永磁體——磁鐵的類型和特性、​​形式、相互作用

什麼是永磁體

去除外磁場後仍能保持顯著剩磁的鐵磁性製品稱為永磁體。

永磁體由各種金屬製成，例如鈷、鐵、鎳、稀土合金（用於釹磁鐵）以及天然礦物（例如磁鐵礦）。

今天永磁體的應用範圍非常廣泛，但它們的用途在任何地方都基本相同—— 作為無需電源的永磁場源……因此磁鐵是一個物體，它有自己的 磁場.

“磁鐵”這個詞來自希臘語短語，翻譯為 “Stone of Magnesia”，以古代發現磁鐵礦（一種磁性鐵礦石）的亞洲城市命名……從物理學的角度來看，基本磁鐵就是電子，而磁鐵的磁性能通常由構成磁化材料的電子的磁矩決定。

永磁體是零件 電氣產品的磁性系統……永磁設備一般基於能量轉換：

• 機械對機械（分離器、磁性連接器等）；

• 機械到電磁（發電機、揚聲器等）；

• 電磁到機械（電動機、揚聲器、磁電系統等）；

• 機械到內部（制動裝置等）。

以下要求適用於永磁體：

• 高比磁能；

• 給定場強的最小尺寸；

• 在很寬的工作溫度範圍內保持性能；

• 抗外部磁場； - 技術;

• 原料成本低；

• 磁參數隨時間的穩定性。

借助永磁體解決的任務種類繁多，因此需要創建多種實施形式。永磁體的形狀通常像馬蹄鐵（所謂的“馬蹄形”磁鐵）。

該圖顯示了工業生產的帶有保護塗層的基於稀土元素的永磁體形式的示例。

商業生產的各種形狀的永磁體：a——圓盤；帶來; c——平行六面體； g——圓柱體； d——球； e — 空心圓柱的扇區

磁鐵也由硬磁性金屬合金和鐵氧體製成圓形和矩形棒狀，以及管狀、C 形、馬蹄形、矩形板等形式。

材料定型後，必須對其進行充磁，即置於外磁場中，因為永磁體的磁參數不僅取決於其形狀或製成材料，而且還取決於其磁化方向磁化。

使用電流脈衝通過的永磁體、直流電磁鐵或磁化線圈對工件進行磁化。充磁方式的選擇取決於永磁體的材料和形狀。

由於強烈的加熱、衝擊，永磁體可能會部分或完全失去其磁性（退磁）。

消磁部分的特點 磁滯迴線 製造永磁體的材料決定了特定永磁體的特性：矯頑力 Hc 越高，剩餘值越高 磁感應 Br——更強更穩定的磁鐵。

強制力 （直譯自拉丁語——“保持力”）——一種阻止磁極化變化的力 鐵磁體.

只要鐵磁體未被極化，即基本電流未定向，矯頑力就會阻止基本電流的定向。但是，當鐵磁體已經極化時，即使在外部磁場被移除後，它也會將基本電流保持在定向位置。

這解釋了在許多鐵磁體中看到的剩磁現象。矯頑力越大，剩磁現象越強。

所以強制力是 磁場強度鐵磁或亞鐵磁物質完全消磁所必需的。因此，某種磁鐵的矯頑力越大，它對退磁因素的抵抗力就越大。

矯頑力的計量單位 在東北 — 安培/米。 A 磁感應，如你所知，是一個矢量，它是磁場的力特徵。永磁體的剩餘磁感應強度的特徵值是 1 特斯拉的量級。

磁滯 - 磁鐵極化效應的存在導致磁性材料的磁化和退磁進行不均勻，因為材料的磁化始終略微滯後於磁場。

在這種情況下，用於磁化物體的部分能量在退磁過程中不會返回，而是轉化為熱量。因此，反復反轉材料的磁化與明顯的能量損失有關，有時會導致磁化體的強烈加熱。

材料中的滯後現象越明顯，當磁化反轉時材料中的損耗就越大。因此，沒有磁滯的材料被用於交變磁通磁路（見 - 電氣設備磁芯).

永磁體的磁性能會在時間和外部因素的影響下發生變化，其中包括：

• 溫度;

• 磁場;

• 機械負載；

• 輻射等

磁性能的變化表現為永磁體的不穩定性，可以是結構性的，也可以是磁性的。

結構不穩定性與晶體結構的變化、相變、內應力的降低等有關。在這種情況下，可以通過恢復結構（例如，通過對材料進行熱處理）來獲得原始的磁性。

磁不穩定性是由磁性物質的磁性結構發生變化引起的，隨著時間的推移和在外界影響的作用下趨於熱力學平衡。磁不穩定性可以是：

• 可逆的（返回到初始條件恢復原始磁性）；

• 不可逆（只有通過反复磁化才能恢復原來的屬性）。

永磁體或電磁體——哪個更好？

使用永磁體代替等效電磁鐵來產生永磁體可以：

• 減少產品的重量和尺寸特性；

• 排除使用額外的能源（這簡化了產品的設計，降低了其生產和運營成本）；

• 提供幾乎無限的時間來維持工作條件下的磁場（取決於所使用的材料）。

永磁體的缺點是：

• 其創作中使用的材料的脆弱性（這使產品的機械加工複雜化）；

• 需要保護免受水分和黴菌的影響（對於鐵氧體 GOST 24063），以及防止高濕度和高溫的影響。

永磁體的種類和性能

鐵氧體

鐵氧體磁鐵雖然易碎，但具有良好的耐腐蝕性，使其成為最常見且成本低的磁鐵。這些磁鐵由氧化鐵與鋇或鍶鐵氧體的合金製成。這種成分使材料能夠在很寬的溫度範圍內保持其磁性——從 -30°C 到 +270°C。

鐵氧體磁環、磁棒和馬蹄鐵形式的磁性產品廣泛應用於工業和日常生活、技術和電子領域。它們用於揚聲器系統， 在發電機中, 在直流電機中…在汽車工業中，鐵氧體磁鐵安裝在啟動器、窗戶、冷卻系統和風扇中。

鐵氧體磁鐵的特點是矯頑力約為 200 kA/m，剩餘磁感應強度約為 0.4 特斯拉。平均而言，鐵氧體磁鐵可以使用 10 到 30 年。

Alnico（鋁鎳鈷）

基於鋁、鎳和鈷合金的永磁體具有無與倫比的溫度穩定性和穩定性：它們能夠在高達 + 550°C 的溫度下保持其磁性，儘管它們的矯頑力相對較小。在比較小的磁場作用下，這樣的磁鐵就會失去原有的磁性。

自己判斷：典型的矯頑力約為 50 kA / m，剩磁約為 0.7 特斯拉。儘管有這個特點，但對於一些科學研究來說，鋁鎳鈷磁鐵是不可或缺的。

具有高磁性的鋁鎳鈷合金中的典型成分含量在以下範圍內變化：鋁 - 從 7 到 10%，鎳 - 從 12 到 15%，鈷 - 從 18 到 40%，以及從 3 到 4% 的銅。

鈷越多，合金的飽和感應和磁能越高。 2% 至 8% 的鈦和僅 1% 的鈮形式的添加劑有助於獲得更高的矯頑力——高達 145 kA / m。添加 0.5 至 1% 的矽可確保各向同性的磁性。

撒瑪利亞

如果您需要出色的耐腐蝕、耐氧化和高達 + 350 °C 的溫度，那麼您需要的是含鈷的釤磁性合金。

在一定的價格下，釤鈷磁鐵比釹磁鐵更貴，因為鈷更稀有也更貴。然而，如果需要最終產品的最小尺寸和重量，建議使用它們。

這最適用於航天器、航空和計算機技術、微型電動機和磁力耦合器、可穿戴設備和設備（手錶、耳機、手機等）

由於其特殊的耐腐蝕性，在戰略發展和軍事應用中使用的是釤磁鐵。電動機、發電機、起重系統、機動車輛 - 由釤鈷合金製成的強磁體是惡劣環境和惡劣工作條件的理想選擇。矯頑力為 700 kA/m 量級，剩磁感應強度為 1 特斯拉量級。

釹

如今，釹磁鐵的需求量很大，而且似乎是最有前途的。釹鐵硼合金可讓您製造適用於各種應用的超級磁鐵，從鎖具和玩具到發電機和強大的起重機械。

約 1000 kA/m 的高矯頑力和約 1.1 特斯拉的剩餘磁化強度使磁體可以保持多年，如果工作條件下的溫度不超過 10 年，釹磁鐵僅會失去其磁化強度的 1% + 80 ° C（某些品牌高達 + 200 ° C）。因此，釹磁鐵只有兩個缺點——易碎和工作溫度低。

磁性體

磁粉與粘合劑一起形成柔軟、有彈性、輕便的磁鐵。乙烯基、橡膠、塑料或亞克力等粘合成分使磁鐵可以製成各種形狀和尺寸。

磁力當然低於純磁性材料，但有時需要此類解決方案才能實現磁鐵的某些特殊用途：在廣告產品的生產中，在可移除汽車貼紙的生產中，以及在生產各種文具和紀念品。

磁鐵的相互作用

就像磁鐵的兩極相斥，不像兩極相吸。磁鐵相互作用的解釋是每個磁鐵都有一個磁場，並且這些磁場相互作用。例如，鐵的磁化原因是什麼？

根據法國科學家安培的假說，物質內部存在基本電流（安培電流), 這是由於電子圍繞原子核和它們自己的軸運動而形成的。

基本磁場產生於電子的運動。而如果將一塊鐵放入外磁場中，那麼這塊鐵中的所有基本磁場在外磁場中都以相同的方式定向，從而使一塊鐵形成自己的磁場。因此，如果施加的外部磁場足夠強，一旦將其關閉，鐵片就會變成永磁體。

了解永磁體的形狀和磁化強度可以用等效的電磁磁化電流系統代替計算。在計算磁場特性和計算外場作用在磁鐵上的力時，都可以進行這種替換。

例如，讓我們計算兩個永磁體的相互作用力。設磁體為細圓柱體，它們的半徑用 r1 和 r2 表示，厚度為 h1、h2，磁體的軸線重合，磁體之間的距離用 z 表示，我們假設它比磁鐵的尺寸大得多。

磁鐵之間相互作用力的出現以傳統方式解釋：一塊磁鐵產生作用於第二塊磁鐵的磁場。

為了計算相互作用力，我們在心裡用在圓柱體側面流動的圓形電流代替均勻磁化的磁鐵 J1 和 J2。這些電流的強度將根據磁鐵的磁化強度來表示，並且它們的半徑將被認為等於磁鐵的半徑。

讓我們將由第一個磁鐵代替第二個磁鐵產生的磁場的感應矢量 B 分解為兩個分量：軸向分量，沿磁鐵軸線方向，徑向分量，垂直於磁鐵軸線。

要計算作用在環上的總力，有必要在心裡把它分成小元素 Idl 和 sum 安培作用於每個這樣的元素。

使用左邊的規則，很容易證明磁場的軸向分量會產生傾向於拉伸（或壓縮）環的安培力——這些力的矢量和為零。

場的徑向分量的存在導致出現沿磁體軸方向的安培力，即導致它們的吸引或排斥。剩下的就是計算安培力——這將是兩個磁鐵之間的相互作用力。

也可以看看：永磁體在電氣工程和能源中的應用