магнітами, про це знають.

До магнітів у техніці висувають різні вимоги, залежно від того, куди йдуть ці матеріали. Феромагнітні матеріали діляться на «м'які» та «жорсткі». Перші йдуть виготовлення серцевиків для приладів, де магнітний потік постійний чи змінний. Гарного самостійного магніту з м'яких матеріалів не зробиш. Вони надто легко розмагнічуються і тут це якраз їхня цінна властивість, оскільки реле має «відпустити» якщо струм вимкнений, а електричний мотор не повинен грітися - на перемагнічування витрачається зайва енергія, яка виділяється у формі тепла.

ЯК ВИГЛЯДИТЬ МАГНІТНЕ ПОЛЕ НА САМІЙ СПРАВІ? Ігор Білецький

Постійні магніти, тобто ті, які називають магнітами, вимагають для свого виготовлення жорстких матеріалів. Жорсткість мається на увазі магнітна, тобто велика залишкова індукція та велика коерцитивна сила, оскільки, як ми бачили, ці величини тісно пов'язані між собою. На такі магніти йдуть вуглецеві, вольфрамові, хромисті та кобальтові сталі. Їхня коерцитивна сила досягає значень близько 6500 А/м.

Є особливі сплави, які називаються альні, альниси, альнико і безліч інших, як можна здогадатися в них входять алюміній, нікель, кремній, кобальт в різних поєднаннях, які мають більшу коерцитивну силу - до 20000 ... 60000 А / м. Такий магніт не так просто відірвати від заліза.

Є магніти спеціально призначені для роботи на підвищеній частоті. Це багатьом відомий "круглий магніт". Його «добувають» з непридатного динаміка з колонки музичного центру, або автомагнітоли чи навіть телевізора минулих років. Цей магніт виготовлений шляхом спікання оксидів заліза та спеціальних добавок. Такий матеріал називається феритом, але не кожен ферит спеціально так намагнічується. А в динаміках його застосовують із міркувань зменшення марних втрат.

Магніти. Discovery. Як це працює?

Що відбувається усередині магніту?

Завдяки тому, що атоми речовини є своєрідними «згустками» електрики, вони можуть створювати своє магнітне поле, але тільки в деяких металів, що мають подібну атомну будову, ця здатність дуже виражена. І залізо, і кобальт, і нікель стоять у періодичній системі Менделєєва поруч, і мають схожі будови електронних оболонок, що перетворює атоми цих елементів на мікроскопічні магніти.

Оскільки метали можна назвати застиглою сумішшю різних кристалів дуже маленького розміру, то зрозуміло, що магнітних властивостей таких сплавів може бути дуже багато. Багато груп атомів можуть «розгортати» свої власні магніти під впливом сусідів та зовнішніх полів. Такі «спільноти» називаються магнітними доменами, і утворюють досить химерні структури, які досі цікаво вивчаються фізиками. Це має велике практичне значення.

Як мовилося раніше, магніти можуть мати майже атомні розміри, тому найменший розмір магнітного домену обмежується розміром кристала, у якому вбудовані атоми магнітного металу. Цим пояснюється, наприклад, майже фантастична щільність запису на сучасні жорсткі диски комп'ютерів, яка, мабуть, ще зростатиме, доки у дисків не з'являться більш серйозні конкуренти.

Гравітація, магнетизм та електрика

Де використовуються магніти?

Сердечники яких є магнітами з магнітів, хоча зазвичай називають просто сердечниками, магніти знаходять ще безліч застосувань. Є канцелярські магніти, магніти для клацання меблевих дверей, магніти в шахах для мандрівників. Це відомі всім магніти.

До рідкісних видів відносяться магніти для прискорювачів заряджених частинок, це дуже значні споруди, які можуть важити десятки тонн і більше. Хоча зараз експериментальна фізика поросла травою, за винятком тієї частини, яка відразу приносить надприбутки на ринку, а сама майже нічого не варта.

Ще один цікавий магніт встановлений у медичному навороченому приладі, який називається магнітно-резонансним томографом. (Взагалі-то метод називається ЯМР, ядерний магнітний резонанс, але щоб не лякати народ, який у масі не сильний у фізиці, його перейменували.) Для приладу потрібно приміщення об'єкта (пацієнта), що спостерігається, в сильне магнітне поле, і відповідний магніт має жахливі розміри та форму диявольської труни.

Людину кладуть на кушетку, і прокочують через тунель у цьому магніті, поки датчики сканують місце, яке цікавить лікарів. Загалом нічого страшного, але в деяких клаустрофобія доходить до ступеня паніки. Такі охоче дадуть себе різати живцем, але не погодяться на обстеження МРТ. Втім, хто знає, як людина почувається у надзвичайно сильному магнітному полі з індукцією до 3 Тесла, після того, як заплатила за це хороші гроші.

Щоб отримати таке сильне поле часто використовують надпровідність, охолоджуючи котушку магніту рідким воднем. Це дає можливість "накачувати" поле без побоювань, що нагрівання дротів сильним струмом обмежить можливості магніту. Це дуже дорога установка. Але магніти зі спеціальних сплавів, які не вимагають підмагнічування струмом, коштують значно дорожче.

Наша Земля теж є великим, хоч і не дуже сильним магнітом. Він допомагає не лише власникам магнітного компасу, а й рятує нас від загибелі. Без нього ми були б убиті сонячною радіацією. Картина магнітного поля Землі, змодельована комп'ютерами за даними спостережень із космосу, виглядає дуже переконливо.

Ось невелика відповідь на питання про те, що таке магніт у фізиці та техніці.