Характеристики неодимовых магнитов. Неодимовые магниты свойства и характеристики

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.

Неодимовые магниты - это постоянные редкоземельные магниты, которые изготавливаются из сплавов на основе редкоземельных материалов,химическая формула Nd2Fe14B(неодим-железо-бор). Магниты из сплава NdFeBобладают наиболее высокими магнитными параметрами из всех постоянных магнитов, выпускаемых на сегодняшний день.

В настоящее время одно из самых перспективным направлением в производстве и продаже постоянных магнитов, является производство неодимовых магнитов. И эта популярность обусловлена следующим:

1) Магниты Nd2Fe14B обладают наиболее высокими магнитными параметрами Br, Нсв, Hcм, ВН

2) магниты NdFeB имеют преимущество в цене перед магнитами из сплава SmCo из-за отсутствия в сплаве NdFeB дорогого кобальта.

3) Nd(неодим) в составе сплава NdFeB может частично заменяться на другие редкоземельные металлы, например, (Dy) Диспрозий - химический элемент, лантаноид.

4) Способность работать без потерь магнитных характеристик в температурном диапазоне - 60 ...+ 240 градусов Цельсия, с точкой Кюри +310 градусов.

5) Возможность производить магниты из данного сплава практически любых форм и размеров (цилиндры, диски, кольца, шары, стержни, кубы и др.)

К недостаткам можно отнести хрупкость и коррозионную стойкость, которую легко устранить, покрытием магнитов защитными слоями меди, цинка, никеля, хрома никель-медь-эпоксидная смола,никель-медь-никель и др.

Технология изготовления и производство неодимовых магнитов

1). Плавка магнитного материала. Исходные компоненты магнитного материала сплавляются в вакуумной индукционной печи. В этот момент задаются магнитные характеристики материала.

2). Дробление и измельчение. Частицы магнитного материала подвергаются дроблению и размолу.

3). Прессование в магнитном поле. Из полученного порошка, методами прессования в магнитном поле, делают заготовки. На этой стадии задается направление магнитного поля, происходит выстраивание доменов.

4). Спекание магнитов. Магнитные заготовки спекают при температуре 1000°С — 1100°С, они проходят термообработку в инертной среде.

5). Шлифовка. Изделия проходят механическую шлифовку.

6). Намагничивание в установке импульсного магнитного поля. Полученные неодимовые магниты, помещают в намагничивающую установку с индукцией магнитного поля ~ 3 - 4 Тл.

7). Нанесение коррозионно-устойчивого покрытия для предотвращения коррозии.

Неодимовые магниты Nd2Fe14B характеристики:

Магнитная индукция В. Это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля “Сила магнита” Единицы измерения - Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ), 1 Тесла = 10 000 Гаусс.

Остаточная магнитная индукция Br. Это намагниченность, которую имеет магнитный материал при напряжённости внешнего магнитного поля, равной нулю. Единицы измерения - Тесла (в системе СИ) или Гаусс (в системе СГСЕ). Определяет насколько сильное магнитное поле (плотность потока) может производить магнит.

Коэрцитивная магнитная сила Hc. Данная величина характеризует сопротивляемость магнита к размагничиванию. Это величина внешнего магнитного поля, требуемого для полного размагничивания неодимового магнита, намагниченного до состояния насыщения. Чем больше коэрцитивная сила, тем "прочнее" магнитный материал удерживает остаточную намагниченность. Единицы измерения - Ампер/метр (в системе СИ) или Эрстед (в системе СГСЕ)

Магнитная энергия (BH)max. Полная плотность энергии, максимальное энергетическое произведение.Единицы измерения - МГауссЭрстед (в системе СГСЕ).Определяет, насколько сильным является неодимовый магнит. Чем больше данная величина, тем более мощным является магнит.

Температурный коэффициент остаточной магнитной индукции Tc of Br. Единицы измерения - процент на градус Цельсия. Определяет, насколько сильно магнитная индукция изменяется от температуры. Величина -0.20 означает, что если температура увеличится на 100 градусов Цельсия, магнитная индукция уменьшится на 20%.

Максимальная рабочая температура Tmax. Определяет предел температуры, при которой мощный магнит временно теряет часть своих магнитных свойств. При снижении температуры неодимовый магнит полностью восстанавливает все магнитные свойства. Единицы измерения - градус Цельсия.

Температура Кюри Tcur . Определяет предел температуры, при которой неодимовый магнит полностью размагничивается. При снижении температуры магнит не восстанавливает магнитные свойства. Если нагревается в пределах от Tmax до Tcur, при снижении температуры магнитные свойства восстанавливаются частично. Единицы измерения - градус Цельсия.

Класс	Остаточная магнитная индукция, милли Тесла (Кило Гаусс)	Коэрцитивная сила, Кило Ампер/метр (Кило Эрстед)	Магнитная энергия, кило Джоуль/м3 (Мега Гаусс-Эрстед)	Рабочая температура, градус Цельсия
N35	1170-1220 (11,7-12,2)	≥955 (≥12)	263-287 (33-36)	80
N38	1220-1250 (12,2-12,5)	≥955 (≥12)	287-310 (36-39)	80
N40	1250-1280 (12,5-12,8)	≥955 (≥12)	302-326 (38-41)	80
N42	1280-1320 (12,8-13,2)	≥955 (≥12)	318-342 (40-43)	80
N45	1320-1380 (13,2-13,8)	≥955 (≥12)	342-366 (43-46)	80
N48	1380-1420 (13,8-14,2)	≥876 (≥12)	366-390 (46-49)	80
N50	1400-1450 (14,0-14,5)	≥876 (≥11)	382-406 (48-51)	60
N52	1430-1480 (14,3-14,8)	≥876 (≥11)	398-422 (50-53)	60
33M	1130-1170 (11,3-11,7)	≥1114 (≥14)	247-263 (31-33)	100
35M	1170-1220 (11,7-12,2)	≥1114 (≥14)	263-287 (33-36)	100
38M	1220-1250 (12,2-12,5)	≥1114 (≥14)	287-310 (36-39)	100
40M	1250-1280 (12,5-12,8)	≥1114 (≥14)	302-326 (38-41)	100
42M	1280-1320 (12,8-13,2)	≥1114 (≥14)	318-342 (40-43)	100
45M	1320-1380 (13,2-13,8)	≥1114 (≥14)	342-366 (43-46)	100
48M	1380-1420 (13,8-14,3)	≥1114 (≥14)	366-390 (46-49)	100
50M	1400-1450 (14,0-14,5)	≥1114 (≥14)	382-406 (48-51)	100
30H	1080-1130 (10,8-11,3)	≥1353 (≥17)	223-247 (28-31)	120
33H	1130-1170 (11,3-11,7)	≥1353 (≥17)	247-271 (31-34)	120
35H	1170-1220 (11,7-12,2)	≥1353 (≥17)	263-287 (33-36)	120
38H	1220-1250 (12,2-12,5)	≥1353 (≥17)	287-310 (36-39)	120
40H	1250-1280 (12,5-12,8)	≥1353 (≥17)	302-326 (38-41)	120
42H	1280-1320 (12,8-13,2)	≥1353 (≥17)	318-342 (40-43)	120
45H	1320-1380 (13,2-13,8)	≥1353 (≥17)	326-358 (43-46)	120
48H	1380-1420 (13,8-14,3)	≥1353 (≥17)	366-390 (46-49)	120
30SH	1080-1130 (10,8-11,3)	≥1592 (≥20)	233-247 (28-31)	150
33SH	1130-1170 (11,3-11,7)	≥1592 (≥20)	247-271 (31-34)	150
35SH	1170-1220 (11,7-12,2)	≥1592 (≥20)	263-287 (33-36)	150
38SH	1220-1250 (12,2-12,5)	≥1592 (≥20)	287-310 (36-39)	150
40SH	1240-1280 (12,4-12,8)	≥1592 (≥20)	302-326 (38-41)	150
42SH	1280-1320 (12,8-13,2)	≥1592 (≥20)	318-342 (40-43)	150
45SH	1320-1380 (13,2-13,8)	≥1592 (≥20)	342-366 (43-46)	150
28UH	1020-1080 (10,2-10,8)	≥1990 (≥25)	207-231 (26-29)	180
30UH	1080-1130 (10,8-11,3)	≥1990 (≥25)	223-247 (28-31)	180
33UH	1130-1170 (11,3-11,7)	≥1990 (≥25)	247-271 (31-34)	180
35UH	1180-1220 (11,7-12,2)	≥1990 (≥25)	263-287 (33-36)	180
38UH	1220-1250 (12,2-12,5)	≥1990 (≥25)	287-310 (36-39)	180
40UH	1240-1280 (12,4-12,8)	≥1990 (≥25)	302-326 (38-41)	180
28EH	1040-1090 (10,4-10,9)	≥2388 (≥30)	207-231 (26-29)	200
30EH	1080-1130 (10,8-11,3)	≥2388 (≥30)	233-247 (28-31)	200
33EH	1130-1170 (11,3-11,7)	≥2388 (≥30)	247-271 (31-34)	200
35EH	1170-1220 (11,7-12,2)	≥2388 (≥30)	263-287 (33-36)	200
38EH	1220-1250 (12,2-12,5)	≥2388 (≥30)	287-310 (36-39)	200

Для того, что бы понять, насколько один магнит мощнее другого, необходимо значение остаточной магнитной индукции одного магнита разделить на значение остаточной магнитной индукции другого магнита.

Пример: неодимовый магнит N38 с В=1220 мТ и магнит N50 с В=1400 мТ, делим их магнитные индукции и получаем 1400/1220 = 1,14, т.е. магнит N50 «мощнее» магнита N38 на 14%, при условии, что линейные размеры магнитов одинаковые.

Цифры, обозначающие класс магнитов 30, 33, 35 ,38, 40, 42 и т.д., указывают на Магнитную Энергию, отвечающая за мощность магнитов (чем выше класс, тем сильнее магнит неодимовый), или «усилие на отрыв», т.е. сила, которую необходимо приложить к магниту, чтобы его оторвать от поверхности, к которой он примагничивается.

Наш магазин предлагает по выгодным ценам и удобным условиям.

Что такое постоянный магнит

Ферромагнитное изделие, способное сохранять значительную остаточную намагниченность после снятия внешнего магнитного поля, называется постоянным магнитом. Постоянные магниты изготавливают из различных металлов, таких как: кобальт, железо, никель, сплавы редкоземельных металлов (для неодимовых магнитов), а также из естественных минералов типа магнетитов.

Сфера применения постоянных магнитов сегодня очень широка, однако назначение их принципиально везде одно и то же - как источник постоянного магнитного поля без подвода электроэнергии. Таким образом, магнит - это тело, обладающее своим собственным .

Само же слово «магнит» происходит от греческого словосочетания, которое переводится как «камень из Магнесии», по названию азиатского города, где были в древности открыты залежи магнетита - магнитного железняка. С физической точки зрения элементарным магнитом является электрон, а магнитные свойства магнитов вообще обуславливаются магнитными моментами электронов, входящих в состав намагниченного материала.

Характеристики размагничивающего участка материала, из которого изготовлен постоянный магнит, определяют свойства того или иного постоянного магнита: чем выше коэрцитивная сила Нс, и чем выше остаточная магнитная индукция Вr – тем сильнее и стабильнее магнит.

Коэрцитивная сила (буквально в переводе с латинского - «удерживающая сила») - это , необходимого для полного размагничивания ферро- или ферримагнитного вещества. Таким образом, чем большей коэрцитивной силой обладает конкретный магнит, тем он устойчивее к размагничивающим факторам.

Единица измерения коэрцитивной силы - Ампер/метр. А , как известно, - это векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля. Характерное значение остаточной магнитной индукции постоянных магнитов - порядка 1 Тесла.

Виды и свойства постоянных магнитов

Ферритовые

Ферритовые магниты хоть и отличаются хрупкостью, но обладают хорошей коррозийной стойкостью, что при невысокой цене делает их наиболее распространенными. Такие магниты изготавливают из сплава оксида железа с ферритом бария или стронция. Данный состав позволяет материалу сохранять свои магнитные свойства в широком температурном диапазоне - от -30°C до +270°C.

Магнитные изделия в форме ферритовых колец, брусков и подков широко используются как в промышленности, так и в быту, в технике и электронике. Их используют в акустических системах, в генераторах, в . В автомобилестроении ферритовые магниты устанавливают в стартеры, в стеклоподъемники, в системы охлаждения и в вентиляторы.

Ферритовые магниты отличаются коэрцитивной силой порядка 200 кА/м и остаточной магнитной индукцией порядка 0,4 Тесла. В среднем, ферритовый магнит может прослужить от 10 до 30 лет.

Альнико (алюминий-никель-кобальт)

Постоянные магниты на основе сплава из алюминия, никеля и кобальта отличаются непревзойденной температурной устойчивостью и стабильностью: они способны сохранять свои магнитные свойства при температурах до +550°C, хотя коэрцитивная сила, характерная для них, относительно мала. Под действием относительно небольшого магнитного поля, такие магниты потеряют исходные магнитные свойства.

Посудите сами: типичная коэрцитивная сила порядка 50 кА/м при остаточной намагниченности порядка 0,7 Тесла. Однако несмотря на эту особенность, магниты альнико незаменимы для некоторых научных исследований.

Типичное содержание компонентов в сплавах альнико с высокими магнитными свойствами изменяется в следующих пределах: алюминий - от 7 до 10%, никель - от 12 до 15%, кобальт - от 18 до 40%, и от 3 до 4% меди.

Чем больше кобальта, тем выше индукция насыщения и магнитная энергия сплава. Добавки в виде от 2 до 8% титана и всего 1% ниобия способствуют получению большей коэрцитивной силы - до 145 кА/м. Добавка от 0,5 до 1% кремния обеспечивает изотропию магнитных свойств.

Самариевые

Если нужна исключительная устойчивость к коррозии, окислению и температуре до +350°C, то магнитный сплав самария с кобальтом - то что надо.

По стоимости самарий-кобальтовые магниты дороже неодимовых за счёт более дефицитного и дорогого металла - кобальта. Тем не менее, именно их целесообразно применять в случае необходимости иметь минимальные размеры и вес конечных изделий.

Наиболее целесообразно это в космических аппаратах, авиационной и компьютерной технике, миниатюрных электродвигателях и магнитных муфтах, в носимых приборах и устройствах (часах, наушниках, мобильных телефонах и т.д.)

Благодаря особой коррозийной стойкости, именно самариевые магниты применяются в стратегических разработках и военных приложениях. Электродвигатели, генераторы, подъемные системы, мототехника – сильный магнит из сплава самария-кобальта идеально подходит для агрессивных сред и сложных условий эксплуатации. Коэрцитивная сила порядка 700 кА/м при остаточной магнитной индукции порядка 1 Тесла.

Неодимовые

Неодимовые магниты на сегодняшний день очень востребованы и представляются наиболее перспективными. Сплав неодим-железо-бор позволяет создавать супермагниты для различных сфер, начиная с защелок и игрушек, заканчивая и мощными подъемными машинами.

Высокая коэрцитивная сила порядка 1000 кА/м и остаточная намагниченность порядка 1,1 Тесла, позволяют магниту сохраняться на протяжении многих лет, за 10 лет неодимовый магнит теряет лишь 1% своей намагниченности, если температура его в условиях эксплуатации не превышает +80°C (для некоторых марок до +200°C). Таким образом, лишь два недостатка есть у неодимовых магнитов - хрупкость и низкая рабочая температура.

Магнитный порошок вместе со связующим компонентом образует мягкий, гибкий и легкий магнит. Связующие компоненты, такие как винил, каучук, пластик или акрил позволяют получать магниты различных форм и размеров.

Магнитная сила, конечно, уступает чистому магнитному материалу, но иногда такие решения необходимы для достижения определенных необычных для магнитов целей: в производстве рекламной продукции, при изготовлении съемных наклеек на авто, а также в изготовлении различных канцелярских и сувенирных товаров.

Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются. Взаимодействие магнитов объясняется тем, что любой магнит имеет магнитное поле, и эти магнитные поля взаимодействуют между собой. В чем, например, причина намагничивания железа?

Согласно гипотезе французского ученого Ампера, внутри вещества существуют элементарные электрические токи (токи Ампера), которые образуются вследствие движения электронов вокруг ядер атомов и вокруг собственной оси.

При движении электронов возникают элементарные магнитные поля. И если кусок железа внести во внешнее магнитное поле, то все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле куска железа. Так, если приложенное внешнее магнитное поле было достаточно сильным, то после его отключения кусок железа станет постоянным магнитом.

Знание формы и намагниченности постоянного магнита позволяет для расчетов заменить его эквивалентной системой электрических токов намагничивания. Такая замена возможна как при расчете характеристик магнитного поля, так и при расчетах сил, действующих на магнит со стороны внешнего поля. Для примера проведем расчет силы взаимодействия двух постоянных магнитов.

Пусть магниты имеют форму тонких цилиндров, их радиусы обозначим r1 и r2, толщины h1, h2 , оси магнитов совпадают, расстояние между магнитами обозначим z, будем считать, что оно значительно больше размеров магнитов.

Возникновение силы взаимодействия между магнитами объясняется традиционным способом: один магнит создает магнитное поле, которое воздействует на второй магнит.

Для расчета силы взаимодействия мысленно заменим магниты с однородной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами, текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих токов выразим через намагниченности магнитов, а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов.

Разложим вектор индукции B магнитного поля, создаваемого первым магнитом в месте расположения второго на две составляющие: осевую, направленную вдоль оси магнита, и радиальную - перпендикулярную ей.

Для вычисления суммарной силы, действующей на кольцо, необходимо мысленно разбить его на малые элементы IΔl и просуммировать , действующие на каждые такой элемент.

Используя правило левой руки, легко показать, что осевая составляющая магнитного поля приводит к появлению сил Ампера, стремящихся растянуть (или сжать) кольцо – векторная сумма этих сил равна нулю.

Наличие радиальной составляющей поля приводит к возникновению сил Ампера, направленных вдоль оси магнитов, то есть к их притяжению или отталкиванию. Останется вычислить силы Ампера - это и будут силы взаимодействия между двумя магнитами.

Данная страница пока только на русском языке.

1. Магнетизм

2. Магнитное поле

3. Постоянный магнит

1. Магнетизм - форма взаимодействия движущихся электрических зарядов, осуществляемая на расстоянии посредством магнитного поля. , атомов и молекул, а в макроскопическом масштабе - электрический ток и постоянные магниты. Наряду с электричеством, магнетизм - одно из проявлений электромагнитного взаимодействия. Основной характеристикой магнитного поля является вектор индукции, совпадающий в вакууме с вектором напряженности магнитного поля.

Магнитный момент, магнитный дипольный момент - основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Магнитным моментом обладают элементарные частицы, атомные ядра, электронные оболочки атомов и молекул. Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина. Магнитный момент измеряется в А*м2 или Дж/Тл (СИ).

Формулы для вычисления магнитного момента
В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как
, где I - сила тока в контуре, S - площадь контура, n - единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.

где r - радиус-вектор проведенный из начала координат до элемента длины контура dl

где j - плотность тока в элементе объёма dV.

2. Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции B . В СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).

Магнитное поле - это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Можно также рассматривать магнитное поле, как релятивистскую составляющую электрического поля. Точнее, магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей и специальной теории относительности. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются свет и прочие электромагнитных волны.

Проявление магнитного поля
Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору v

где a - угол между направлением вектора скорости частицы v v и направлением вектора магнитного поля B

Также магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник будет называться силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действущих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

Взаимодействие двух магнитов
Наиболее часто встречаемое проявление магнитного поля - взаимодействие двух магнитов: подобные полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами, как взаимодействие между двумя монополями, но эта идея не приводит к правильному описанию явления.

Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь помещённый в неоднородное поле действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем.

Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается по формуле:

Сила, действующую на магнит со стороны неоднородного магнитного поля, может быть также определенна суммированием всех сил, действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

Энергию магнитного поля можно найти по формуле:

где: Ф - магнитный поток, I - ток, L - индуктивность катушки или витка с током.

3. Постоянный магнит - изделие различной формы из жёсткого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющие состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита.

Индукция постоянного магнита Bd не может превышать Br: равенство Bd = Br возможно лишь в том случае, если магнит представляет собой замкнутый магнитопровод, то есть не имеет воздушного промежутка, однако постоянные магниты, как правило, используются для создания магнитного поля в воздушном (или заполненном другой средой) зазоре, в этом случае Bd
Для производства постоянных магнитов используются четыре основных класса материалов:

керамические (ферриты)


неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB)


самарий-кобальт (SmCo)


альнико (Alnico)

Наиболее широко распространены ферритовые магниты.

Для применений при обычных температурах самые сильные постоянные магниты делаются из сплавов, содержащих неодим. Они используются в таких областях, как магнитно-резонансная томография, сервоприводы жёстких дисков и создание высококачественных динамиков.

Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет.

Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек - они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Так же в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.

Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое - с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются положительные и отрицательные полюса.

Сила притяжения постоянного магнита (или мощность постоянного магнита) зависит от множества параметров таких как.

Широко используются в электротехнике, машиностроении и многих других отраслях. Следует помнить, что свойства и характеристики неодимовых магнитов зависят от целого ряда факторов. Для их эффективного практического применения важно учитывать размер, форму и мощность изделий. Также следует предусмотреть и их слабые стороны, включая эксплуатационные ограничения по температуре. Только учитывая характеристики и классы неодимовых магнитов, удается подобрать оптимальные по цене и магнитной силе варианты изделий.

Как определить мощность неодимового магнита

Ключевая характеристика для магнита - его мощность. Этот параметр следует учитывать при выборе подходящих изделий для решения конкретных прикладных задач. Самый простой способ, как определить мощность неодимового магнита и его соответствие планируемому использованию – обратить внимание на такие параметры:

1) Сила сцепления. В описании магнитов указывают показатель усилия отрыва. По этой характеристике удается судить о массе объектов, которые могут удерживаться, а также о необходимом усилии для их отсоединения. Мощность неодимовых магнитов обычно указывают в килограммах и иногда в ньютонах.

2) Номер сплава. Свойства материала на основе соединения неодима, железа и бора зависят от дополнительных включений. На основе того, как показывает себя кривая размагничивания неодимовых магнитов при использовании определенного сплава, он получает свой конкретный номер. Например, N 38 или неодимовые магниты N 45 . Величина номера сплава напрямую пропорциональна усилию отрыва. Таким образом, по этому показателю можно судить про мощность неодимового магнита.

3) Индукция. Если планируется использование материала для решения сложных технических задач, то учета усилия отрыва или номера сплава будет недостаточно. Дополнительно должна быть известна индукция неодимового магнита. В частности, этот показатель имеет ключевое значение при выборе материалов для активации холловских датчиков или герконовых реле. Магнитная индукция неодимовых магнитов определяет силу и направленность поля в конкретной точке, находящейся возле магнита. Ее измерение выполняется в Гаусс и Тесла (1 Тесла=10 000 Гаусс).

Какие параметры определяют свойства неодимовых магнитов

1) Мощность неодимового магнита представляет собой важный, но не единственный показатель, по которому специалисты выбирают наиболее подходящие изделия. Существует еще целый ряд показателей, влияющий на то, как материал показывает себя в условиях реальной эксплуатации. В частности, учитываются такие характеристики неодимовых магнитов:

2) Магнитная энергия, измеряемая в кДж/м³, представляет собой показатель силы притяжения. Для удобства его могут указывать в кгс (килограмм-сила). При этом 1 кгс приблизительно равен 10 кДж/м³.

3) Остаточная индукция неодимовых магнитов выражает величину намагниченности материала, сохраняющуюся при отсутствии воздействия внешних магнитных полей.

4) Коэрцитивная сила является выражением показателя напряженности магнитного поля, которая обеспечивает размагничивание неодимовых магнитов. Эту характеристику важно учитывать, если планируется использовать изделие в непосредственной близости с сильными магнитными или электромагнитными полями.

Как грамотно выбрать мощный неодимовый магнит

В большинстве случаев для бытового использования хватает мощности самых простых и недорогих магнитов. Но в ситуации, когда на первое место выходит сила сцепления неодимовых магнитов следует учитывать определенные характеристики изделий и условия их использования:

1) Температура. Стандартные варианты сплава (N ) рассчитаны на применение при температуре до +80⁰C . При превышении этого значения неодимовый магнит характеристики притяжения теряет. Для использования в условиях высоких температур выбирают магниты M (до +100⁰C ) или H (до +120⁰C ). Для эксплуатации в экстремальных условиях подходят изделия с маркировкой EH (Extra High ). В этом случае характеристики неодимовых магнитов сохраняются даже при +200⁰C .

2) Площадь соприкосновения. Более высокой мощности сцепления при прочих равных параметрах изделий удается добиться за счет использования более плоских и широких поверхностей. Таким образом, сила сцепления неодимового магнита зависит от площади соприкосновения с целевой поверхностью.

3) Материал для взаимодействия. Лучших показателей усилия отрыва удается добиться при использовании чистого железа, но для сплавов сила удержания будет ниже прямо пропорционально объему и качеству примесей в них.

4) Качество поверхности. Для неодимовых магнитов характеристики соприкасающейся поверхности очень важны. Выемки и шероховатости приводят к уменьшению сцепления.

5) Угол соприкосновения. Бывает, что в сложных эксплуатационных условиях очень мощный магнит не может поднять объект, который заведомо легче допустимых значений. Такой результат является прямым следствием невозможности качественно зафиксировать поверхности перпендикулярно друг к другу и на полную использовать реальные характеристики силы сцепления неодимового магнита.