Imanes permanentes: tipos y propiedades, formas, interacción de imanes

¿Qué es un imán permanente?

Un producto ferromagnético capaz de retener una magnetización residual significativa después de eliminar el campo magnético externo se denomina imán permanente.

Los imanes permanentes están hechos de varios metales como cobalto, hierro, níquel, aleaciones de tierras raras (para imanes de neodimio) y minerales naturales como magnetitas.

El ámbito de aplicación de los imanes permanentes hoy en día es muy amplio, pero su propósito es fundamentalmente el mismo en todas partes: como fuente de campo magnético permanente sin fuente de alimentación… Así, un imán es un cuerpo que tiene su propio campo magnético.

La misma palabra "imán" proviene de la frase griega que se traduce como "Piedra de Magnesia", llamada así por la ciudad asiática donde se descubrieron depósitos de magnetita, un mineral de hierro magnético, en la antigüedad.… Desde un punto de vista físico, un imán elemental es un electrón, y las propiedades magnéticas de los imanes suelen estar determinadas por los momentos magnéticos de los electrones que componen el material magnetizado.

El imán permanente es una parte sistemas magnéticos de productos eléctricos… Los dispositivos de imanes permanentes generalmente se basan en la conversión de energía:

• mecánico a mecánico (separadores, conectores magnéticos, etc.);

• mecánica a electromagnética (generadores eléctricos, parlantes, etc.);

• electromagnéticos a mecánicos (motores eléctricos, parlantes, sistemas magnetoeléctricos, etc.);

• mecánico a interno (dispositivos de freno, etc.).

Los siguientes requisitos se aplican a los imanes permanentes:

• alta energía magnética específica;

• dimensiones mínimas para una intensidad de campo determinada;

• mantener el rendimiento en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento;

• resistencia a campos magnéticos externos; - tecnología;

• bajo costo de las materias primas;

• estabilidad de los parámetros magnéticos a lo largo del tiempo.

La variedad de tareas resueltas con la ayuda de imanes permanentes requiere la creación de muchas formas de su implementación.Los imanes permanentes a menudo tienen forma de herradura (los llamados imanes de "herradura").

La figura muestra ejemplos de formas de imanes permanentes producidos industrialmente basados ​​en elementos de tierras raras con una capa protectora.

Imanes permanentes producidos comercialmente de varias formas: a — disco; traer; c — paralelepípedo; g — cilindro; d - pelota; e — sector de un cilindro hueco

Los imanes también se fabrican a partir de aleaciones de metales magnéticos duros y ferritas en forma de varillas redondas y rectangulares, así como tubulares, en forma de C, en forma de herradura, en forma de placas rectangulares, etc.

Una vez formado el material, debe magnetizarse, es decir, colocarse en un campo magnético externo, porque los parámetros magnéticos de los imanes permanentes están determinados no solo por su forma o el material del que están hechos, sino también por la dirección de magnetización.

Las piezas de trabajo se magnetizan mediante imanes permanentes, electroimanes de CC o bobinas de magnetización a través de las cuales pasan pulsos de corriente. La elección del método de magnetización depende del material y la forma del imán permanente.

Como resultado de fuertes calentamientos, impactos, los imanes permanentes pueden perder parcial o completamente sus propiedades magnéticas (desmagnetización).

Características de la sección de desmagnetización bucles de histéresis magnética el material del que está hecho un imán permanente determina las propiedades de un imán permanente en particular: cuanto mayor sea la fuerza coercitiva Hc y mayor el valor residual inducción magnética Br — el imán más fuerte y más estable.

Fuerza coercitiva (traducido literalmente del latín - "fuerza de sujeción") - una fuerza que evita un cambio en la polarización magnética ferroimanes.

Mientras el ferromagneto no esté polarizado, es decir, las corrientes elementales no estén orientadas, la fuerza coercitiva impide la orientación de las corrientes elementales. Pero cuando el ferroimán ya está polarizado, mantiene las corrientes elementales en una posición orientada incluso después de que se elimine el campo magnético externo.

Esto explica el magnetismo residual visto en muchos ferromagnetos. Cuanto mayor es la fuerza coercitiva, más fuerte es el fenómeno del magnetismo residual.

Entonces el poder coercitivo es intensidad del campo magnéticonecesarios para la desmagnetización completa de una sustancia ferromagnética o ferrimagnética. Así, cuanto más coercitivo tiene un determinado imán, más resistente es a los factores desmagnetizantes.

Una unidad de medida de la fuerza coercitiva en NE — Amperio / metro. A inducción magnética, como saben, es una cantidad vectorial, que es una fuerza característica del campo magnético. El valor característico de la inducción magnética residual de los imanes permanentes es del orden de 1 Tesla.

histéresis magnética — la presencia de los efectos de la polarización de los imanes conduce al hecho de que la magnetización y la desmagnetización del material magnético proceden de manera desigual, ya que la magnetización del material siempre va un poco por detrás del campo magnético.

En este caso, parte de la energía gastada en magnetizar el cuerpo no se devuelve durante la desmagnetización, sino que se convierte en calor. Por lo tanto, invertir repetidamente la magnetización del material está asociado con pérdidas de energía notables y, en ocasiones, puede causar un fuerte calentamiento del cuerpo magnetizado.

Cuanto más pronunciada es la histéresis en el material, mayor es la pérdida en él cuando se invierte la magnetización. Por lo tanto, los materiales que no tienen histéresis se utilizan para circuitos magnéticos con flujo magnético alterno (ver — Núcleos magnéticos de dispositivos eléctricos.).

Las propiedades magnéticas de los imanes permanentes pueden cambiar bajo la influencia del tiempo y de factores externos, que incluyen:

• temperatura;

• campos magnéticos;

• cargas mecánicas;

• radiación, etc

El cambio de propiedades magnéticas se caracteriza por la inestabilidad del imán permanente, que puede ser estructural o magnético.

La inestabilidad estructural está asociada con cambios en la estructura cristalina, transformaciones de fase, reducción de tensiones internas, etc. En este caso, las propiedades magnéticas originales pueden obtenerse restaurando la estructura (por ejemplo, mediante tratamiento térmico del material).

La inestabilidad magnética es causada por un cambio en la estructura magnética de la sustancia magnética, que tiende al equilibrio termodinámico con el tiempo y bajo la influencia de influencias externas. La inestabilidad magnética puede ser:

• reversible (el retorno a las condiciones iniciales restaura las propiedades magnéticas originales);

• irreversible (el retorno de las propiedades originales solo se puede lograr mediante magnetización repetida).

Imán permanente o electroimán, ¿cuál es mejor?

El uso de imanes permanentes para crear un campo magnético permanente en lugar de sus electroimanes equivalentes permite:

• reducir las características de peso y tamaño de los productos;

• excluye el uso de fuentes de energía adicionales (lo que simplifica el diseño de productos, reduce el costo de su producción y operación);

• proporcionar un tiempo casi ilimitado para mantener el campo magnético en condiciones de trabajo (dependiendo del material utilizado).

Las desventajas de los imanes permanentes son:

• fragilidad de los materiales utilizados en su creación (esto complica el procesamiento mecánico de los productos);

• la necesidad de protección contra la influencia de la humedad y el moho (para ferritas GOST 24063), así como contra la influencia de la alta humedad y temperatura.

Tipos y propiedades de los imanes permanentes

Ferrito

Los imanes de ferrita, aunque frágiles, tienen buena resistencia a la corrosión, lo que los convierte en los más comunes a bajo costo. Estos imanes están hechos de una aleación de óxido de hierro con ferrita de bario o estroncio. Esta composición permite que el material conserve sus propiedades magnéticas en un amplio rango de temperatura, desde -30 ° C hasta + 270 ° C.

Los productos magnéticos en forma de anillos de ferrita, varillas y herraduras son muy utilizados tanto en la industria como en la vida cotidiana, en tecnología y electrónica. Se utilizan en sistemas de altavoces, en generadores, en motores de corriente continua… En la industria automotriz, los imanes de ferrita se instalan en motores de arranque, ventanas, sistemas de enfriamiento y ventiladores.

Los imanes de ferrita se caracterizan por una fuerza coercitiva de unos 200 kA/m y una inducción magnética residual de unos 0,4 Tesla. En promedio, un imán de ferrita puede durar de 10 a 30 años.

Alnico (aluminio-níquel-cobalto)

Los imanes permanentes basados ​​en una aleación de aluminio, níquel y cobalto se caracterizan por una estabilidad y estabilidad térmica insuperables: pueden mantener sus propiedades magnéticas a temperaturas de hasta + 550 ° C, aunque su fuerza coercitiva es relativamente pequeña. Bajo la influencia de un campo magnético relativamente pequeño, tales imanes perderán sus propiedades magnéticas originales.

Juzgue usted mismo: una fuerza coercitiva típica es de unos 50 kA/m con una magnetización residual de unos 0,7 Tesla. A pesar de esta característica, los imanes de álnico son indispensables para algunas investigaciones científicas.

El contenido típico de componentes en aleaciones de álnico con altas propiedades magnéticas varía dentro de los siguientes límites: aluminio — de 7 a 10 %, níquel — de 12 a 15 %, cobalto — de 18 a 40 % y de 3 a 4 % de cobre.

Cuanto más cobalto, mayor es la inducción de saturación y la energía magnética de la aleación. Los aditivos en forma de 2 a 8% de titanio y solo 1% de niobio contribuyen a obtener una fuerza coercitiva más alta, hasta 145 kA / m. La adición de 0,5 a 1% de silicio asegura propiedades magnéticas isotrópicas.

Samaria

Si necesita una resistencia excepcional a la corrosión, oxidación y temperaturas de hasta + 350 °C, entonces lo que necesita es una aleación magnética de samario con cobalto.

A un cierto precio, los imanes de samario-cobalto son más caros que los imanes de neodimio debido al metal más escaso y más caro, el cobalto. No obstante, se recomienda utilizarlos si es necesario tener dimensiones y peso mínimos de los productos finales.

Esto es más apropiado en naves espaciales, aviación y tecnología informática, motores eléctricos en miniatura y acoplamientos magnéticos, en dispositivos portátiles y dispositivos (relojes, auriculares, teléfonos móviles, etc.)

Debido a su especial resistencia a la corrosión, son los imanes de samario los que se utilizan en desarrollo estratégico y aplicaciones militares. Motores eléctricos, generadores, sistemas de elevación, vehículos de motor: un fuerte imán hecho de aleación de samario-cobalto es ideal para entornos agresivos y condiciones de trabajo difíciles. La fuerza coercitiva es del orden de 700 kA/m con una inducción magnética residual del orden de 1 Tesla.

neodimio

Los imanes de neodimio tienen una gran demanda hoy en día y parecen ser los más prometedores. La aleación de neodimio-hierro-boro le permite crear superimanes para una variedad de aplicaciones, desde cerraduras y juguetes hasta generadores eléctricos y potentes máquinas elevadoras.

Una alta fuerza coercitiva de unos 1000 kA/m y una magnetización residual de unos 1,1 Tesla permiten mantener el imán durante muchos años, durante 10 años un imán de neodimio pierde solo el 1% de su magnetización si su temperatura en condiciones de funcionamiento no supera + 80 °C (para algunas marcas hasta + 200 °C). Por lo tanto, solo hay dos desventajas de los imanes de neodimio: fragilidad y baja temperatura de funcionamiento.

Magnetoplastos

El polvo magnético junto con el aglutinante forma un imán suave, flexible y ligero. Los componentes adhesivos como el vinilo, el caucho, el plástico o el acrílico permiten que se produzcan imanes en una variedad de formas y tamaños.

La fuerza magnética es, por supuesto, menor que la del material magnético puro, pero a veces estas soluciones son necesarias para lograr ciertos propósitos inusuales para los imanes: en la producción de productos publicitarios, en la producción de calcomanías removibles para automóviles, así como en la producción de varios artículos de papelería y souvenirs.

Interacción de imanes

Como los polos de los imanes se repelen ya diferencia de los polos se atraen. La interacción de los imanes se explica por el hecho de que cada imán tiene un campo magnético y estos campos magnéticos interactúan entre sí. Por ejemplo, ¿cuál es la razón de la magnetización del hierro?

Según la hipótesis del científico francés Ampere, en el interior de la sustancia existen corrientes eléctricas elementales (Corrientes de amperios), que se forman debido al movimiento de electrones alrededor de los núcleos de los átomos y alrededor de su propio eje.

Los campos magnéticos elementales surgen del movimiento de los electrones.Y si se introduce un trozo de hierro en un campo magnético externo, todos los campos magnéticos elementales de este hierro se orientan de la misma manera en un campo magnético externo, formando su propio campo magnético a partir de un trozo de hierro. Entonces, si el campo magnético externo aplicado fue lo suficientemente fuerte, una vez que lo apagó, la pieza de hierro se convertiría en un imán permanente.

Conocer la forma y la magnetización de un imán permanente permite sustituir los cálculos por un sistema equivalente de corrientes eléctricas de magnetización. Tal reemplazo es posible tanto al calcular las características del campo magnético como al calcular las fuerzas que actúan sobre el imán desde el campo externo.

Por ejemplo, calculemos la fuerza de interacción de dos imanes permanentes. Sean los imanes en forma de cilindros delgados, sus radios se denotarán por r1 y r2, los espesores son h1, h2, los ejes de los imanes coinciden, la distancia entre los imanes se denotará por z, supondremos que es mucho más grande que el tamaño de los imanes.

La aparición de la fuerza de interacción entre imanes se explica de forma tradicional: un imán crea un campo magnético que actúa sobre el segundo imán.

Para calcular la fuerza de interacción, reemplazamos mentalmente los imanes magnetizados uniformemente J1 y J2 con corrientes circulares que fluyen en la superficie lateral de los cilindros. Las fuerzas de estas corrientes se expresarán en términos de la magnetización de los imanes, y sus radios se considerarán iguales a los radios de los imanes.

Descompongamos el vector de inducción B del campo magnético creado por el primer imán en lugar del segundo en dos componentes: axial, dirigida a lo largo del eje del imán, y radial, perpendicular a él.

Para calcular la fuerza total que actúa sobre el anillo, es necesario dividirlo mentalmente en pequeños elementos Idl y suma Amperiosactuando sobre cada elemento.

Utilizando la regla de la izquierda, es fácil demostrar que la componente axial del campo magnético genera fuerzas de amperios que tienden a estirar (o comprimir) el anillo; la suma vectorial de estas fuerzas es cero.

La presencia de la componente radial del campo da lugar a la aparición de fuerzas de amperios dirigidas a lo largo del eje de los imanes, es decir, a su atracción o repulsión. Queda por calcular las fuerzas de Ampere: estas serán las fuerzas de interacción entre los dos imanes.

Ver también:El uso de imanes permanentes en ingeniería eléctrica y energía.