Ímãs permanentes — tipos e propriedades, formas, interação de ímãs

O que é um imã permanente

Um produto ferromagnético capaz de reter magnetização residual significativa após a remoção do campo magnético externo é chamado de ímã permanente.

Os ímãs permanentes são feitos de vários metais, como cobalto, ferro, níquel, ligas de terras raras (para ímãs de neodímio), bem como minerais naturais, como magnetitas.

O escopo de aplicação dos ímãs permanentes hoje é muito amplo, mas sua finalidade é fundamentalmente a mesma em todos os lugares - como uma fonte de campo magnético permanente sem fonte de alimentação… Assim, um ímã é um corpo que tem sua própria campo magnético.

A própria palavra "ímã" vem da frase grega que se traduz como "Pedra de Magnésia", em homenagem à cidade asiática onde depósitos de magnetita - um minério de ferro magnético - foram descobertos nos tempos antigos… Do ponto de vista físico, um ímã elementar é um elétron, e as propriedades magnéticas dos ímãs são geralmente determinadas pelos momentos magnéticos dos elétrons que compõem o material magnetizado.

O imã permanente é uma parte sistemas magnéticos de produtos elétricos… Os dispositivos de ímã permanente são geralmente baseados na conversão de energia:

• mecânico para mecânico (separadores, conectores magnéticos, etc.);

• mecânico para eletromagnético (geradores elétricos, alto-falantes, etc.);

• eletromagnético para mecânico (motores elétricos, alto-falantes, sistemas magnetoelétricos, etc.);

• mecânico para interno (dispositivos de freio, etc.).

Os seguintes requisitos se aplicam a ímãs permanentes:

• alta energia magnética específica;

• dimensões mínimas para uma determinada intensidade de campo;

• manter o desempenho em uma ampla faixa de temperaturas operacionais;

• resistência a campos magnéticos externos; — tecnologia;

• baixo custo de matérias-primas;

• estabilidade dos parâmetros magnéticos ao longo do tempo.

A variedade de tarefas resolvidas com a ajuda de ímãs permanentes exige a criação de muitas formas de sua implementação.Ímãs permanentes geralmente têm a forma de uma ferradura (os chamados ímãs de "ferradura").

A figura mostra exemplos de formas de ímãs permanentes produzidos industrialmente com base em elementos de terras raras com um revestimento protetor.

Ímãs permanentes produzidos comercialmente em vários formatos: a — disco; trazer; c — paralelepípedo; g — cilindro; d — bola; e — setor de um cilindro oco

Os ímãs também são produzidos a partir de ligas metálicas magnéticas duras e ferritas na forma de hastes redondas e retangulares, bem como tubulares, em forma de C, em forma de ferradura, na forma de placas retangulares, etc.

Depois que o material é moldado, ele deve ser magnetizado, ou seja, colocado em um campo magnético externo, porque os parâmetros magnéticos dos ímãs permanentes são determinados não apenas por sua forma ou pelo material de que são feitos, mas também pela direção de magnetização.

As peças de trabalho são magnetizadas usando ímãs permanentes, eletroímãs DC ou bobinas de magnetização através das quais passam pulsos de corrente. A escolha do método de magnetização depende do material e da forma do ímã permanente.

Como resultado de forte aquecimento, impactos, ímãs permanentes podem perder parcial ou totalmente suas propriedades magnéticas (desmagnetização).

Características da seção de desmagnetização loops de histerese magnética o material do qual um ímã permanente é feito determina as propriedades de um determinado ímã permanente: quanto maior a força coercitiva Hc e maior o valor residual indução magnética Br — o ímã mais forte e mais estável.

Poder coercivo (literalmente traduzido do latim - "força de retenção") - uma força que impede uma mudança na polarização magnética ferromagnetos.

Enquanto o ferromagneto não estiver polarizado, ou seja, as correntes elementares não estiverem orientadas, a força coercitiva impede a orientação das correntes elementares. Mas quando o ferroímã já está polarizado, ele mantém as correntes elementares em uma posição orientada mesmo após a remoção do campo magnético externo.

Isso explica o magnetismo residual visto em muitos ferromagnetos. Quanto maior a força coercitiva, mais forte o fenômeno do magnetismo residual.

Portanto, o poder coercitivo é Força do campo magnéticonecessário para a desmagnetização completa de uma substância ferro ou ferrimagnética. Assim, quanto mais coercitivo um determinado ímã tiver, mais resistente ele será a fatores desmagnetizantes.

Uma unidade de medida de força coercitiva em NE — Ampère / metro. A indução magnética, como você sabe, é uma quantidade vetorial, que é uma força característica do campo magnético. O valor característico da indução magnética residual de ímãs permanentes é da ordem de 1 Tesla.

histerese magnética — a presença dos efeitos da polarização dos ímãs leva ao fato de que a magnetização e a desmagnetização do material magnético ocorrem de maneira desigual, uma vez que a magnetização do material o tempo todo fica um pouco atrás do campo de magnetização.

Nesse caso, parte da energia gasta na magnetização do corpo não é devolvida durante a desmagnetização, mas se transforma em calor. Portanto, inverter repetidamente a magnetização do material está associado a perdas de energia perceptíveis e às vezes pode causar forte aquecimento do corpo magnetizado.

Quanto mais pronunciada a histerese no material, maior a perda nele quando a magnetização é invertida. Portanto, materiais que não possuem histerese são usados ​​para circuitos magnéticos com fluxo magnético alternado (consulte — Núcleos magnéticos de dispositivos elétricos).

As propriedades magnéticas dos ímãs permanentes podem mudar sob a influência do tempo e de fatores externos, que incluem:

• temperatura;

• Campos magnéticos;

• cargas mecânicas;

• radiação etc

A mudança nas propriedades magnéticas é caracterizada pela instabilidade do imã permanente, que pode ser estrutural ou magnética.

A instabilidade estrutural está associada a mudanças na estrutura cristalina, transformações de fase, redução de tensões internas, etc. Neste caso, as propriedades magnéticas originais podem ser obtidas restaurando a estrutura (por exemplo, por tratamento térmico do material).

A instabilidade magnética é causada por uma mudança na estrutura magnética da substância magnética, que tende ao equilíbrio termodinâmico ao longo do tempo e sob a influência de influências externas. A instabilidade magnética pode ser:

• reversível (o retorno às condições iniciais restaura as propriedades magnéticas originais);

• irreversível (o retorno das propriedades originais só pode ser alcançado por magnetização repetida).

Ímã permanente ou eletroímã — o que é melhor?

O uso de ímãs permanentes para criar um campo magnético permanente em vez de seus eletroímãs equivalentes permite:

• reduzir as características de peso e tamanho dos produtos;

• exclui o uso de fontes de energia adicionais (o que simplifica o design dos produtos, reduz o custo de sua produção e operação);

• fornecem um tempo quase ilimitado para manter o campo magnético em condições de trabalho (dependendo do material utilizado).

As desvantagens dos ímãs permanentes são:

• fragilidade dos materiais utilizados em sua criação (isso complica o processamento mecânico dos produtos);

• a necessidade de proteção contra a influência de umidade e mofo (para ferritas GOST 24063), bem como contra a influência de alta umidade e temperatura.

Tipos e propriedades de ímãs permanentes

Ferrita

Os ímãs de ferrite, apesar de frágeis, possuem boa resistência à corrosão, tornando-os os mais comuns e de baixo custo. Esses ímãs são feitos de uma liga de óxido de ferro com bário ou ferrita de estrôncio. Essa composição permite que o material retenha suas propriedades magnéticas em uma ampla faixa de temperatura - de -30 ° C a + 270 ° C.

Produtos magnéticos na forma de anéis de ferrite, hastes e ferraduras são amplamente utilizados tanto na indústria quanto no dia a dia, na tecnologia e na eletrônica. Eles são usados ​​em sistemas de alto-falantes, em geradores, em motores DC… Na indústria automotiva, os ímãs de ferrite são instalados em partidas, janelas, sistemas de refrigeração e ventiladores.

Os ímãs de ferrite são caracterizados por uma força coercitiva de cerca de 200 kA/m e uma indução magnética residual de cerca de 0,4 Tesla. Em média, um ímã de ferrite pode durar de 10 a 30 anos.

Alnico (alumínio-níquel-cobalto)

Os ímãs permanentes à base de uma liga de alumínio, níquel e cobalto são caracterizados por estabilidade e estabilidade de temperatura insuperáveis: eles são capazes de manter suas propriedades magnéticas em temperaturas de até + 550 ° C, embora sua força coercitiva seja relativamente pequena. Sob a influência de um campo magnético relativamente pequeno, esses ímãs perderão suas propriedades magnéticas originais.

Julgue por si mesmo: uma força coercitiva típica é de cerca de 50 kA / m com uma magnetização residual de cerca de 0,7 Tesla. Apesar desta característica, os imãs de alnico são indispensáveis ​​para algumas pesquisas científicas.

O conteúdo típico de componentes em ligas de alnico com altas propriedades magnéticas varia dentro dos seguintes limites: alumínio — de 7 a 10%, níquel — de 12 a 15%, cobalto — de 18 a 40% e de 3 a 4% de cobre.

Quanto mais cobalto, maior a indução de saturação e a energia magnética da liga. Aditivos na forma de 2 a 8% de titânio e apenas 1% de nióbio contribuem para a obtenção de uma força coercitiva maior — até 145 kA/m. A adição de 0,5 a 1% de silício garante propriedades magnéticas isotrópicas.

Samaria

Se você precisa de resistência excepcional à corrosão, oxidação e temperaturas de até + 350 ° C, então uma liga magnética de samário com cobalto é o que você precisa.

A um determinado preço, os ímãs de samário-cobalto são mais caros do que os ímãs de neodímio por causa do metal mais escasso e caro, o cobalto. No entanto, é recomendável usá-los se for necessário ter dimensões e peso mínimos dos produtos finais.

Isso é mais apropriado em espaçonaves, aviação e tecnologia de computadores, motores elétricos em miniatura e acoplamentos magnéticos, em wearables e dispositivos (relógios, fones de ouvido, telefones celulares, etc.)

Devido à sua resistência especial à corrosão, são os ímãs de samário que são usados ​​no desenvolvimento estratégico e em aplicações militares. Motores elétricos, geradores, sistemas de elevação, veículos motorizados - um ímã forte feito de liga de samário-cobalto é ideal para ambientes agressivos e condições de trabalho difíceis. A força coercitiva é da ordem de 700 kA/m com uma indução magnética residual da ordem de 1 Tesla.

Neodímio

Os ímãs de neodímio estão em grande demanda hoje e parecem ser os mais promissores. A liga de neodímio-ferro-boro permite criar superímãs para uma variedade de aplicações, desde fechaduras e brinquedos até geradores elétricos e poderosas máquinas de elevação.

Uma alta força coercitiva de cerca de 1000 kA / m e uma magnetização residual de cerca de 1,1 Tesla permitem que o ímã seja mantido por muitos anos, por 10 anos um ímã de neodímio perde apenas 1% de sua magnetização se sua temperatura em condições de operação não exceder + 80 ° C (para algumas marcas até + 200 ° C). Assim, existem apenas duas desvantagens dos ímãs de neodímio - fragilidade e baixa temperatura de operação.

Magnetoplastos

O pó magnético junto com o aglutinante forma um imã macio, flexível e leve. Componentes de ligação como vinil, borracha, plástico ou acrílico permitem que ímãs sejam produzidos em uma variedade de formas e tamanhos.

A força magnética é, obviamente, menor do que o material magnético puro, mas às vezes essas soluções são necessárias para atingir certos propósitos incomuns para ímãs: na produção de produtos publicitários, na produção de adesivos removíveis para carros, bem como na produção de vários artigos de papelaria e lembranças.

Interação de ímãs

Como os pólos dos ímãs se repelem e os pólos opostos se atraem. A interação dos ímãs é explicada pelo fato de que cada ímã possui um campo magnético e esses campos magnéticos interagem entre si. Por exemplo, qual é a razão da magnetização do ferro?

Segundo a hipótese do cientista francês Ampere, dentro da substância existem correntes elétricas elementares (Correntes de ampères), que se formam devido ao movimento dos elétrons em torno dos núcleos dos átomos e em torno de seu próprio eixo.

Os campos magnéticos elementares surgem do movimento dos elétrons.E se um pedaço de ferro é introduzido em um campo magnético externo, então todos os campos magnéticos elementares neste ferro são orientados da mesma forma em um campo magnético externo, formando seu próprio campo magnético a partir de um pedaço de ferro. Portanto, se o campo magnético externo aplicado fosse forte o suficiente, uma vez que você o desligasse, o pedaço de ferro se tornaria um ímã permanente.

Conhecer a forma e a magnetização de um imã permanente permite que os cálculos sejam substituídos por um sistema equivalente de correntes elétricas de magnetização. Essa substituição é possível tanto ao calcular as características do campo magnético quanto ao calcular as forças que atuam no ímã do campo externo.

Por exemplo, vamos calcular a força de interação de dois ímãs permanentes. Deixe os ímãs terem a forma de cilindros finos, seus raios serão denotados por r1 e r2, as espessuras são h1, h2, os eixos dos ímãs coincidem, a distância entre os ímãs será denotada por z, assumiremos que é muito maior do que o tamanho dos ímãs.

A aparência da força de interação entre os ímãs é explicada da maneira tradicional: um ímã cria um campo magnético que atua no segundo ímã.

Para calcular a força de interação, substituímos mentalmente os ímãs uniformemente magnetizados J1 e J2 por correntes circulares fluindo na superfície lateral dos cilindros. As intensidades dessas correntes serão expressas em termos de magnetização dos ímãs, e seus raios serão considerados iguais aos raios dos ímãs.

Vamos decompor o vetor de indução B do campo magnético criado pelo primeiro ímã no lugar do segundo em dois componentes: axial, direcionado ao longo do eixo do ímã, e radial, perpendicular a ele.

Para calcular a força total que atua no anel, é necessário dividi-la mentalmente em pequenos elementos Idl e soma ampèresagindo sobre cada um desses elementos.

Usando a regra à esquerda, é fácil mostrar que o componente axial do campo magnético dá origem a forças Ampère que tendem a esticar (ou comprimir) o anel – a soma vetorial dessas forças é zero.

A presença do componente radial do campo leva ao aparecimento de forças Ampère direcionadas ao longo do eixo dos ímãs, ou seja, à sua atração ou repulsão. Resta calcular as forças Ampere - essas serão as forças de interação entre os dois ímãs.

Veja também:O uso de ímãs permanentes em engenharia elétrica e energia