永磁体——磁铁的类型和特性、​​形式、相互作用

什么是永磁体

去除外磁场后仍能保持显着剩磁的铁磁性制品称为永磁体。

永磁体由各种金属制成，例如钴、铁、镍、稀土合金（用于钕磁铁）以及天然矿物（例如磁铁矿）。

今天永磁体的应用范围非常广泛，但它们的用途在任何地方都基本相同—— 作为无需电源的永磁场源……因此磁铁是一个物体，它有自己的 磁场.

“磁铁”这个词来自希腊语短语，翻译为 “镁砂之石”，以古代发现磁铁矿（一种磁性铁矿石）的亚洲城市命名……从物理学的角度来看，基本磁铁就是电子，而磁铁的磁性能通常由构成磁化材料的电子的磁矩决定。

永磁体是零件 电气产品的磁性系统……永磁设备一般基于能量转换：

• 机械对机械（分离器、磁性连接器等）；

• 机械到电磁（发电机、扬声器等）；

• 电磁到机械（电动机、扬声器、磁电系统等）；

• 机械到内部（制动装置等）。

以下要求适用于永磁体：

• 高比磁能；

• 给定场强的最小尺寸；

• 在很宽的工作温度范围内保持性能；

• 抗外部磁场； - 技术;

• 原料成本低；

• 磁参数随时间的稳定性。

借助永磁体解决的任务种类繁多，因此需要创建多种实施形式。永磁体的形状通常像马蹄铁（所谓的“马蹄形”磁铁）。

该图显示了工业生产的带有保护涂层的基于稀土元素的永磁体形式的示例。

商业生产的各种形状的永磁体：a——圆盘；带来; c——平行六面体； g——圆柱体； d——球； e — 空心圆柱的扇区

磁铁也由硬磁性金属合金和铁氧体制成圆形和矩形棒状，以及管状、C 形、马蹄形、矩形板等形式。

材料定型后，必须对其进行充磁，即置于外磁场中，因为永磁体的磁参数不仅取决于其形状或制成材料，而且还取决于其磁化方向磁化。

使用电流脉冲通过的永磁体、直流电磁铁或磁化线圈对工件进行磁化。充磁方式的选择取决于永磁体的材料和形状。

由于强烈的加热、冲击，永磁体可能会部分或完全失去其磁性（退磁）。

消磁部分的特点 磁滞回线 制造永磁体的材料决定了特定永磁体的特性：矫顽力 Hc 越高，剩余值越高 磁感应 Br——更强更稳定的磁铁。

强制力 （直译自拉丁语——“保持力”）——一种阻止磁极化变化的力 铁磁体.

只要铁磁体未被极化，即基本电流未定向，矫顽力就会阻止基本电流的定向。但是，当铁磁体已经极化时，即使在外部磁场被移除后，它也会将基本电流保持在定向位置。

这解释了在许多铁磁体中看到的剩磁现象。矫顽力越大，剩磁现象越强。

所以强制力是 磁场强度铁磁或亚铁磁物质完全消磁所必需的。因此，某种磁铁的矫顽力越大，它对退磁因素的抵抗力就越大。

矫顽力的计量单位 在东北 — 安培/米。 A 磁感应，如你所知，是一个矢量，它是磁场的力特征。永磁体的剩余磁感应强度的特征值是 1 特斯拉的数量级。

磁滞 — 磁铁极化效应的存在导致磁性材料的磁化和退磁进行不均匀，因为材料的磁化始终略微滞后于磁场。

在这种情况下，用于磁化物体的部分能量在退磁过程中不会返回，而是转化为热量。因此，反复反转材料的磁化与明显的能量损失有关，有时会导致磁化体的强烈加热。

材料中的滞后现象越明显，当磁化反转时材料中的损耗就越大。因此，没有磁滞的材料被用于交变磁通磁路（见 - 电气设备磁芯).

永磁体的磁性能会在时间和外部因素的影响下发生变化，其中包括：

• 温度;

• 磁场;

• 机械负载；

• 辐射等

磁性能的变化表现为永磁体的不稳定性，可以是结构性的，也可以是磁性的。

结构不稳定性与晶体结构的变化、相变、内应力的降低等有关。在这种情况下，可以通过恢复结构（例如，通过对材料进行热处理）来获得原始的磁性。

磁不稳定性是由磁性物质的磁性结构发生变化引起的，随着时间的推移和在外界影响的作用下趋于热力学平衡。磁不稳定性可以是：

• 可逆的（返回到初始条件恢复原始磁性）；

• 不可逆（只有通过反复磁化才能恢复原来的属性）。

永磁体或电磁体——哪个更好？

使用永磁体代替等效电磁铁来产生永磁体可以：

• 减少产品的重量和尺寸特性；

• 排除使用额外的能源（这简化了产品的设计，降低了其生产和运营成本）；

• 提供几乎无限的时间来维持工作条件下的磁场（取决于所使用的材料）。

永磁体的缺点是：

• 其创作中使用的材料的脆弱性（这使产品的机械加工复杂化）；

• 需要保护免受水分和霉菌的影响（对于铁氧体 GOST 24063），以及防止高湿度和高温的影响。

永磁体的种类和性能

铁氧体

铁氧体磁铁虽然易碎，但具有良好的耐腐蚀性，使其成为最常见且成本低的磁铁。这些磁铁由氧化铁与钡或锶铁氧体的合金制成。这种成分使材料能够在很宽的温度范围内保持其磁性——从 -30°C 到 +270°C。

铁氧体磁环、磁棒和马蹄铁形式的磁性产品广泛应用于工业和日常生活、技术和电子领域。它们用于扬声器系统， 在发电机中, 在直流电机中…在汽车工业中，铁氧体磁铁安装在启动器、窗户、冷却系统和风扇中。

铁氧体磁铁的特点是矫顽力约为 200 kA/m，剩余磁感应强度约为 0.4 特斯拉。平均而言，铁氧体磁铁可以使用 10 到 30 年。

Alnico（铝镍钴）

基于铝、镍和钴合金的永磁体具有无与伦比的温度稳定性和稳定性：它们能够在高达 + 550°C 的温度下保持其磁性，尽管它们的矫顽力相对较小。在比较小的磁场作用下，这样的磁铁就会失去原有的磁性。

自己判断：典型的矫顽力约为 50 kA / m，剩磁约为 0.7 特斯拉。尽管有这个特点，但对于一些科学研究来说，铝镍钴磁铁是不可或缺的。

具有高磁性的铝镍钴合金中的典型成分含量在以下范围内变化：铝 - 从 7 到 10%，镍 - 从 12 到 15%，钴 - 从 18 到 40%，以及从 3 到 4% 的铜。

钴越多，合金的饱和感应和磁能越高。 2% 至 8% 的钛和仅 1% 的铌形式的添加剂有助于获得更高的矫顽力——高达 145 kA / m。添加 0.5 至 1% 的硅可确保各向同性的磁性。

撒玛利亚

如果您需要出色的耐腐蚀、耐氧化和高达 + 350 °C 的温度，那么您需要的是含钴的钐磁性合金。

在一定的价格下，钐钴磁铁比钕磁铁更贵，因为钴更稀有也更贵。然而，如果需要最终产品的最小尺寸和重量，建议使用它们。

这最适用于航天器、航空和计算机技术、微型电动机和磁力耦合器、可穿戴设备和设备（手表、耳机、手机等）

由于其特殊的耐腐蚀性，在战略发展和军事应用中使用的是钐磁铁。电动机、发电机、起重系统、机动车辆 - 由钐钴合金制成的强磁体是恶劣环境和恶劣工作条件的理想选择。矫顽力为 700 kA/m 量级，剩磁感应强度为 1 特斯拉量级。

钕

如今，钕磁铁的需求量很大，而且似乎是最有前途的。钕铁硼合金可让您制造适用于各种应用的超级磁铁，从锁具和玩具到发电机和强大的起重机械。

约 1000 kA/m 的高矫顽力和约 1.1 特斯拉的剩余磁化强度使磁体可以保持多年，如果工作条件下的温度不超过 10 年，钕磁铁仅会失去其磁化强度的 1% + 80 ° C（某些品牌高达 + 200 ° C）。因此，钕磁铁只有两个缺点——易碎和工作温度低。

磁性体

磁粉与粘合剂一起形成柔软、有弹性、轻便的磁铁。乙烯基、橡胶、塑料或亚克力等粘合成分使磁铁可以制成各种形状和尺寸。

磁力当然低于纯磁性材料，但有时需要此类解决方案才能实现磁铁的某些特殊用途：在广告产品的生产中，在可移除汽车贴纸的生产中，以及在生产各种文具和纪念品。

磁铁的相互作用

就像磁铁的两极相斥，不像两极相吸。磁铁相互作用的解释是每个磁铁都有一个磁场，并且这些磁场相互作用。例如，铁的磁化原因是什么？

根据法国科学家安培的假说，物质内部存在基本电流（安培电流), 这是由于电子围绕原子核和它们自己的轴运动而形成的。

基本磁场产生于电子的运动。而如果将一块铁放入外磁场中，那么这块铁中的所有基本磁场在外磁场中都以相同的方式定向，从而使一块铁形成自己的磁场。因此，如果施加的外部磁场足够强，一旦将其关闭，铁片就会变成永磁体。

了解永磁体的形状和磁化强度可以用等效的电磁磁化电流系统代替计算。在计算磁场特性和计算外场作用在磁铁上的力时，都可以进行这种替换。

例如，让我们计算两个永磁体的相互作用力。设磁体为细圆柱体，它们的半径用 r1 和 r2 表示，厚度为 h1、h2，磁体的轴线重合，磁体之间的距离用 z 表示，我们假设它比磁铁的尺寸大得多。

磁铁之间相互作用力的出现以传统方式解释：一块磁铁产生作用于第二块磁铁的磁场。

为了计算相互作用力，我们在心里用在圆柱体侧面流动的圆形电流代替均匀磁化的磁铁 J1 和 J2。这些电流的强度将根据磁铁的磁化强度来表示，并且它们的半径将被认为等于磁铁的半径。

让我们将由第一个磁铁代替第二个磁铁产生的磁场的感应矢量 B 分解为两个分量：轴向分量，沿磁铁轴线方向，径向分量，垂直于磁铁轴线。

要计算作用在环上的总力，有必要在心里把它分成小元素 Idl 和 sum 安培作用于每个这样的元素。

使用左边的规则，很容易证明磁场的轴向分量会产生倾向于拉伸（或压缩）环的安培力——这些力的矢量和为零。

场的径向分量的存在导致出现沿磁体轴方向的安培力，即导致它们的吸引或排斥。剩下的就是计算安培力——这将是两个磁铁之间的相互作用力。

也可以看看：永磁体在电气工程和能源中的应用