Характеристики постоянных магнитов,магнитотвердых материалов

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 194.

4.3

Средняя оценка: 4.3

Всего получено оценок: 194.

Постоянными магнитами называют тела, способные продолжительное время сохранять способность к притягиванию металлических предметов. Что лежит в основе этого удивительного свойства, как возникает магнитное поле, какие вещества могут обладать такими свойствами? Попробуем разобраться.

Из истории магнетизма

В VI в. до н.э. в древнем Китае был обнаружен минерал (горная порода), который притягивал к себе железные предметы. Китайцы дали ему название “чу-ши”, что переводится как “любящий камень. “Любящий” — в смысле притягивающий.

Слово “магнит” ввели в обиход древние греки в V в. до н.э. Существует легенда, что первые образцы этих необычных “черных камней” были найдены вблизи города Магнесу, где были обнаружены залежи магнетита. Магнит переводится как “камень из Магнесии”.

Магнетит — это железорудный минерал черного цвета, оксид железа Fe3O4, который имеет природные магнитные свойства.

Природа и принцип действия

Постоянные магниты – естественные вещества и прецизионные сплавы со значительной остаточной намагниченностью, которая сохраняется продолжительное время. Они изготавливаются из ферромагнитных материалов – веществ, способных сохранять намагниченность в условиях отсутствия магнитного поля, встречаются в ряде полезных ископаемых (руд). К веществам, поддающимся влиянию магнитов, относятся: железо, кобальт, никель. Сплав железа с кобальтом обладает более высоким ферромагнитными свойствами, чем каждый металл в отдельности.
Движущиеся в атоме электроны вследствие вращения формируют крохотные вихревые магнитные поля. Основу магнитного поля создаёт вращающийся вокруг собственной оси атом, как планеты, их спутники, звёзды.

Почему к постоянному магниту не притягиваются одни материалы, зато отлично «липнут» другие? Дело в направленности, ориентации магнитных линий. В немагнитных материалах (веществах с крайне слабой намагниченностью) поля атомов направляются в различные стороны, часто гася друг друга, а не усиливая.

В ряде металлов атомы структурированы, объединены в группы – домены – миниатюрные магнитики. В состоянии покоя кусок стали не обладает магнитными свойствами, а приложенное к нему поле, эти домены упорядочивает; они ориентируются в одну сторону, силовые линии складываются.

Определение и основные признаки постоянного магнита

Постоянным магнитом называют твердый предмет, способный долгое время сохранять состояние намагниченности. Состояние намагниченности означает наличие магнитного поля, которое воздействует (притягивает) на металлические предметы.

Постоянные магниты могут быть естественного происхождения (магнетит) и искусственными, которые изготавливают из железа, стали, никеля, кобальта и других, более редких металлов. Искусственные магниты получают с помощью намагничивания заготовок в сильном магнитном поле. Эти магниты могут иметь разную форму и размеры.

Рис. 1. Постоянные магниты разной формы. Полосовые и дуговые магниты

Основным признаком постоянного магнита является наличие двух магнитных полюсов: южный — S, и северный — N. Магнитные линии направлены снаружи постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного к северному.

Из чего делают магниты?

Для производства постоянных и временных магнитов используют железо, неодим, бор, кобальт, самарий, альнико и ферриты.

Они в несколько этапов измельчаются и вместе плавятся, пекутся или спрессовываются до получения постоянного или временного магнитного поля. В зависимости от вида магнитов и требуемых характеристик, меняется состав и пропорции компонентов.

Почему у постоянного магнита имеется магнитное поле

В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед при исследовании электрических явлений обнаружил, что если вблизи металлического провода разместить магнитную стрелку компаса, то при включении электрического тока стрелка отклонялась на заметный угол. Хотя он и не смог объяснить это явление, но после опубликования этих результатов французский ученый Андре-Мари Ампер высказал предположение, что движение электрических зарядов в проводе — электрический ток, приводит к появлению магнитного поля. Происходит взаимодействие, и на практике стрелка отклоняется.

Эту же идею Ампер использовал для объяснения природы магнитного поля постоянных магнитов. Согласно его теории магнитное поле появляется из-за наличия в магнитах непрерывно циркулирующих круговых токов, которые эквивалентны небольшим магнитикам. Эти токи складываются, усиливают друг друга и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Магнит в целом представляет собой набор (сумму) этих магнитиков.

Наша планета представляет собой огромный постоянный магнит. Принципиальная схема постоянного магнита Земли, который создает ее магнитное поле, аналогична природе обычного, природного магнита. Ядро Земли имеет внешнюю оболочку из расплавленных металлов (железа, никеля и ряда примесей) при температуре более 4000 К0. Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей. В результате возникают непрерывно циркулирующие потоки и вихри, которые являются главной причиной появления магнитного поля Земли.

Как делают магниты разными способами

Прессованные магнитопласты – это магниты, полученные путем смешивания специального вида порошка NdFeB с полимерными связывающими материалами. Затем эта масса прессуется в форму и нагревается.

Магнитные изделия, получаемые таким способом, могут быть сложных форм, и обычно не требуют дополнительной обработки. Они имеют более низкую энергию продукта, чем спеченные магниты, до 10 МГсЭ.

Изотропные магнитопласты NdFeB могут быть намагничены в любом направлении.

При использовании специальных соленоидов можно получить многополюсные магниты или магниты со специальной формой магнитного поля.

Разумеется, такие сложные соленоиды могут стоить очень дорого в зависимости от сложности конструкции и требуемой производительности.

Литые магнитопласты – при этом способе производства магнитов порошок NdFeB смешивается с полимерным материалом и выдавливается в форму. Получающиеся магнитные изделия имеют энергию продукта до 5 МГсЭ, но могут быть сделаны замысловатых форм.

Спеченные неомагниты – мелкий порошок NdFeB запрессовывается в форму, затем спекается и обрабатывается до нужного размера (шлифуется).

Производство неодимовых магнитов – сложный высокотехнологичный процесс, требующий соблюдения состава, содержания примесей. Все операции, кроме шлифовки в размер, проводятся без доступа кислорода в вакууме или атмосфере инертных газов. Направление намагниченности задается текстурой магнитного поля во время прессования.

Как и из чего делают постоянные магниты

Магнетиты имеют довольно слабые магнитные свойства. Промышленным способом налажено массовое производство искусственных магнитов различных размеров. Исходными материалами для этого служат сплавы на основе металлов: железа Fe, никеля Ni, кобальта Co, неодима Nd, самария Sm. Заготовки из этих сплавов получают литьем, прессованием или спеканием. Затем они помещаются в очень сильное однородное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Во время воздействия магнитного поля, намагниченные частицы направляются в одну сторону. Так выравнивается полярность будущего магнита. В результате заготовки сильно намагничиваются и становятся самостоятельными постоянными магнитами.

В последнее время большую популярность получили полимерные постоянные магниты (магнитопласты). Их изготавливают из смеси магнитного порошка и полимерной (пластиковой) эластичной добавки, например, резины. Магнитные свойства магнитопластов невысоки, но их вполне достаточно для изготовления различных полезных приспособлений, например, магнитов на холодильник, пластиковых карт, демонстрационных и учебных досок.

Как изготавливают магниты

Магниты подразделяются на разные виды, которые различаются характеристиками, долговечностью и особенностями эксплуатации:

• постоянные,
• электромагниты,
• временные.

Каждый вид магнитного изделия имеет свои особенности и сферу применения, преимущества и недостатки.

Магнитные изделия производятся в огромном разнообразном ассортименте, различных форм, размеров и прочности, а также пользуются спросом у промышленных организаций и простых потребителей для использования в быту.

Производство магнитов является довольно прибыльным направлением, где не требуются большие затраты на открытие бизнеса. Кроме того, это творческая сфера деятельности, которая может быть интересной для многих предпринимателей. Изготавливать магнитные изделия можно самостоятельно в домашних условиях и постепенно увеличивать объем производства. Главное – необходимо продумать сбыта продукции.

Существует большое разнообразие магнитной продукции, а именно следующие изделия:

• сувенирная продукция;
• детская продукция;
• канцелярия;
• приспособления для бытового использования;
• лечебно-оздоровительные приборы.

При производстве магнитов различные сплавы металлов измельчаются, плавятся, запекаются или спрессовываются до возникновения магнитного поля. Для подобных действий требуется специальное оборудование.

Для изготовления различного вида магнитной продукции требуется разное оборудование. Например, для производства сувенирной, рекламной и бытовой магнитной продукции понадобится компьютер, фотопринтер, различные станки, ламинатор, гравер.

При расширении продукции и производстве других видов магнитов понадобится дополнительное устройство и специальное оборудование – например, различные печи, пресс, шлифовочная машина и другое.

Пользуются наибольшей популярностью, главной особенностью является сохранение магнитного заряда продолжительное время. Они универсальные и востребованы во всех сферах жизни.

На срок эксплуатации магнита влияет состав сплавов, из которых сделано изделие.

Постоянные магниты изготавливаются из различных сплавов металлов:

• Самариевые магниты — характеризуется устойчивостью к влиянию агрессивной среды, коррозии и высоких температур, однако считаются хрупкими.
• Магниты Альнико — является легким и термоустойчивым материалом, который способен быстро размагничиваться под действием другого магнита.
• Магнитопласты характеризуются легкой обработкой, пластичностью и эластичностью, что позволяет создавать продукцию сложной формы.
• Ферриторвые магниты — наиболее востребованный вариант магнитных изделий благодаря недорогой стоимостью и обширной сферой эксплуатации, однако в результате воздействия высокой температуры, продукция может потерять магнитные свойства.
• Большим спросом в настоящее время пользуются неодимовые магниты. Для их производства требуется соответствующее оборудование и определенные знания. При этом сложном высокотехнологичном процессе необходимо соблюдать определенный состав и содержание примесей в сплаве. Неодимовые магниты широко применяются в таких сферах, как производство деталей для компьютера и мощных генераторов. Однако, неодимовые магниты считаются достаточно хрупкими изделиями.

Обладают магнитными свойствами при нахождении вблизи источника сильного магнитного поля, и теряет их при удалении магнитного поля. Таким образом, их магнитная сила временная. Несмотря на временный магнетизм, такие изделия имеют пользу и используются в телефонах и электродвигателях.

Обладают магнитным полем только при прохождении через них электрического тока. То есть магнетизм появляется, когда по проводам идет ток. Изготавливаются из металлической заготовки, в качестве которой может выступать любое железо или его сплавы. Проверить металлическую заготовку на возможность стать источником электромагнитного поля можно с помощью обычного магнитика.

Электромагниты производятся путем обмотки проволоки вокруг металлической заготовки, при изменении размеров которой и длины проволоки, меняется мощность поля, количество потребляемого электричества и параметры устройства. Электромагниты можно изготовить самостоятельно, придерживаясь правил инструкции.

В отличие от других видов магнитных изделий, электромагниты способны изменять характеристики в результате воздействия электрического тока.

Где используют постоянные магниты

Замечательные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, на производствах, в повседневной жизнедеятельности. Вот только некоторые из них:

• Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
• Пластиковые карты различного назначения (финансовые, бонусные, контрольно-пропускные);
• Микрофоны, громкоговорители, звуковая техника;
• Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
• Компасы;
• В измерительных приборах с отклоняющей стрелкой, например, в амперметрах;
• Пластиковые магниты для использования в учебных выставочных целях;
• Магниты на холодильник;
• Изготовление застежек для одежды и сумок:
• Мебельные фиксаторы (закрывание дверок);
• Детские игрушки.

«Сделано у нас» и на Яндекс.Дзен

Группа физиков из Уральского федерального университета, Института физики металлов (ИФМ) Уральского отделения РАН и Института материаловедения им. Лейбница (Бремен, Германия) впервые в мире синтезировала с помощью 3D-печати постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой без применения тяжелых редкоземельных металлов. Прорывная работа уральских и немецких ученых открывает дорогу к получению с помощью аддитивных технологий эффективных постоянных магнитов любой заданной геометрической формы. Статью об экспериментах и их результатах исследователи опубликовали в престижном журнале Acta Materialia.

«Мы добились почти двукратного увеличения коэрцитивной силы магнитов. На сегодня это лучший в мире результат для аддитивных технологий производства постоянных магнитов. Абсолютное значение коэрцитивности наших магнитов более чем на треть выше, по сравнению с мировыми аналогами. При этом принципиально важно, что инфильтрация сплава в межзеренные границы происходит одновременно с 3D-печатью магнитов. Одностадийный синтез магнитов с применением аддитивных технологий произведен впервые», — подчеркивает доцент кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов, старший научный сотрудник отдела магнетизма твердых тел УрФУ и лаборатории магнетизма и магнитных наноструктур ИФМ УрО РАН Алексей Волегов.

Сейчас исследования ученых носят лабораторный, экспериментальный характер. Работы, в том числе по повышению коэрцитивной силы микрокристаллических магнитов, продолжаются. Цель — экономичное серийное 3D-производство постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой и многообразной конфигурацией без использования тяжелых редкоземельных элементов.

Основой для изготовления магнитов (в данном случае способом лазерного спекания) послужили порошки из нанокристаллического сплава неодима, железа и бора. Его достоинства в том, что магниты из этого сплава способны при комнатной температуре запасти больше «магнитной» энергии, чем любой другой тип магнитов, а также не содержат дорогостоящий кобальт, который применяется в литий-ионных аккумуляторах. Кроме того, необходимое соединение, имеющее высокие магнитные характеристики, может быть получено сравнительно легко, а материал на его основе обладает достаточно высокой коэрцитивной силой, то есть способен сохранять намагниченное состояние, когда его пытаются перемагнитить.

Вместе с тем точка Кюри у основной магнитотвердой фазы сравнительно невысока: при температуре выше 310 °C материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное. Другими словами, теряет самопроизвольную намагниченность, превращаясь в магнитном отношении в «деревяшку». Поэтому температура выше комнатной приводит к тому, что магнитные свойства вещества быстро деградируют. Это снижает КПД и крутящий момент двигателей, в которых используются такие магниты.

Обычно эту проблему решают замещением неодима тяжелыми редкоземельными металлами — диспрозием и тербием, а железа — кобальтом. Но оба подхода приводят к снижению намагниченности материала магнита и к удорожанию производства, что затрудняет их применение. Поэтому физики УрФУ, с одной стороны, использовали высококоэрцитивный материал на основе соединения неодима, а с другой — поставили задачу увеличить его коэрцитивную силу, не прибегая к тяжелым редкоземельным металлам. Решением стало уменьшение межзеренного обменного взаимодействия.

«Мы использовали порошкообразный сплав на основе неодима двух типов: нанокристаллический с размером зерен 25 нанометров и микрокристаллический с размером зерен 450 нанометров. Фактически, отжигая нанокристаллический сплав при температуре 1 000°С в течение получаса, мы вырастили кристаллиты со средним размером 450 нм. Обменное взаимодействие этих зерен и состояние границы между ними и определяют гистерезисные магнитные свойства сплавов. С одной стороны, межзеренное взаимодействие позволяет в некоторых случаях увеличить остаточную намагниченность и уменьшить содержание редкоземельных металлов, с другой — снижает коэрцитивную силу. Мы добивались ослабления межзеренного взаимодействия за счет изменения границы между зернами», — рассказывает Алексей Волегов.

Для этого исследователи ввели в нанокристаллический и микрокристаллический неодимовые сплавы размельченный и доведенный нагреванием лазером до жидкого состояния эвтектический сплав на основе редкоземельных металлов, неодима и кобальта. Известно, что эти сплавы легко диффундируют вдоль границы зерен. Такая операция приводит к более низким значениям намагниченности, поэтому содержание введенного сплава в смеси было минимизировано до 20%.

Эвтектический сплав, во-первых, связал магнитные частицы, чтобы из отдельных частиц неодимового сплава получился цельный постоянный магнит. Во-вторых, заполнив и расширив границу между зернами, снизил межзеренное взаимодействие. При этом было установлено, что полученная коэрцитивность нанокристаллических магнитов в 1,7 раза больше, чем у микрокристаллических магнитов.

Добавим, исследования ученых УрФУ и их коллег из Института материаловедения им. Лейбница поддержаны грантами Министерства науки и высшего образования РФ и German Science Foundation.

Справка

Постоянные магниты — изделия из магнитотвердых материалов, способные сохранять состояние намагниченности в течение длительного времени. Они используются в качестве автономных источников магнитного поля, для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Области применения постоянных магнитов — робототехника, магнитно-резонансная томография, производство ветрогенераторов, электродвигателей постоянного тока, мобильных телефонов, высококачественных динамиков, бытовой техники (кондиционеров, холодильников, морозильников, кухонных вытяжек), жестких дисков компьютеров и т. д. Использование постоянных магнитов позволяет уменьшить габариты изделий и увеличить их КПД.

Развитие энергетики и робототехники, миниатюризация высокотехнологичных устройств, электрических и гибридных транспортных средств требуют ежегодного увеличения объема производства постоянных магнитов и в то же время улучшения их магнитных свойств. Повышение коэрцитивной силы является наиболее важной задачей при модификации постоянных магнитов.

УрФУ — один из ведущих университетов России и участник проекта 5-100, отмечает в 2022 году столетие. Вуз расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных студенческих игр 2023 года. УрФУ выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ), который призван решить задачи национального проекта «Наука».