Постоянный магнит

Постоя́нный магни́т, изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.
Магниты [греч. magnetis, от Magnetis Lithos, — камень из Магнесии (древний город в Малой Азии)] бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы. Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты(см. Магнитосфера), так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.
В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения. Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.
Различные части постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, называются полюсами магнита, а средняя часть, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита. Искусственные магниты в виде полосы или подковы всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно намагнитить кусок стали таким образом, что он будет иметь 4, 6 и более полюсов, разделенных нейтральными зонами, при этом число полюсов всегда остается четным. Невозможно получить магнит с одним полюсом.. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы.
Уединенный магнит в виде длинного и тонкого стержня называют магнитной стрелкой. Конец укрепленной на острие или подвешенной магнитной стрелки — простейший компас, указывает географический север Земли, и называется северным полюсом (N) магнита, противоположный полюс магнита, указывает на юг, и называется южным полюсом (S).
Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.
Магнитные цепи, включающие постоянные магниты, должны быть разомкнутыми, т. е. иметь воздушный зазор. Если постоянный магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера.
Когда постоянный магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например между полюсами подковообразного магнита, воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) постоянного магнита. При наличии зазора за счет свободных полюсов создается внутренне размагничивающее поле Hd, которое уменьшает индукцию внутри магнита до значения Bd. Величина Bd определяет напряженность создаваемого магнитного поля в воздушном зазоре постоянного магнита. Она зависит от формы постоянного магнита, коэрцитивной силы Нс материала и формы кривой размагничивания. Положение рабочей точки, характеризующей состояние магнитного материала, зависит от величины зазора и определяется конфигурацией постоянного магнита.
Таким образом, характеристики постоянного магнита определяются его формой и свойствами материала, из которого он изготовлен. В свою очередь, свойства магнитотвердых материалов характеризуются кривой размагничивания, которая является участком предельной гистерезисной петли. Чем больше коэрцитивная сила Hc и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитотвердым является материал, тем лучше он подходит для постоянного магнита. Индукция в постоянном магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод.
Важнейшее требование к постоянному магниту состоит в том, чтобы получить максимальную магнитную энергию Эо в рабочем зазоре, которая равна:
Эо = Bd.Hd.Vd/2, где Vd — объем магнита.
Удельная (отнесенная к единице объема магнита) магнитная энергия в воздушном зазоре определяется положением рабочей точки на кривой размагничивания:
Эd = Bd.Hd/2.
Чем меньше длина магнита и относительно больше зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше Bd. При замкнутом магните энергия равна нулю, так как в этом случае Hd = 0. Если зазор между полюсами магнита очень велик, то энергия также стремится к нулю, потому что в этом случае Bd = 0.
Действие постоянного магнита наиболее эффективно, т. е. внешнее поле, создаваемое постоянным магнитом, обладает наибольшей магнитной энергией, если рабочая точка магнита имеет координаты Bd и Hd, и состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)max. В этом случае магнитная энергия единицы объема материала достигает своего максимального значения Wм. Максимальная энергия Wм в воздушном зазоре тем больше, чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала γ (γ = (BH)max. /2Br Hc.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик постоянного магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения. Однако со временем магнитные характеристики постоянных магнитов ухудшаются в результате структурного и магнитного старения. В результате остаточная магнитная индукция Bd уменьшается. Помимо магнитного старения в постоянных магнитах имеют место обратимые температурные изменения Bd, связанные с температурной зависимостью спонтанной намагниченности магнитного материала.
Статья находится в рубриках
Яндекс.Метрика