Постоянные магниты, их описание и принцип действия

Наряду с электризующимися трением кусочками янтаря постоянные магниты были для древних людей первым материальным свидетельством электромагнитных явлений (молнии на заре истории определенно относили к сфере проявления нематериальных сил). Объяснение природы ферромагнетизма всегда занимало пытливые умы ученых, однако и в настоящее время физическая природа постоянной намагниченности некоторых веществ, как природных, так и искусственно созданных, еще не до конца раскрыта, оставляя немалое поле деятельности для современных и будущих исследователей.

Традиционные материалы для постоянных магнитов

Они стали активно использоваться в промышленности, начиная с 1940 года с появления сплава алнико (AlNiCo). До этого постоянные магниты из различных сортов стали применялись лишь в компасах и магнето. Алнико сделал возможным замену на них электромагнитов и применение их в таких устройствах, как двигатели, генераторы и громкоговорители.

Это их проникновение в нашу повседневную жизнь получило новый импульс с созданием ферритовых магнитов, и с тех пор постоянные магниты стали обычным явлением.

Революция в магнитных материалах началась около 1970 года, с созданием самарий-кобальтового семейства жестких магнитных материалов с доселе невиданной плотностью магнитной энергии. Затем было открыто новое поколение редкоземельных магнитов на основе неодима, железа и бора с гораздо более высокой плотностью магнитной энергии, чем у самарий-кобальтовых (SmCo) и с ожидаемо низкой стоимостью. Эти две семьи редкоземельных магнитов имеют такие высокие плотности энергии, что они не только могут заменить электромагниты, но использоваться в областях, недоступных для них. Примерами могут служить крошечный шаговый двигатель на постоянных магнитах в наручных часах и звуковые преобразователи в наушниках типа Walkman.

Постепенное улучшение магнитных свойств материалов представлено на диаграмме ниже.

Что такое магнит? Свойства и характеристики магнитов

Чтобы понять суть магнетизма и веществ, называемых магнитами, необходимо несколько углубиться в теорию электромагнитного взаимодействия и внутренней структуры твердых веществ. Физиками установлен основополагающий закон: «Вокруг любого движущегося электрического заряда возникает магнитное поле, а магнитное поле действует на любой движущийся заряд». Закон подтвержден экспериментально опытами Эрстеда и Ампера и ему подчиняются все электрические заряды — электроны, протоны, ионизированные атомы и молекулы.

Из курса школьной физики известно, что вся материя состоит из атомов и молекул, представляющих сложную структуру из нуклонов и вращающихся вокруг них электронов. То есть, в каждом физическом теле, независимо от его фазового состояния, находится огромное количество движущихся зарядов. Значит, должно возникать и магнитное поле. Почему же у одних веществ оно есть, у других его нет?

Почему вещества намагничиваются?

Дело в том, что движение электронов по орбитах носит хаотический характер, а магнитное поле имеет направленное действие. Если взять любой магнит, то у него легко заметить два полюса — северный и южный. Магниты взаимодействуют наподобие электрических зарядов «плюс» и «минус». Одноименные притягиваются, разноименные отталкиваются. Так же и магнитные полюса — северный притягивается к южному, но отталкивается от северного, и наоборот.

Внутри обычного вещества вокруг каждого атома возникают магнитные поля с определенной ориентацией силовых линий. Направление их такое же хаотичное, как и вращение электронов. Поля взаимно погашаются и вокруг массивного тела их нет.

Но есть ряд веществ, у которых значительная часть атомов выстраивается в определенном порядке. Атомы образуют пространственные структуры, домены, с ориентированным магнитным полем. Полюса доменов направлены в одну сторону, и вещество превращается в магнит на макроскопическом уровне. Что мы называем магнитом? Предмет, который может притягивать некоторые металлы, действовать на проводник с током, или другой магнит на расстоянии. Магнитное поле, как и электрическое, дистанционно. Для начала взаимодействия тела не должны касаться друг друга, а только находится вблизи. Величина расстояния различна — от нескольких миллиметров, до сотен и тысяч километров.

Виды магнитов

Неодимовые магниты обладают более сильным полем. Они производятся из сплава железа, неодима и бора. Отличаются небольшими размерами, но очень большой силой сцепления на близком расстоянии.

Электромагниты — класс веществ, у которых магнетизм проявляется только при прохождении тока по катушке, намотанной вокруг сердечника из этого материала. Это так называемые ферромагниты. Они отлично намагничиваются, но не сохраняют остаточного поля после отключения тока. Пример — стали Э1, Э2, Э3, Э4.

перейти к разделам

Связанные товары

Неодимовый магнит — пруток 5х25 мм

Диаметр, мм — 5 Высота, мм — 25 Допуск на размеры, мм — +/-0,1 Магнитные свойства: Br &gt…
36.00 р.

Неодимовый магнит диск 12х10 мм

Диаметр, мм — 12 Высота, мм — 10 Допуск на размеры, мм — +/-0,1 Магнитные свойства: Br &g…
91.00 р.

Неодимовый магнит диск 50х30 мм, N38

Диаметр, мм — 50 Высота, мм — 30 Допуск на размеры, мм — +/-0,1 Магнитные свойства: Br &g…
3 650.00 р.

Неодимовый магнит диск 50х30 мм, N42

Диаметр, мм — 50 Высота, мм — 30 Допуск на размеры, мм — +/-0,1 Магнитные свойства: Br &g…
3 700.00 р.

Неодимовые постоянные магниты

Они представляют новейшее и наиболее значительное достижение в этой области на протяжении последних десятилетий. Впервые об их открытии было объявлено почти одновременно в конце 1983 года специалистами по металлам компаний Sumitomo и General Motors. Они основаны на интерметаллическом соединении NdFeB: сплаве неодима, железа и бора. Из них неодим является редкоземельным элементом, добываемым из минерала моназита.

Огромный интерес, которые вызвали эти постоянные магниты, возникает потому, что в первый раз был получен новый магнитный материал, который не только сильнее, чем у предыдущего поколения, но является более экономичным. Он состоит в основном из железа, которое намного дешевле, чем кобальт, и из неодима, являющегося одним из наиболее распространенных редкоземельных материалов, запасы которого на Земле больше, чем свинца. В главных редкоземельных минералах моназите и бастанезите содержится в пять-десять раз больше неодима, чем самария.

Физический механизм постоянной намагниченности

Чтобы объяснить функционирование постоянного магнита, мы должны заглянуть внутрь его до атомных масштабов. Каждый атом имеет набор спинов своих электронов, которые вместе формируют его магнитный момент. Для наших целей мы можем рассматривать каждый атом как небольшой полосовой магнит. Когда постоянный магнит размагничен (либо путем нагрева его до высокой температуры, либо внешним магнитным полем), каждый атомный момент ориентирован случайным образом (см. рис. ниже) и никакой регулярности не наблюдается.

Когда же он намагничен в сильном магнитном поле, все атомные моменты ориентируются в направлении поля и как бы сцепляются «в замок» друг с другом (см. рис. ниже). Это сцепление позволяет сохранить поле постоянного магнита при удалении внешнего поля, а также сопротивляться размагничиванию при изменении его направления. Мерой силы сцепления атомных моментов является величина коэрцитивной силы магнита. Подробнее об этом позже.

При более глубоком изложении механизма намагничивания оперируют не понятиями атомных моментов, а используют представления о миниатюрных (порядка 0,001 см) областях внутри магнита, изначально обладающих постоянной намагниченностью, но ориентированных при отсутствии внешнего поля случайным образом, так что строгий читатель при желании может отнести вышеизложенный физический механизм не к магниту в целом. а к отдельному его домену.

Доклад №2

Магнит – это, как правило, твёрдое тело с собственным магнитным полем, притягивающее или отталкивающее другие тела. Простейшим магнитом считается электрон, хотя магнитными свойствами также обладают другие элементарные частицы (протон, нейтрон и т.д.).

Магниты принято делить на два типа:

• Магниты постоянные – натуральные железосодержащие ферромагнетики, которые можно найти в природе, или изделия из железа, кобальта, никеля и различных сплавов, обладающие собственным магнитным полем вне зависимости от воздействия внешних сил.
• Электромагниты – устройства, чьи магнитные свойства возникают благодаря протекающему через них электрическому току.

Также выделяют парамагнетики, например, алюминий, кислород, платина, которые слабо притягиваются к магниту. Диамагнетики (такие как висмут, серебро, медь, вода), наоборот, отталкиваются от магнита.

Судя по различным источникам, люди знакомы с явлением магнетизма, по меньшей мере, 4000 лет. Одним из первых открытых человеком материалов, притягивающим железо, был магнетит – руда магнитного железняка, известная ещё древним грекам. Древние индийцы и народы Средиземноморья могли использовать магниты для ориентации на местности, таким образом используя их взаимодействие с магнитным полем Земли. Около 2,5 тысяч лет назад китайцы изобрели первый известный нам компас.

Учёные начали изучать свойства магнитов лишь в средние века. Так, француз Петр Перегрин в 13 веке открыл полюса магнита, условно обозначенные как северный, из которого выходят силовые линии магнитного поля, и южный, в который эти линии входят. Полюса магнита невозможно разделить, однако благодаря им существует два вида магнитного взаимодействия – притяжение и отталкивание. В 16 веке Уильям Гилберт заявил, что сама Земля является магнитом. Наконец, в 19 веке Г.Х. Эрстед доказал наличие взаимодействия между электрическим током и магнитом, что открыло новую веху в развитии учения о магнетизме и электричестве. Позже его труды были продолжены Ампером, Фарадеем, Кельвином, Максвеллом, благодаря которым мы получили современное представление об электромагнитном взаимодействии – одной из пяти фундаментальных сил природы.

Без магнитов невозможна жизнь, поскольку именно магнитное поле Земли защищает нас от солнечной радиации. Человек не смог бы путешествовать и Они применяются повсюду – в носимых гаджетах, всевозможных датчиках, бытовых приборах, узлах транспортных средств, и даже в банкнотах и банковских картах.

8 класс по физике

Индукция и намагниченность

Атомные моменты суммируются и образуют магнитный момент всего постоянного магнита, а его намагниченность M показывает величину этого момента на единицу объема. Магнитная индукция B показывает, что постоянный магнит является результатом внешнего магнитного усилия (напряженности поля) H, прикладываемого при первичном намагничивании, а также внутренней намагниченности M, обусловленной ориентацией атомных (или доменных) моментов. Ее величина в общем случае задаётся формулой:

B = µ0 (H + M),

где µ0 является константой.

В постоянном кольцевом и однородном магните напряженность поля H внутри него (при отсутствии внешнего поля) равна нулю, так как по закону полного тока интеграл от нее вдоль любой окружности внутри такого кольцевого сердечника равен:

H∙2πR = iw=0 , откуда H=0.

Следовательно, намагниченность в кольцевом магните:

M= B/µ0.

В незамкнутом магните, например, в том же кольцевом, но с воздушным зазором шириной lзаз в сердечнике длиной lсер, при отсутствии внешнего поля и одинаковой индукции B внутри сердечника и в зазоре по закону полного тока получим:

Hсер l сер + (1/ µ0)Blзаз = iw=0.

Поскольку B = µ0(Hсер + Мсер), то, подставляя ее выражение в предыдущее, получим:

Hсер(l сер + lзаз) + Мсер lзаз=0,

или

Hсер = ─ Мсер lзаз(l сер + lзаз).

В воздушном зазоре:

Hзаз = B/µ0,

причем B определяется по заданной Мсер и найденной Hсер.

Исследование зависимости силы взаимодействия между магнитами

Исследование зависимости силы взаимодействия между магнитами

Введение

Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего городаМагнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.Постоянный магнит, изделие определенной формы (например, в виде подковы, полосы, стержня) из предварительно намагниченного материала, способного сохранять намагниченность после устранения намагничивающего поля.

Хотя магниты известны раньше электрических зарядов, объяснить природу взаимодействия магнитов смогли только в XIX веке, гораздо позже, чем взаимодействие электрических зарядов.

Вокруг магнитов существует магнитное поле. Графически его удобно показать при помощи силовых линий. М.Фарадей предложил для этих целей использовать железные опилки.

И в наше время магнитное поле еще не полностью изучено. Выдвигаются новые гипотезы, авторы которых пытаются объяснить его природу. Гигантским постоянным магнитом является Земля

Особенный интерес представляют магнитные поля нескольких магнитов. Я попытался определить, будет ли такое поле аналогично полю одного магнита или у него будут свои особенности.

Поэтому в своей работе я решил рассмотреть магнитные поля шарообразных магнитов.

Цели и задачи исследования:

• Проведение аналогии между магнитным и электрическими полями.
• Исследование магнитных полей шарообразных магнитов и их силовых характеристик.
• Определение силы взаимодействия шарообразных магнитов и ее зависимость от различных факторов.

Основным методом исследования в работе является физический эксперимент. В первой части работы я рассмотрел магнитные поля одного и нескольких магнитов, используя железные опилки. Во второй части мы изучили характеристики магнитного поля. При определении силы взаимодействия магнитов я применил свой метод измерения с использованием рычажных весов. На основании исследований я делал свои выводы, которые могли отличаться от теоретических.

Зависимость силы взаимодействия двух шарообразных магнитов от расстояния между ними

С увеличением расстояния между магнитами сила их взаимодействия уменьшается.

Основной сложностью является проведение измерения силы этого взаимодействия. Мы предложили воспользоваться для этих целей рычажными весами. Схема измерения приведена на рисунке 1.

Рис.1 Схема измерения силы взаимодействия между магнитами

Весы уравновешиваются, и на каждую чашку добавляется одинаковый шарообразный магнит. Под правую чашку помещается еще один магнит, который закрепляется. На левую чашку весов добавляются гири и, когда сила тяжести станет больше силы взаимодействия между магнитами справа, произойдет разрыв между правыми магнитами. Таким образом, сила взаимодействия между магнитами будет равна силе тяжести, которая действовала на левую чашку перед последним добавлением гирь. Минимальная масса гирь, которую мы использовали – 1 г. Следовательно, погрешность измерения силы будет примерно равна 0,01 Н. Это как минимум в 10 раз точнее школьного динамометра.

Расстояния между магнитами я увеличивал, добавляя между ними стеклянные пластины толщиной 1,85 мм (измерения проводилось при помощи микрометра).

Проводя измерения, я заметил, что чем больше магниты находятся в соприкосновении, тем больше сила их взаимодействия. То есть, можно предположить, что магниты дополнительно намагничивают друг друга, и для этого необходимо некоторое время. Нам пришлось провести повторные, более тщательные измерения.

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Значения силы взаимодействия между магнитами в зависимости от расстояния между ним

Зависимость силы взаимодействия от количества магнитов

Исследуем зависимость силы взаимодействия между магнитами от их количества. Измерение силы взаимодействия будем проводить тем же способом, что и в предыдущих опытах. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Значения силы взаимодействия между магнитами в зависимости от количества магнитов

По результатам опытов построим график.

График 2. Зависимость силы взаимодействия между магнитами от количества магнитов

С увеличением количества магнитов, увеличивается сила их взаимодействия. Но зависимость не пропорциональная. Этот факт я объясняю тем, что во взаимодействии участвуют с одной стороны один магнит, а с другой – система нескольких магнитов. С увеличением количества магнитов, увеличивается расстояние от центра системы магнитов до центра магнита, что приводит к уменьшению силы взаимодействия. Таким образом, общая сила взаимодействия с одной стороны увеличивается (увеличивается количество магнитов), с другой стороны уменьшается. При количестве магнитов больше пяти сила взаимодействия магнитов практически не изменяется. Изучая взаимодействие между магнитами разной формы, мы определили, что чем меньше расстояние между полюсами, тем сильнее будет данная зависимость.

Заключение

Подводя итоги работы можно сделать следующие выводы:

1. Силовые линии магнитного поля аналогичны силовым линиям электрического поля, созданного двумя разноименными зарядами.
2. Магнитное поле Земли аналогично магнитному полю шарообразного магнита, которое отличается от поля плоского магнита радиусом кривизны силовых линий.
3. Магнитное поле нескольких магнитов расположенных вдоль одной прямой отличается от магнитного поля одиночного магнита радиусом кривизны силовых линий и наличием областей, в которых суммарное магнитное поле равно нулю. Эти области расположены в центре магнитов и в местах соприкосновения магнитов. Общее количество таких мест равно 2N – 1, где N – количество магнитов. В целом системы нескольких магнитов ведет себя как один целый продолговатый магнит, за исключением центральной области, где поле имеет сложную структуру.
4. Если магниты замкнуть, то получим симметричное магнитное поле, число элементов симметрии которого равно 2N.
5. Ферромагнетики в магнитном поле становятся магнитами и вносят изменения в магнитное поле. При этом, если ферромагнетик касается одного из полюсов, он ведет себя как магнит с одним полюсом.
6. Измерение силы взаимодействия между магнитами удобно производить при помощи рычажных весов.
7. Чем больше магниты находятся в соприкосновении, тем больше сила их взаимодействия. Магниты дополнительно намагничивают друг друга, и для этого необходимо некоторое время. Наблюдается явление магнитного гистерезиса.
8. Сила взаимодействия между магнитами не аналогична электрическим и гравитационным взаимодействиям вида (где r – расстояние между взаимодействующими элементами). В нашей работе мы получили зависимость вида (k = 1,27∙10-8 Н∙м5). Однако на наш взгляд зависимость имеет еще более сложный характер.
9. Сила взаимодействия магнитов не пропорциональна количеству магнитов и практически не изменяется при количестве магнитов больше пяти, так как с увеличением количества магнитов, увеличивается расстояние от центра системы магнитов, что приводит к уменьшению силы взаимодействия. Общая сила взаимодействия с одной стороны увеличивается (увеличивается количество магнитов), с другой стороны уменьшается.

Кривая намагничивания

Начиная с ненамагниченного состояния, когда Н увеличивается от нуля, вследствие ориентации всех атомных моментов по направлению внешнего поля быстро увеличиваются М и B, изменяясь вдоль участка «а» основной кривой намагничивания (см. рисунок ниже).

Когда выровнены все атомные моменты, М приходит к своему значению насыщения, и дальнейшее увеличение В происходит исключительно из-за приложенного поля (участок b основной кривой на рис. ниже). При уменьшении внешнего поля до нуля индукция В уменьшается не по первоначальному пути, а по участку «c» из-за сцепления атомных моментов, стремящегося сохранить их в том же направлении. Кривая намагничивания начинает описывать так называемую петлю гистерезиса. Когда Н (внешнее поле) приближается к нулю, то индукция приближается к остаточной величине, определяемой только атомными моментами:

Вr = μ0 (0 + Мг).

После того как направление H изменяется, Н и М действуют в противоположных направлениях, и B уменьшается (участок кривой «d» на рис.). Значение поля, при котором В уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой магнита BHC. Когда величина приложенного поля является достаточно большой, чтобы сломать сцепление атомных моментов, они ориентируются в новом направлением поля, а направление M меняется на противоположное. Значение поля, при котором это происходит, называется внутренней коэрцитивной силой постоянного магнита МНC. Итак, есть две разных, но связанных коэрцитивных силы, связанных с постоянным магнитом.

На рисунке ниже показаны основные кривые размагничивания различных материалов для постоянных магнитов.

Поверхностные (амперовские) токи

Магнитные поля постоянных магнитов можно рассматривать как поля некоторых связанных с ними токов, протекающих по их поверхностям. Эти токи называют амперовскими. В обычном смысле слова токи внутри постоянных магнитов отсутствуют. Однако, сравнивая магнитные поля постоянных магнитов и поля токов в катушках, французский физик Ампер предположил, что намагниченность вещества можно объяснить протеканием микроскопических токов, образующих микроскопические же замкнутые контуры. И действительно, ведь аналогия между полем соленоида и длинного цилиндрического магнита почти полная: имеется северный и южный полюс постоянного магнита и такие же полюсы у соленоида, а картины силовых линий их полей также очень похожи (см. рисунок ниже).

Есть ли токи внутри магнита?

Представим себе, что весь объем некоторого стержневого постоянного магнита (с произвольной формой поперечного сечения) заполнен микроскопическими амперовскими токами. Поперечный разрез магнита с такими токами показан на рисунке ниже.

Каждый из них обладает магнитным моментом. При одинаковой ориентации их по направлению внешнего поля они образуют результирующий магнитный момент, отличный от нуля. Он и определяет существование магнитного поля при кажущемся отсутствии упорядоченного движения зарядов, при отсутствии тока через любое сечение магнита. Легко также понять, что внутри него токи смежных (соприкасающихся) контуров компенсируются. Нескомпенсированными оказываются только токи на поверхности тела, образующие поверхностный ток постоянного магнита. Плотность его оказывается равной намагниченности M.

Магнитное поле

Электроны, двигаясь вокруг атома, создают магнитное поле, при этом неся отрицательный заряд. При постоянном перемещении производится электрический ток. Магнитное поле появляется за счет движения тока, сила тока влияет на силу магнитного поля.

С учетом данной информации можно сделать вывод о наличии связи между магнетизмом и электричеством. В совокупности данное явление называется электромагнетизм.

Движение электронов вокруг ядра не единственная причина появления магнитного поля. Не в меньшей степени на него влияет движение атомов вокруг своей оси. Отдельные материалы обладают магнитным полем, в котором атомы подавляют друг друга, осуществляя хаотичное движение.

Предметы из металла обладают упорядоченными группами атомов, ориентированных в определенную сторону. Благодаря способности направлять атомы в заданном направлении и складывать магнитные поля, предметы из металла способны намагничиваться.

Как избавиться от подвижных контактов

Известна проблема создания бесконтактной синхронной машины. Традиционная ее конструкция с электромагнитным возбуждением от полюсов ротора с катушками предполагает подвод тока к ним через подвижные контакты – контактные кольца со щетками. Недостатки такого технического решения общеизвестны: это и трудности в обслуживании, и низкая надежность, и большие потери в подвижных контактах, особенно если речь идет о мощных турбо- и гидрогенераторах, в цепях возбуждения которых расходуется немалая электрическая мощность.

Если сделать такой генератор на постоянных магнитах, то проблема контакта сразу же уходит. Правда, появляется проблема надежного крепления магнитов на вращающемся роторе. Здесь может пригодиться опыт, накопленный в тракторостроении. Там уже давно применяется индукторный генератор на постоянных магнитах, расположенных в пазах ротора, залитых легкоплавким сплавом.

Двигатель на постоянных магнитах

В последние десятилетия широкое распространение получили вентильные двигатели постоянного тока. Такой агрегат представляет собой собственно электродвигатель и электронный коммутатор его обмотки якоря, выполняющий функции коллектора. Электродвигатель представляет собой синхронный двигатель на постоянных магнитах, расположенных на роторе, как и на рис. выше, с неподвижной обмоткой якоря на статоре. Электронный коммутатор схемотехнически представляет собой инвертор постоянного напряжения (или тока) питающей сети.

Основным преимуществом такого двигателя является его бесконтактность. Специфическим его элементом является фото-, индукционный или холловский датчик положения ротора, управляющий работой инвертора.

Сила и слабость постоянных магнитов

Поскольку электрический ток (его свойства) – следствие движения электрических зарядов, а последние перемещаются относительно других неподвижных зарядов, возникают различные электрические взаимодействия. Что же следует понимать под «чистым» электрическим током?
Чистым или нейтральным током можно, по всей видимости, назвать ситуацию, когда имеются условно удаленные от других заряды, состоящие из равного количества отрицательно и положительно заряженных частиц, одни из которых двигаются относительно других в преобладающем направлении. Именно взаимное движение зарядов противоположного знака друг относительно друга – и есть нейтральный ток. Другие варианты движения зарядов, допустим, с преобладанием зарядов одного знака, будут в своем роде производными от нейтрального тока и соответственно иметь некоторые особенности электрических взаимодействий.

Во многих ситуациях мы имеем дело далеко не с нейтральными токами, поскольку существуют как неравномерное распределение зарядов по длине проводников с током, так и скачки напряженности электрического поля на некоторых границах проводников (наличие вызывающего ток ЭДС и т. п.). Поэтому для изучения свойств нейтрального тока следует пользоваться либо кольцевым сверхпроводником с током, либо постоянными магнитами, которые в данном случае условно можно рассматривать как систему с кольцевым нейтральным током.

Кольцевые токи магнитов

Рассматривая постоянные магниты, как кольцевые нейтральные токи, можно сделать некоторые общие замечания. Электрический кольцевой ток поддерживается без внешней подпитки достаточно длительное время. Процесс протекания нейтрального тока не сопровождается тепловыделением или электромагнитными излучениями (просто поддерживается тепловой баланс с окружающей средой и телом постоянного магнита).

Несмотря на то что «магнитные» нейтральные кольцевые токи, будем считать, постоянны по величине, при взаимодействии магнитов между собой возникают ситуации, когда возможны как некоторые переходные процессы, так и взаимное влияние токов друг на друга. Другими словами, возникает явление электрической взаимной индукции.

Взаимная индукция двух контуров с током при наличии магнитной связи достаточно подробно описана в литературе. Известно, что энергия двух контуров с током, обладающих магнитной связью, отличается от суммы собственных энергий токов на величину взаимной энергии двух токов. Распространяя это правило на взаимодействие постоянных магнитов, можно сказать, что энергия системы магнитов отличается от суммарной энергии каждого магнита. Это понятно, поскольку при сближении или удалении магнитов происходит механическая работа.

Но так ли постоянны по величине эквивалентные круговые токи постоянных магнитов? Действительно, они представляют, упрощенно, сумму огромного числа элементарных молекулярных токов. Но в отличие от прочих материальных тел постоянный магнит имеет внешнее и внутреннее магнитное поле, которое «связывает» все элементарные токи, и каждый круговой ток реагирует на колебания остальных, как и они в свою очередь на его колебания. Другими словами, в постоянном магните все элементарные токи представляют как бы единый «организм», что и делает его собственно постоянным магнитом. Если разрушить данный «организм» и каждый элементарный ток начнет независимое «существование», магнитные свойства у данного объекта пропадают.

Вращение – залог эффективности

В группе из трех магнитов средний магнит «модулирует» суммарное магнитное поле всех трех магнитов. Причем максимум плотности смещается в одну сторону, а с противоположной стороны магнитное поле практически отсутствует. При изменении магнитной силы среднего магнита происходит плавное изменение суммарного поля, причем плотность магнитного потока как бы перемещается на другую сторону.

Что в конечном итоге это дает? Поскольку средний магнит можно просто вращать, будет происходить и перемещение максимума плотности суммарного магнитного потока по кругу, равное частоте вращения среднего магнита. Другими словами, один средний магнит может управлять суммарным полем, которое складывается из силы трех магнитов. Причем при вращении среднего магнита не происходит изменения суммарной энергии магнитного поля, т. е. вращение среднего магнита происходит без затрат энергии.

Вращающийся или меняющий свое направление максимум магнитного потока можно использовать в различных устройствах – начиная от простейших вариантов насосов и заканчивая двигателями или генераторами. Все устройства будут отличаться высокой эффективностью и низким энергопотреблением.

Конечно, вращение среднего постоянного магнита – не единственный вариант практического использования группы из трех постоянных магнитов в генераторах или двигателях. Данный средний магнит можно заменить на электромагнит, через обмотку которого пропускают переменный ток различной формы (в зависимости от назначения или конструкции).

Наибольший интерес представляет использование этого эффекта в двух видах двигателей: с линейным возвратно-поступательным движением и вращательных. Момент вращения таких двигателей может достигать значительных величин при относительно небольших рабочих оборотах.

Где можно использовать постоянные магниты?

Одной из особенностей двигателей с активным использованием постоянных магнитов является возможность использования электрического резонанса. Поскольку управляющий электромагнит периодически меняет полярность, т. е. питается переменным током, от частоты которого зависят обороты (в случае вращательного двигателя) в соотношении 1 / К, где К – число полюсов, электромагниты можно включить в состав колебательного контура с емкостью. Соединение электромагнитов может быть последовательное, параллельное или комбинированное, а емкость подбирается по резонансу на рабочей частоте двигателя, при этом среднее значение тока, проходящего через электромагниты, будет большим, а внешняя подпитка по току будет компенсировать в основном активные потери.

Данный режим работы будет наиболее привлекательным с точки зрения экономичности, а двигатель, в котором он используется, будет называться магнитно-резонансный шаговый. Обороты двигателя в этом случае практически не зависят от нагрузки и определяются частотой электрического резонанса, разделенного на число полюсов, несмотря на увеличение потребляемого тока при увеличении нагрузки. С целью повышения рабочих оборотов возможно применение многофазных схем питания электромагнитов двигателей. Среднее ожидаемое снижение потребляемой электрической энергии данными магнитно-резонансными шаговыми двигателями может достигать 60‑75 % по сравнению с обычными электрическими двигателями. Подобные двигатели отличаются большим моментом вращения, достаточно жесткой нагрузочной характеристикой, стабильной частотой вращения, высокой надежностью (якорь не имеет токонесущих элементов), отсутствием подвижных контактов и искрения и т. п., поэтому область их применения будет иметь свои особенности.

Несмотря на это, они могут превосходить по некоторым параметрам как трехфазные асинхронные и синхронные машины, так и коллекторные двигатели постоянного тока. Одно из основных преимуществ – низкое энергопотребление.

Генератор с повышенным КПД

Применение постоянных магнитов эффективно, например, в конструкции электрического генератора с неподвижным ротором. Достоинство подобных генераторов – отсутствие подвижных частей, высокая надежность, экономичность, простота конструкции. Применение магнитных материалов с особыми свойствами позволит получить еще большую экономичность. Среднее сокращение энергозатрат при производстве электроэнергии на генераторах такого типа может достигать 50% и более.

В основе их конструкции лежит принцип модуляции суммарного магнитного поля трех постоянных магнитов средним магнитом, в качестве которого выступает электромагнит. Применение постоянных магнитов позволяет достичь снижения энергетических затрат при генерации электрической энергии.

Магнитная система данного генератора представляет в общем виде «крест в кольце», где одна из перекладин креста представляет собой постоянные магниты, а другая – электромагнит управления, катушка которого может быть разбита на две части или использоваться в виде единой катушки. Кольцо представляет собой магнитопровод с низкими потерями на вихревые токи, на котором располагаются 4 рабочие обмотки (выходные обмотки), соединение которых осуществляется попарно. Выходное напряжение имеет удвоенную частоту по отношению к частоте тока, питающего электромагнит управления.

Если при работе обычного генератора (с вращающимся ротором) неизменный магнитный поток ротора (постоянные магниты или электромагнит), вращаясь от приводного внешнего двигателя, периодически изменяет магнитный поток в статорных обмотках, то увеличиваются механические затраты со стороны приводного двигателя.

В случае с неподвижным ротором отсутствуют потери на трение и противодействующий вращательный момент приводного двигателя. По сути это особый вид трансформаторного преобразователя с дополнительной подпиткой от магнитного поля постоянных магнитов. В процессе преобразования входного переменного тока происходит удвоение частоты выходного тока. Поскольку магнитное поле постоянных магнитов не меняет своего направления – происходит лишь периодическое перераспределение его по секторам кольца ‑то оно активно работает, вкладывая свой «вклад» в генерацию ЭДС.

Магнитный поток управляющей или первичной обмотки электромагнита меняет знак, т. е. происходит процесс, аналогичный процессу простого трансформатора. КПД трансформаторного преобразования достаточно велик. Другими словами, мы получаем трансформатор-удвоитель частоты с повышенным КПД.

Что в конечном итоге это дает? Получается, что входная мощность как минимум меньше выходной. Превышение выходной мощности над входной происходит за счет энергии постоянных магнитов, которые, в отличие от привычной схемы генерации, неподвижны.

Дополнительные возможности данного генератора можно получить, применив для кольцевого сердечника статора магнитные материалы с особыми свойствами. К недостаткам устройства можно отнести следующее: удвоение частоты выходного напряжения, некоторую сложность изготовления магнитопроводов и обмоток, необходимость компенсационных обмоток для задания необходимой нагрузочной характеристики. Максимальная мощность определяется в основном энергией применяемых постоянных магнитов, от которых зависят все остальные параметры.

Для создания трехфазного тока можно применить либо 3 подобных преобразователя (питание управляющих обмоток синхронизировано), либо аналогичную конструкцию, изготовленную в трехфазном варианте.