영구 자석 — 유형 및 속성, 형태, 자석의 상호 작용

영구 자석이란 무엇입니까

외부 자기장을 제거한 후에도 상당한 잔류 자화를 유지할 수 있는 강자성 제품을 영구 자석이라고 합니다.

영구 자석은 코발트, 철, 니켈, 희토류 합금(네오디뮴 자석용)과 같은 다양한 금속과 자철석과 같은 천연 광물로 만들어집니다.

오늘날 영구 자석의 적용 범위는 매우 넓지만 그 목적은 근본적으로 모든 곳에서 동일합니다. 전원 공급 장치가 없는 영구 자기장 소스로… 따라서 자석은 자신의 자기장.

"자석"이라는 단어는 다음과 같이 번역되는 그리스어 구에서 유래했습니다. 고대에 자철광(자성 철광석)이 발견된 아시아 도시의 이름을 따서 명명된 "마그네시아의 돌"… 물리적인 관점에서 볼 때 기본 자석은 전자이며 일반적으로 자석의 자기적 특성은 자화된 물질을 구성하는 전자의 자기 모멘트에 의해 결정됩니다.

영구 자석은 부품입니다. 전기 제품의 자기 시스템… 영구 자석 장치는 일반적으로 에너지 변환을 기반으로 합니다.

• 기계 대 기계(분리기, 자기 커넥터 등);

• 기계적 대 전자기적(발전기, 스피커 등);

• 전자기에서 기계(전기 모터, 확성기, 자기 전기 시스템 등);

• 기계에서 내부로(브레이크 장치 등).

영구 자석에는 다음 요구 사항이 적용됩니다.

• 높은 비자기 에너지;

• 주어진 전계 강도에 대한 최소 치수;

• 광범위한 작동 온도에서 성능 유지;

• 외부 자기장에 대한 내성; - 기술;

• 저렴한 원자재 비용;

• 시간 경과에 따른 자기 매개변수의 안정성.

영구 자석의 도움으로 해결되는 다양한 작업은 다양한 형태의 구현을 필요로 합니다 영구 자석은 종종 말굽 모양입니다(소위 "말굽" 자석).

그림은 보호 코팅이 된 희토류 원소를 기반으로 산업적으로 생산된 영구 자석 형태의 예를 보여줍니다.

상업적으로 생산되는 다양한 모양의 영구 자석: a — 디스크; 가져오다; c — 평행 육면체; g — 실린더; d — 공; e — 속이 빈 실린더의 섹터

자석은 또한 원형 및 직사각형 막대 형태의 경자성 금속 합금 및 페라이트와 직사각형 플레이트 형태의 관형, C형, 말굽형 등으로 생산됩니다.

재료가 성형된 후에는 자기화되어야 합니다. 즉, 영구 자석의 자기 매개변수는 모양이나 재료뿐만 아니라 자석의 방향에 의해서도 결정되기 때문에 외부 자기장에 배치되어야 합니다. 자화.

공작물은 전류 펄스가 통과하는 영구 자석, DC 전자석 또는 자화 코일을 사용하여 자화됩니다. 자화 방법의 선택은 영구 자석의 재질과 모양에 따라 다릅니다.

강한 가열, 충격으로 인해 영구 자석은 부분적으로 또는 완전히 자기 특성을 잃을 수 있습니다(소자).

디가우징부의 특성 자기 히스테리시스 루프 영구 자석이 만들어지는 재료는 특정 영구 자석의 특성을 결정합니다. 보자력 Hc가 높을수록 잔류 값이 높아집니다. 자기 유도 Br — 더 강력하고 안정적인 자석.

강제력 (문자 그대로 라틴어 번역 — "유지력") — 자기 분극의 변화를 방지하는 힘 강자성체.

강자성체가 분극되지 않는 한, 즉 기본 전류가 배향되지 않는 한 보자력은 기본 전류의 배향을 방지합니다. 그러나 강자성체가 이미 분극화되어 있으면 외부 자기장이 제거된 후에도 기본 전류를 배향된 위치에 유지합니다.

이것은 많은 강자성체에서 볼 수 있는 잔류 자성을 설명합니다. 보자력이 클수록 잔류 자기 현상이 강해집니다.

그래서 강제력은 자기장 강도강자성 또는 페리자성 물질의 완전한 감자에 필요합니다. 따라서 특정 자석의 보자력이 클수록 감자 요인에 대한 저항력이 커집니다.

보자력 측정 단위 NE에서 — 암페어/미터. ㅏ 자기 유도, 아시다시피 자기장의 힘 특성인 벡터량입니다. 영구 자석의 잔류 자기 유도의 특성 값은 1 Tesla 정도입니다.

자기 히스테리시스 - 자석의 분극화 효과의 존재는 재료의 자화가 항상 자화장보다 약간 뒤떨어지기 때문에 자성 재료의 자화 및 감자가 고르지 않게 진행된다는 사실을 초래합니다.

이 경우 신체를 자화하는 데 소비되는 에너지의 일부는 자기 소거 중에 반환되지 않고 열로 변합니다. 따라서 반복적으로 재료의 자화를 역전시키는 것은 눈에 띄는 에너지 손실과 관련이 있으며 때때로 자화체의 강한 가열을 유발할 수 있습니다.

재료의 히스테리시스가 두드러질수록 자화가 반전될 때 재료의 손실이 커집니다. 따라서 히스테리시스가 없는 재료는 교류 자속 자기 회로에 사용됩니다(- 참조 전기 장치의 자기 코어).

영구 자석의 자기 특성은 다음과 같은 시간 및 외부 요인의 영향으로 변경될 수 있습니다.

• 온도;

• 자기장;

• 기계적 부하;

• 방사선 등

자기 특성의 변화는 구조적 또는 자기적일 수 있는 영구 자석의 불안정성을 특징으로 합니다.

구조적 불안정성은 결정 구조의 변화, 상변태, 내부 응력 감소 등과 관련이 있습니다. 이 경우 구조를 복원(예: 재료의 열처리)하여 원래의 자기 특성을 얻을 수 있습니다.

자기 불안정성은 자성 물질의 자기 구조 변화로 인해 발생하며, 시간이 지남에 따라 외부 영향의 영향을 받아 열역학적 평형을 이루는 경향이 있습니다. 자기 불안정성은 다음과 같을 수 있습니다.

• 가역적(초기 조건으로 돌아가면 원래의 자기 특성이 복원됨);

• 비가역적(원래 특성의 복귀는 반복된 자화에 의해서만 달성될 수 있음).

영구 자석 또는 전자석 - 어느 것이 더 낫습니까?

동등한 전자석 대신 영구 자석을 사용하여 영구 자기장을 생성하면 다음이 가능합니다.

• 제품의 무게 및 크기 특성을 줄이기 위해

• 추가 에너지 원의 사용을 배제합니다 (제품 설계를 단순화하고 생산 및 운영 비용을 줄입니다).

• 작업 조건에서 자기장을 유지하기 위해 거의 무제한의 시간을 제공합니다(사용된 재료에 따라 다름).

영구 자석의 단점은 다음과 같습니다.

• 제작에 사용된 재료의 취약성(이는 제품의 기계적 가공을 복잡하게 함)

• 습기 및 곰팡이의 영향 (페라이트 GOST 24063의 경우) 및 높은 습도 및 온도의 영향에 대한 보호의 필요성.

영구자석의 종류와 성질

페라이트

페라이트 자석은 깨지기 쉽지만 내식성이 우수하여 저렴한 비용으로 가장 일반적입니다. 이 자석은 산화철과 바륨 또는 스트론튬 페라이트의 합금으로 만들어집니다. 이 구성을 통해 재료는 -30 ° C ~ + 270 ° C의 넓은 온도 범위에서 자기 특성을 유지할 수 있습니다.

페라이트 링, 막대 및 편자 형태의 자기 제품은 산업 및 일상 생활, 기술 및 전자 제품에서 널리 사용됩니다. 스피커 시스템에 사용되며, 발전기에서, DC 모터에서… 자동차 산업에서 페라이트 자석은 스타터, 창, 냉각 시스템 및 팬에 설치됩니다.

페라이트 자석은 약 200kA/m의 보자력과 약 0.4테슬라의 잔류 자기 유도가 특징입니다. 평균적으로 페라이트 자석은 10년에서 30년 동안 지속될 수 있습니다.

알니코(알루미늄-니켈-코발트)

알루미늄, 니켈 및 코발트 합금을 기반으로 한 영구 자석은 탁월한 온도 안정성과 안정성이 특징입니다. 보자력은 상대적으로 작지만 최대 + 550 ° C의 온도에서 자기 특성을 유지할 수 있습니다. 상대적으로 작은 자기장의 영향으로 이러한 자석은 원래의 자기 특성을 잃게 됩니다.

스스로 판단하십시오: 일반적인 보자력은 약 50 kA/m이고 잔류 자화는 약 0.7 테슬라입니다. 이러한 기능에도 불구하고 알니코 자석은 일부 과학 연구에 없어서는 안 될 존재입니다.

자기 특성이 높은 알니코 합금의 구성 요소의 일반적인 함량은 알루미늄 - 7~10%, 니켈 - 12~15%, 코발트 - 18~40%, 구리 3~4% 범위 내에서 다양합니다.

코발트가 많을수록 합금의 포화 유도 및 자기 에너지가 높아집니다. 2~8%의 티타늄과 1%의 니오븀 형태의 첨가제는 최대 145kA/m의 더 높은 보자력을 얻는 데 기여합니다. 0.5~1%의 실리콘을 첨가하면 등방성 자기 특성이 보장됩니다.

사마리아

부식, 산화 및 최대 + 350 ° C의 온도에 대한 탁월한 내성이 필요한 경우 코발트와 사마륨의 자성 합금이 필요합니다.

특정 가격에서 사마륨-코발트 자석은 더 희소하고 더 ​​비싼 금속인 코발트 때문에 네오디뮴 자석보다 더 비쌉니다. 그럼에도 불구하고 최종 제품의 최소 치수 및 중량이 필요한 경우 사용하는 것이 좋습니다.

이것은 우주선, 항공 및 컴퓨터 기술, 소형 전기 모터 및 자기 결합, 웨어러블 및 장치(시계, 헤드폰, 휴대폰 등)에 가장 적합합니다.

부식에 대한 특별한 저항 때문에 전략적 개발 및 군사 응용 프로그램에 사용되는 사마륨 자석입니다. 전기 모터, 발전기, 리프팅 시스템, 자동차 - 사마륨-코발트 합금으로 만든 강력한 자석은 공격적인 환경과 어려운 작업 조건에 이상적입니다. 보자력은 대략 700kA/m이고 잔여 자기 유도는 대략 1테슬라입니다.

네오디뮴

네오디뮴 자석은 오늘날 큰 수요가 있으며 가장 유망한 것 같습니다. 네오디뮴-철-붕소 합금을 사용하면 자물쇠 및 장난감에서 발전기 및 강력한 리프팅 기계에 이르기까지 다양한 응용 분야를 위한 슈퍼 자석을 만들 수 있습니다.

약 1000kA/m의 높은 보자력과 약 1.1테슬라의 잔류 자화로 인해 자석이 수년 동안 유지될 수 있으며, 10년 동안 작동 조건에서 온도가 초과하지 않는 경우 네오디뮴 자석은 자화의 1%만 잃습니다. + 80 ° C (일부 브랜드의 경우 최대 + 200 ° C). 따라서 네오디뮴 자석에는 취약성과 낮은 작동 온도라는 두 가지 단점만 있습니다.

자기성체

바인더와 함께 자성 분말은 부드럽고 유연하며 가벼운 자석을 형성합니다. 비닐, 고무, 플라스틱 또는 아크릴과 같은 결합 부품을 사용하면 자석을 다양한 모양과 크기로 생산할 수 있습니다.

물론 자력은 순수한 자성 재료보다 낮지만 때로는 광고 제품 생산, 탈착식 자동차 스티커 생산 및 각종 문구류와 기념품.

자석의 상호 작용

자석의 극과 같이 반발하고 극과 달리 끌어당깁니다. 자석의 상호 작용은 각 자석이 자기장을 가지고 있고 이러한 자기장이 서로 상호 작용한다는 사실로 설명됩니다. 예를 들어, 철이 자화되는 이유는 무엇입니까?

프랑스 과학자 Ampere의 가설에 따르면 물질 내부에는 기본 전류가 있습니다 (암페어 전류) 원자핵 주위와 자체 축 주위의 전자 이동으로 인해 형성됩니다.

기본 자기장은 전자의 이동으로 인해 발생합니다.그리고 철 조각이 외부 자기장에 도입되면 이 철의 모든 기본 자기장은 외부 자기장에서 동일한 방식으로 방향이 지정되어 철 조각에서 자체 자기장을 형성합니다. 따라서 적용된 외부 자기장이 충분히 강하면 전원을 끄면 철 조각이 영구 자석이 됩니다.

영구 자석의 모양과 자화를 알면 계산을 전기 자화 전류의 등가 시스템으로 대체할 수 있습니다. 이러한 대체는 자기장의 특성을 계산할 때와 외부 필드에서 자석에 작용하는 힘을 계산할 때 모두 가능합니다.

예를 들어 두 영구 자석의 상호 작용력을 계산해 봅시다. 자석이 얇은 원통 형태이고 반지름은 r1과 r2로 표시되고 두께는 h1, h2이고 자석의 축은 일치하며 자석 사이의 거리는 z로 표시됩니다. 자석의 크기보다 훨씬 큽니다.

자석 사이의 상호 작용력의 모양은 전통적인 방식으로 설명됩니다. 하나의 자석은 두 번째 자석에 작용하는 자기장을 생성합니다.

상호 작용력을 계산하기 위해 균일하게 자화된 자석 J1 및 J2를 실린더 측면에 흐르는 원형 전류로 정신적으로 대체합니다. 이 전류의 강도는 자석의 자화로 표현되며, 그 반경은 자석의 반경과 같다고 간주됩니다.

두 번째 자석 대신 첫 번째 자석에 의해 생성된 자기장의 유도 벡터 B를 자석의 축을 따라 향하는 축 방향과 그에 수직인 방사형의 두 구성 요소로 분해해 보겠습니다.

링에 작용하는 총 힘을 계산하려면 정신적으로 그것을 작은 요소 Idl과 sum으로 나눌 필요가 있습니다. 암페어이러한 각 요소에 작용합니다.

왼쪽의 규칙을 사용하여 자기장의 축 구성 요소가 링을 늘리거나 압축하는 경향이 있는 암페어 힘을 발생시킨다는 것을 쉽게 보여줍니다. 이러한 힘의 벡터 합은 0입니다.

필드의 방사형 구성 요소가 존재하면 자석 축을 따라 유도되는 암페어 힘, 즉 인력 또는 반발력이 나타납니다. 남은 것은 암페어 힘을 계산하는 것입니다. 이것이 두 자석 사이의 상호 작용 힘이 될 것입니다.

또한보십시오:전기 공학 및 에너지 분야에서 영구 자석의 사용