Permanentmagnete – Arten und Eigenschaften, Formen, Wechselwirkung von Magneten

Was ist ein Permanentmagnet?

Ein ferromagnetisches Produkt, das in der Lage ist, nach Entfernung des externen Magnetfelds eine erhebliche Restmagnetisierung beizubehalten, wird als Permanentmagnet bezeichnet.

Permanentmagnete werden aus verschiedenen Metallen wie Kobalt, Eisen, Nickel, Seltenerdlegierungen (für Neodym-Magnete) sowie natürlichen Mineralien wie Magnetiten hergestellt.

Der Anwendungsbereich von Permanentmagneten ist heute sehr vielfältig, doch ihr Zweck ist im Grunde überall derselbe – als Permanentmagnetfeldquelle ohne Stromversorgung… Ein Magnet ist also ein Körper, der sein eigenes hat Magnetfeld.

Das Wort „Magnet“ selbst kommt von der griechischen Phrase, die als übersetzt bedeutet „Stein aus Magnesia“, benannt nach der asiatischen Stadt, in der in der Antike Vorkommen von Magnetit – einem magnetischen Eisenerz – entdeckt wurden… Aus physikalischer Sicht ist ein Elementarmagnet ein Elektron, und die magnetischen Eigenschaften von Magneten werden normalerweise durch die magnetischen Momente der Elektronen bestimmt, aus denen das magnetisierte Material besteht.

Der Permanentmagnet ist ein Teil magnetische Systeme elektrischer Produkte… Permanentmagnetgeräte basieren im Allgemeinen auf der Energieumwandlung:

• mechanisch zu mechanisch (Trenner, magnetische Anschlüsse usw.);

• mechanisch bis elektromagnetisch (elektrische Generatoren, Lautsprecher usw.);

• elektromagnetisch bis mechanisch (Elektromotoren, Lautsprecher, magnetoelektrische Systeme usw.);

• mechanisch nach innen (Bremsgeräte etc.).

Für Permanentmagnete gelten folgende Anforderungen:

• hohe spezifische magnetische Energie;

• Mindestabmessungen für eine bestimmte Feldstärke;

• Aufrechterhaltung der Leistung über einen weiten Betriebstemperaturbereich;

• Beständigkeit gegenüber externen Magnetfeldern; - Technologie;

• niedrige Rohstoffkosten;

• Stabilität der magnetischen Parameter im Laufe der Zeit.

Die Vielfalt der Aufgaben, die mit Hilfe von Permanentmagneten gelöst werden können, erfordert die Schaffung vieler Formen ihrer Umsetzung. Permanentmagnete haben oft die Form eines Hufeisens (die sogenannten „Hufeisen“-Magnete).

Die Abbildung zeigt Beispiele für Formen industriell hergestellter Permanentmagnete auf Basis von Seltenerdelementen mit Schutzbeschichtung.

Kommerziell hergestellte Permanentmagnete in verschiedenen Formen: a – Scheibe; bringen; c – Parallelepiped; g – Zylinder; d – Kugel; e – Sektor eines Hohlzylinders

Magnete werden auch aus hartmagnetischen Metalllegierungen und Ferriten in Form von runden und rechteckigen Stäben sowie rohrförmig, C-förmig, hufeisenförmig, in Form von rechteckigen Platten usw. hergestellt.

Nachdem das Material geformt wurde, muss es magnetisiert, also in ein äußeres Magnetfeld gebracht werden, da die magnetischen Parameter von Permanentmagneten nicht nur durch ihre Form oder das Material, aus dem sie hergestellt sind, sondern auch durch die Richtung bestimmt werden Magnetisierung.

Die Magnetisierung der Werkstücke erfolgt mit Permanentmagneten, Gleichstrom-Elektromagneten oder Magnetisierungsspulen, die von Stromimpulsen durchflossen werden. Die Wahl der Magnetisierungsmethode hängt vom Material und der Form des Permanentmagneten ab.

Durch starke Erwärmung, Stöße können Permanentmagnete ihre magnetischen Eigenschaften teilweise oder vollständig verlieren (Entmagnetisierung).

Eigenschaften des Entmagnetisierungsabschnitts magnetische Hystereseschleifen Das Material, aus dem ein Permanentmagnet besteht, bestimmt die Eigenschaften eines bestimmten Permanentmagneten: Je höher die Koerzitivfeldstärke Hc und desto höher der Restwert magnetische Induktion Br – der stärkere und stabilere Magnet.

Zwangsgewalt (wörtlich aus dem Lateinischen übersetzt „Haltekraft“) – eine Kraft, die eine Änderung der magnetischen Polarisation verhindert Ferromagnete.

Solange der Ferromagnet nicht polarisiert ist, also die Elementarströme nicht ausgerichtet sind, verhindert die Koerzitivkraft die Ausrichtung der Elementarströme. Wenn der Ferromagnet jedoch bereits polarisiert ist, hält er die Elementarströme auch dann in einer ausgerichteten Position, wenn das äußere Magnetisierungsfeld entfernt wird.

Dies erklärt den Restmagnetismus, der bei vielen Ferromagneten auftritt. Je größer die Koerzitivkraft, desto stärker ist das Phänomen des Restmagnetismus.

So ist Zwangsgewalt magnetische Feldstärkezur vollständigen Entmagnetisierung eines ferro- oder ferrimagnetischen Stoffes erforderlich. Je stärker also die Koerzitivkraft eines bestimmten Magneten ist, desto widerstandsfähiger ist er gegenüber entmagnetisierenden Faktoren.

Eine Maßeinheit für die Koerzitivkraft im Nordosten — Ampere / Meter. A magnetische Induktion, wie Sie wissen, ist eine Vektorgröße, die eine für das Magnetfeld charakteristische Kraft ist. Der charakteristische Wert der magnetischen Restinduktion von Permanentmagneten liegt in der Größenordnung von 1 Tesla.

Magnetische Hysterese — Das Vorhandensein von Polarisationseffekten von Magneten führt dazu, dass die Magnetisierung und Entmagnetisierung des magnetischen Materials ungleichmäßig verläuft, da die Magnetisierung des Materials ständig etwas hinter dem Magnetisierungsfeld zurückbleibt.

In diesem Fall wird ein Teil der für die Magnetisierung des Körpers aufgewendeten Energie bei der Entmagnetisierung nicht zurückgegeben, sondern in Wärme umgewandelt. Daher ist eine wiederholte Ummagnetisierung des Materials mit spürbaren Energieverlusten verbunden und kann mitunter zu einer starken Erwärmung des magnetisierten Körpers führen.

Je ausgeprägter die Hysterese im Material ist, desto größer ist der Verlust bei der Ummagnetisierung. Daher werden für Magnetkreise mit wechselndem Magnetfluss Materialien verwendet, die keine Hysterese aufweisen (siehe – Magnetkerne elektrischer Geräte).

Die magnetischen Eigenschaften von Permanentmagneten können sich unter dem Einfluss von Zeit und äußeren Faktoren ändern, darunter:

• Temperatur;

• Magnetfelder;

• mechanische Belastungen;

• Strahlung usw.

Die Änderung der magnetischen Eigenschaften ist durch die Instabilität des Permanentmagneten gekennzeichnet, der strukturell oder magnetisch sein kann.

Strukturelle Instabilität ist mit Veränderungen der Kristallstruktur, Phasenumwandlungen, Abbau innerer Spannungen usw. verbunden. In diesem Fall können die ursprünglichen magnetischen Eigenschaften durch Wiederherstellung der Struktur (z. B. durch Wärmebehandlung des Materials) erhalten werden.

Magnetische Instabilität wird durch eine Änderung der magnetischen Struktur der magnetischen Substanz verursacht, die im Laufe der Zeit und unter dem Einfluss äußerer Einflüsse zum thermodynamischen Gleichgewicht tendiert. Magnetische Instabilität kann sein:

• reversibel (Rückkehr zum Ausgangszustand stellt die ursprünglichen magnetischen Eigenschaften wieder her);

• irreversibel (die Wiederherstellung der ursprünglichen Eigenschaften kann nur durch wiederholte Magnetisierung erreicht werden).

Permanentmagnet oder Elektromagnet – was ist besser?

Die Verwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung eines permanenten Magnetfelds anstelle ihrer entsprechenden Elektromagnete ermöglicht Folgendes:

• um das Gewicht und die Größeneigenschaften der Produkte zu reduzieren;

• schließt den Einsatz zusätzlicher Energiequellen aus (was das Design von Produkten vereinfacht und die Kosten für deren Herstellung und Betrieb senkt);

• bieten eine nahezu unbegrenzte Zeit, um das Magnetfeld unter Arbeitsbedingungen aufrechtzuerhalten (abhängig vom verwendeten Material).

Die Nachteile von Permanentmagneten sind:

• Zerbrechlichkeit der bei ihrer Herstellung verwendeten Materialien (dies erschwert die mechanische Verarbeitung der Produkte);

• die Notwendigkeit eines Schutzes gegen den Einfluss von Feuchtigkeit und Schimmel (für Ferrite GOST 24063) sowie gegen den Einfluss hoher Luftfeuchtigkeit und Temperatur.

Arten und Eigenschaften von Permanentmagneten

Ferrit

Obwohl Ferritmagnete zerbrechlich sind, weisen sie eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, was sie zu den am häufigsten verwendeten und kostengünstigen Magneten macht. Diese Magnete bestehen aus einer Legierung aus Eisenoxid mit Barium- oder Strontiumferrit. Durch diese Zusammensetzung behält das Material seine magnetischen Eigenschaften in einem weiten Temperaturbereich – von -30 °C bis +270 °C.

Magnetische Produkte in Form von Ferritringen, -stäben und -hufeisen finden sowohl in der Industrie als auch im Alltag, in der Technik und Elektronik breite Anwendung. Sie werden in Lautsprechersystemen verwendet, in Generatoren, bei Gleichstrommotoren… In der Automobilindustrie werden Ferritmagnete in Anlassern, Fenstern, Kühlsystemen und Lüftern verbaut.

Ferritmagnete zeichnen sich durch eine Koerzitivfeldstärke von etwa 200 kA/m und eine magnetische Restinduktion von etwa 0,4 Tesla aus. Im Durchschnitt kann ein Ferritmagnet 10 bis 30 Jahre halten.

Alnico (Aluminium-Nickel-Kobalt)

Permanentmagnete auf Basis einer Legierung aus Aluminium, Nickel und Kobalt zeichnen sich durch eine unübertroffene Temperaturstabilität und Stabilität aus: Sie können ihre magnetischen Eigenschaften bei Temperaturen bis + 550 °C beibehalten, obwohl ihre Koerzitivfeldstärke relativ gering ist. Unter dem Einfluss eines relativ kleinen Magnetfeldes verlieren solche Magnete ihre ursprünglichen magnetischen Eigenschaften.

Urteilen Sie selbst: Eine typische Koerzitivkraft beträgt etwa 50 kA/m bei einer Restmagnetisierung von etwa 0,7 Tesla. Trotz dieser Eigenschaft sind Alnico-Magnete für einige wissenschaftliche Forschungen unverzichtbar.

Der typische Gehalt an Komponenten in Alnico-Legierungen mit hohen magnetischen Eigenschaften variiert innerhalb der folgenden Grenzen: Aluminium – von 7 bis 10 %, Nickel – von 12 bis 15 %, Kobalt – von 18 bis 40 % und von 3 bis 4 % Kupfer.

Je mehr Kobalt vorhanden ist, desto höher sind die Sättigungsinduktion und die magnetische Energie der Legierung. Zusätze in Form von 2 bis 8 % Titan und nur 1 % Niob tragen zur Erzielung einer höheren Koerzitivfeldstärke bei – bis zu 145 kA/m. Der Zusatz von 0,5 bis 1 % Silizium sorgt für isotrope magnetische Eigenschaften.

Samaria

Wenn Sie eine außergewöhnliche Beständigkeit gegen Korrosion, Oxidation und Temperaturen bis +350 °C benötigen, dann ist eine magnetische Legierung aus Samarium mit Kobalt genau das Richtige für Sie.

Ab einem bestimmten Preis sind Samarium-Kobalt-Magnete aufgrund des selteneren und teureren Metalls Kobalt teurer als Neodym-Magnete. Dennoch wird empfohlen, sie zu verwenden, wenn Mindestabmessungen und -gewichte der Endprodukte erforderlich sind.

Dies eignet sich am besten für Raumfahrzeuge, Luftfahrt- und Computertechnik, Miniatur-Elektromotoren und Magnetkupplungen, für Wearables und Geräte (Uhren, Kopfhörer, Mobiltelefone usw.).

Aufgrund seiner besonderen Korrosionsbeständigkeit werden Samarium-Magnete in der strategischen Entwicklung und bei militärischen Anwendungen eingesetzt. Elektromotoren, Generatoren, Hebeanlagen, Kraftfahrzeuge – ein starker Magnet aus Samarium-Kobalt-Legierung ist ideal für aggressive Umgebungen und schwierige Arbeitsbedingungen. Die Koerzitivkraft liegt in der Größenordnung von 700 kA/m mit einer magnetischen Restinduktion in der Größenordnung von 1 Tesla.

Neodym

Neodym-Magnete erfreuen sich heute großer Nachfrage und scheinen am vielversprechendsten zu sein. Mit der Neodym-Eisen-Bor-Legierung können Sie Supermagnete für eine Vielzahl von Anwendungen herstellen, von Schlössern und Spielzeug bis hin zu elektrischen Generatoren und leistungsstarken Hebemaschinen.

Eine hohe Koerzitivfeldstärke von ca. 1000 kA/m und eine Restmagnetisierung von ca. 1,1 Tesla ermöglichen die Aufrechterhaltung des Magneten über viele Jahre, 10 Jahre lang verliert ein Neodym-Magnet nur 1 % seiner Magnetisierung, wenn seine Temperatur unter Betriebsbedingungen nicht überschritten wird + 80 °C (bei einigen Marken bis + 200 °C). Daher gibt es nur zwei Nachteile von Neodym-Magneten: Zerbrechlichkeit und niedrige Betriebstemperatur.

Magnetoplasten

Das Magnetpulver bildet zusammen mit dem Bindemittel einen weichen, flexiblen und leichten Magneten. Verbindungskomponenten wie Vinyl, Gummi, Kunststoff oder Acryl ermöglichen die Herstellung von Magneten in verschiedenen Formen und Größen.

Die Magnetkraft ist natürlich geringer als bei reinem Magnetmaterial, aber manchmal sind solche Lösungen notwendig, um bestimmte ungewöhnliche Einsatzzwecke von Magneten zu erreichen: bei der Herstellung von Werbeartikeln, bei der Herstellung von ablösbaren Autoaufklebern sowie bei der Herstellung von verschiedene Schreibwaren und Souvenirs.

Wechselwirkung von Magneten

Wie die Pole von Magneten stoßen sie sich ab und im Gegensatz dazu ziehen sich die Pole an. Die Wechselwirkung von Magneten erklärt sich dadurch, dass jeder Magnet ein Magnetfeld besitzt und diese Magnetfelder miteinander interagieren. Was ist zum Beispiel der Grund für die Magnetisierung von Eisen?

Nach der Hypothese des französischen Wissenschaftlers Ampere gibt es im Inneren der Substanz elementare elektrische Ströme (Ampereströme), die durch die Bewegung von Elektronen um die Atomkerne und um ihre eigene Achse entstehen.

Elementare Magnetfelder entstehen durch die Bewegung von Elektronen.Und wenn ein Stück Eisen in ein äußeres Magnetfeld gebracht wird, dann sind alle elementaren Magnetfelder in diesem Eisen in einem äußeren Magnetfeld gleich ausgerichtet und bilden aus einem Stück Eisen ein eigenes Magnetfeld. Wenn also das angelegte äußere Magnetfeld stark genug wäre, würde das Eisenstück nach dem Ausschalten zu einem Permanentmagneten.

Wenn man die Form und Magnetisierung eines Permanentmagneten kennt, können die Berechnungen durch ein äquivalentes System elektrischer Magnetisierungsströme ersetzt werden. Ein solcher Ersatz ist sowohl bei der Berechnung der Eigenschaften des Magnetfeldes als auch bei der Berechnung der vom äußeren Feld auf den Magneten wirkenden Kräfte möglich.

Berechnen wir zum Beispiel die Wechselwirkungskraft zweier Permanentmagnete. Lassen Sie die Magnete die Form dünner Zylinder haben, ihre Radien werden mit r1 und r2 bezeichnet, die Dicken sind h1, h2, die Achsen der Magnete fallen zusammen, der Abstand zwischen den Magneten wird mit z bezeichnet, wir gehen davon aus ist viel größer als die Größe der Magnete.

Das Auftreten der Wechselwirkungskraft zwischen Magneten wird auf traditionelle Weise erklärt: Ein Magnet erzeugt ein Magnetfeld, das auf den zweiten Magneten einwirkt.

Um die Wechselwirkungskraft zu berechnen, ersetzen wir gedanklich die gleichmäßig magnetisierten Magnete J1 und J2 durch kreisförmige Ströme, die auf der Seitenfläche der Zylinder fließen. Die Stärken dieser Ströme werden durch die Magnetisierung der Magnete ausgedrückt und ihre Radien werden als gleich den Radien der Magnete angesehen.

Zerlegen wir den Induktionsvektor B des Magnetfelds, das vom ersten Magneten anstelle des zweiten erzeugt wird, in zwei Komponenten: axial, entlang der Achse des Magneten gerichtet, und radial, senkrecht dazu.

Um die auf den Ring wirkende Gesamtkraft zu berechnen, ist es notwendig, diese gedanklich in die kleinen Elemente Idl und Summe aufzuteilen Ampereauf jedes dieser Elemente einwirken.

Mit der Regel auf der linken Seite lässt sich leicht zeigen, dass die axiale Komponente des Magnetfelds Ampere-Kräfte erzeugt, die dazu neigen, den Ring zu dehnen (oder zu komprimieren) – die Vektorsumme dieser Kräfte ist Null.

Das Vorhandensein der radialen Komponente des Feldes führt zum Auftreten von Ampere-Kräften, die entlang der Achse der Magnete gerichtet sind, dh zu deren Anziehung oder Abstoßung. Es müssen noch die Ampere-Kräfte berechnet werden – das sind die Wechselwirkungskräfte zwischen den beiden Magneten.

Siehe auch:Der Einsatz von Permanentmagneten in der Elektrotechnik und Energie