Постоянный магнит

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 H_d, которое уменьшает индукцию внутри магнита до значения B_d. Величина B_d определяет напряженность создаваемого магнитного поля в воздушном зазоре постоянного магнита. Она зависит от формы постоянного магнита, коэрцитивной силы Н_с 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 H_c и остаточная магнитная индукция B_r материала, то есть чем более магнитотвердым является материал, тем лучше он подходит для постоянного магнита. Индукция в постоянном магните может равняться наибольшей остаточной индукции B_r лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод.

Важнейшее требование к постоянному магниту состоит в том, чтобы получить максимальную магнитную энергию Э_о в рабочем зазоре, которая равна:

Э_о = B_d^.H_d^.V_d/2, где V_d — объем магнита.

Удельная (отнесенная к единице объема магнита) магнитная энергия в воздушном зазоре определяется положением рабочей точки на кривой размагничивания:

Э_d = B_d^.H_d/2.

Чем меньше длина магнита и относительно больше зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше B_d. При замкнутом магните энергия равна нулю, так как в этом случае H_d = 0. Если зазор между полюсами магнита очень велик, то энергия также стремится к нулю, потому что в этом случае B_d = 0.

Действие постоянного магнита наиболее эффективно, т. е. внешнее поле, создаваемое постоянным магнитом, обладает наибольшей магнитной энергией, если рабочая точка магнита имеет координаты B_d и H_d, и состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)_max. В этом случае магнитная энергия единицы объема материала достигает своего максимального значения W_м. Максимальная энергия W_м в воздушном зазоре тем больше, чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала γ (γ = (BH)_max^. /2B_r H_c.

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 B_d уменьшается. Помимо магнитного старения в постоянных магнитах имеют место обратимые температурные изменения B_d, связанные с температурной зависимостью спонтанной намагниченности магнитного материала.