Постійні магніти, їх опис і принцип дії

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

Традиційні матеріали для постійних магнітів

Вони стали активно використовуватися в промисловості, починаючи з 1940 року з появи сплаву алнико (AlNiCo). До цього постійні магніти з різних сортів сталі застосовувалися лише в компасах і магнето. Алнико зробив можливим заміну на них електромагнітів та їх застосування в таких пристроях, як двигуни, генератори і гучномовці. Це їх проникнення в наше повсякденне життя отримало новий імпульс із створенням феритових магнітів, і з тих пір 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 рідкоземельних магнітів на основі неодиму, заліза і бору з набагато більш високою щільністю магнітної енергії, ніж у самарій-кобальтових (SmCo) і з очікувано низькою вартістю. Ці дві сім'ї рідкоземельних магнітів мають такі високі щільності енергії, що вони не тільки можуть замінити електромагніти, але використовуватися в областях, недоступних для них. Прикладами можуть служити крихітний кроковий двигун на постійних магнітах в наручних годинниках і звукові перетворювачі в навушниках типу Walkman.




Поступове покращення магнітних властивостей матеріалів представлено на діаграмі нижче.

Неодимові магніти постійні

Вони являють новітнє і найбільш значне досягнення в цій області протягом останніх десятиліть. Вперше про їх відкриття було оголошено майже одночасно в кінці 1983 року фахівцями по металах компаній Sumitomo і General Motors. Вони засновані на интерметаллическом з'єднанні NdFeB: сплаві неодиму, заліза і бору. З них неодим є рідкоземельних елементом, який видобувається з мінералу моназита. Величезний інтерес, які викликали ці постійні магніти, виникає тому, що в перший раз був отриманий новий магнітний матеріал, який не тільки сильніше, ніж у попереднього покоління, але є більш економічним. Він складається в основному з заліза, яке набагато дешевше, ніж кобальт, і з неодиму, що є одним з найбільш поширених рідкоземельних матеріалів, запаси якого на Землі більше, ніж свинцю. У головних рідкоземельних мінералів моназите і бастанезите міститься в п'ять-десять разів більше неодиму, ніж самарію.

Фізичний механізм постійної намагніченості

Щоб пояснити функціонування постійного магніту, ми повинні заглянути всередину його до атомних масштабів. Кожен атом має набір спінів своїх електронів, які разом формують його магнітний момент. Для наших цілей ми можемо розглядати кожен атом як невеликий смуговий магніт. Коли постійний магніт розмагнічений (або шляхом нагрівання його до високої температури, або зовнішнім магнітним полем), кожен атомний момент орієнтований випадковим чином (см. рис. нижче) і ніякої регулярності не спостерігається. Коли ж він намагнічений в сильному магнітному полі, всі атомні моменти орієнтуються в напрямку поля і як би зчіплюються «у замок» один з одним (см. рис. нижче). Це зчеплення дозволяє зберегти полі постійного магніту при видаленні зовнішнього поля, а також чинити опір размагничиванию при зміні його напрямки. 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 мініатюрних (близько 0001 см) областях всередині магніту, спочатку володіють постійною намагніченістю, але орієнтованих при відсутності зовнішнього поля випадковим чином, так що суворий читач при бажанні може віднести вищевикладений фізичний механізм не до магніту в цілому. а до окремого його домену.

Індукція і намагніченість

Атомні моменти підсумовуються і утворюють магнітний момент всього постійного магніту, а його намагніченість M показує величину цього моменту на одиницю об'єму. Магнітна індукція B показує, що постійний магніт є результатом зовнішнього магнітного зусилля (напруженості поля) H, прикладається при первинному намагнічуванні, а також внутрішньої намагніченості M, зумовленою орієнтацією атомних (або доменних) моментів. Її величина в 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 (при відсутності зовнішнього поля) дорівнює нулю, так як за законом повного струму інтеграл від неї вздовж будь-колу всередині такого кільцевого осердя дорівнює: H•2R = iw=0 , звідки H=0. Отже, намагніченість в кільцевому магніті: M = B/µ 0 . В незамкнутому магніті, наприклад, в тому ж кільцевому, але з повітряним зазором шириною l заз в сердечнику довжиною l сер при відсутності зовнішнього поля і однаковою індукції B всередині сердечника і в зазорі за законом повного струму отримаємо: H сер l сер + (1/µ 0 )Bl заз = iw=0. Оскільки B = µ 0 (H сер + М сер ), то, підставляючи її вираз в попередній, отримаємо: H сер (l сер + l заз ) + М сер l заз =0 або H сер = - М сер l заз (l сер + l заз ). В повітряному зазорі: H заз = B/µ 0 , причому B визначається за заданою М сер і знайденої H сер .

Крива намагнічування

Починаючи з ненамагниченного стану, коли Н збільшується від нуля, внаслідок орієнтації всіх атомних моментів по напрямку зовнішнього поля швидко збільшуються М і B, змінюючись вздовж ділянки «а» основної кривої намагнічування (см. малюнок нижче). Коли вирівняні всі атомні моменти, М приходить до своїм значенням насичення, і подальше збільшення відбувається виключно за прикладеного поля (ділянка b основної кривої на рис. нижче). При зменшенні зовнішнього поля до нуля індукція В зменшується не за первісним шляху, а по ділянці «c» з-за зчеплення атомних моментів, прагне зберегти їх в тому ж напрямку. Крива намагнічування починає описувати так звану петлю гістерезису. Коли Н (зовнішнє поле) наближається до нуля, то індукція наближається до залишкової величиною, яка визначається тільки атомними моментами: В r = 0 (0 + М р ). Після того як напрям H змінюється, Н і М діють у протилежних напрямках, і B зменшується (ділянка кривій «d» на рис.). Значення поля, при якому зменшується до нуля, називається коерцитивною силою магніту B H C . Коли величина прикладеного поля є достатньо великою, щоб зламати зчеплення атомних моментів, вони орієнтуються в новому напрямком поля, а напрямок M змінюється на протилежне. Значення поля, при якій це відбувається, називається внутрішньою коерцитивною силою постійного магніту М Н C . Отже, є два різних, але пов'язаних коэрцитивних сили, пов'язаних з постійним магнітом. На малюнку нижче показані основні криві розмагнічування різних матеріалів для постійних магнітів. З нього видно, що найбільшою залишковою індукцією B r і коэрцитвербної силою (як повної, так і внутрішньої, тобто визначається без урахування напруженості H, тільки по намагніченості M) володіють саме NdFeB-магніти.

Поверхневі (амперовские) струми

Магнітні поля постійних магнітів можна розглядати як поля деяких пов'язаних з ними струмів, що протікають по їх поверхнях. Ці струми називають амперовскими. У звичайному сенсі 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 ж замкнуті контури. І дійсно, 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 (см. малюнок нижче).

Є струми всередині магніту?

Уявімо собі, що весь обсяг деякого стрижневого постійного магніту (з довільною формою поперечного перерізу) заповнений мікроскопічними амперовскими струмами. Поперечний розріз магніту з такими струмами показаний на малюнку нижче. Кожен з них володіє магнітним моментом. При однаковій орієнтації їх по напрямку зовнішнього поля вони утворюють результуючий магнітний момент, відмінний від нуля. Він і визначає існування магнітного поля при уявній відсутності упорядкованого руху зарядів, при відсутності струму через будь-який переріз магніту. Легко зрозуміти, що всередині нього струми суміжних (дотичних) контурів компенсуються. Нескомпенсированними виявляються тільки струми на поверхні тіла, що утворюють поверхневий струм постійного магніту. Щільність його виявляється рівною намагніченості M.

Як позбутися від 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 рухливі контакти – контактні кільця із щітками. Недоліки такого технічного рішення загальновідомі: це і труднощі в обслуговуванні, і низька надійність, і великі втрати в рухомих контактах, особливо якщо мова йде про потужні турбо - і гидрогенераторах, в ланцюгах порушення яких витрачається чимала електрична потужність. Якщо зробити такий генератор на постійних магнітах, то проблема контакту відразу ж іде. Щоправда, постає проблема надійного кріплення магнітів на обертовому роторі. Тут може стати в нагоді досвід, накопичений в тракторобудуванні. Там вже давно застосовується индукторний генератор на постійних магнітах, розташованих у пазах ротора, залитих легкоплавким сплавом.

Двигун на постійних магнітах

В останні десятиліття широке поширення одержали вентильні двигуни постійного струму. Такий агрегат являє собою власне електродвигун і електронний комутатор його обмотки якоря, що виконує функції колектора. Електродвигун являє собою синхронний двигун на постійних магнітах, розташованих на роторі, як і на рис. вище, з нерухомою обмоткою якоря на статорі. Електронний комутатор схемотехнически являє собою інвертор постійного напруги (або струму) живильної мережі. Основною перевагою такого двигуна є його безконтактність. Специфічним його елементом є фото-, індукційний або холловский датчик положення ротора, керуючий роботою інвертора.