永久磁石 — 磁石の種類と特性、形状、相互作用

永久磁石とは何ですか

外部磁場を除去した後も大きな残留磁化を保持できる強磁性製品は永久磁石と呼ばれます。

永久磁石は、コバルト、鉄、ニッケル、希土類合金（ネオジム磁石の場合）などのさまざまな金属や、マグネタイトなどの天然鉱物から作られています。

今日の永久磁石の応用範囲は非常に広いですが、その目的はどこでも基本的に同じです。 電源不要の永久磁場源として… このように、磁石はそれ自体が持つ物体です。 磁場.

まさに「磁石」という言葉は、次のように翻訳されるギリシャ語のフレーズに由来しています。 「マグネシアの石」は、古代に磁性鉄鉱石であるマグネタイトの鉱床が発見されたアジアの都市にちなんで名付けられました… 物理的な観点から見ると、基本的な磁石は電子であり、磁石の磁気特性は通常、磁化された材料を構成する電子の磁気モーメントによって決まります。

永久磁石は部品です 電気製品の磁気システム… 永久磁石デバイスは通常、エネルギー変換に基づいています。

• 機械対機械 (セパレーター、磁気コネクターなど)。

• 機械式から電磁式（発電機、スピーカーなど）。

• 電磁から機械（電気モーター、スピーカー、磁気電気システムなど）。

• 機械から内部（ブレーキ装置など）まで。

永久磁石には次の要件が適用されます。

• 高い比磁気エネルギー。

• 所定の電界強度に対する最小寸法。

• 幅広い動作温度にわたって性能を維持します。

• 外部磁場に対する耐性。 - テクノロジー;

• 原材料の低コスト。

• 時間の経過に伴う磁気パラメータの安定性。

永久磁石を使用してさまざまなタスクを解決するには、さまざまな実装形式を作成する必要があります。永久磁石は、多くの場合、馬蹄形 (いわゆる「馬蹄形」磁石) のような形をしています。

図は工業的に生産されている希土類元素系永久磁石の保護コーティングを施した形状例を示しています。

市販されているさまざまな形状の永久磁石。持っていく; c — 平行六面体。 g — シリンダー; d — ボール; e — 中空円筒のセクター

磁石は、硬磁性金属合金およびフェライトから、円形および長方形の棒状のほか、管状、C 形、馬蹄形、長方形の板などの形で製造されます。

材料を成形した後、磁化する、つまり外部磁場に置く必要があります。永久磁石の磁気パラメータは、その形状や材料だけでなく、磁石の向きによっても決まるからです。磁化。

ワークピースは、永久磁石、DC 電磁石、または電流パルスが通過する励磁コイルを使用して磁化されます。着磁方法の選択は永久磁石の材質と形状によって異なります。

強い加熱や衝撃により、永久磁石は部分的または完全に磁気特性を失う (減磁) ことがあります。

消磁部の特徴 磁気ヒステリシスループ 永久磁石の材質によって特定の永久磁石の特性が決まります。保磁力 Hc が高く、残留値も高くなります。 磁気誘導 Br — より強力で安定した磁石。

強制力 (ラテン語から直訳すると「保持力」) - 磁気分極の変化を妨げる力 強磁性体.

強磁性体が分極していない限り、つまり基本電流の配向がない限り、保磁力によって基本電流の配向が妨げられます。しかし、強磁性体がすでに分極されている場合、外部磁場が取り除かれた後でも基本電流を配向位置に維持します。

これは、多くの強磁性体に見られる残留磁気を説明します。保磁力が大きいほど残留磁気現象が強くなります。

ですから強制力というのは、 磁場の強さ強磁性またはフェリ磁性物質の完全な消磁に必要です。したがって、特定の磁石の保磁力が高くなるほど、減磁要因に対する耐性が高くなります。

保磁力の測定単位 北東で — アンペア/メートル。あ 磁気誘導はご存知のとおり、磁場に特有の力であるベクトル量です。永久磁石の残留磁気誘導の特性値は 1 テスラ程度です。

磁気ヒステリシス - 磁石の分極の影響が存在すると、磁性材料の磁化は磁化フィールドよりも常にわずかに遅れるため、磁性材料の磁化と消磁が不均一に進行するという事実が生じます。

この場合、物体の磁化に費やされたエネルギーの一部は、消磁中に戻されず、熱に変わります。したがって、材料の磁化を繰り返し反転すると、顕著なエネルギー損失が発生し、場合によっては磁化された本体が強く加熱される可能性があります。

材料のヒステリシスが顕著になると、磁化が反転したときの損失が大きくなります。したがって、交流磁束を伴う磁気回路​​にはヒステリシスを持たない材料が使用されます (—を参照)。 電気機器の磁心).

永久磁石の磁気特性は、時間や次のような外部要因の影響を受けて変化する可能性があります。

• 温度;

• 磁場;

• 機械的負荷。

• 放射線など

磁気特性の変化は永久磁石の不安定性によって特徴付けられ、これは構造的または磁性的なものである可能性があります。

構造の不安定性は、結晶構造の変化、相変態、内部応力の減少などに関連しています。この場合、構造を回復することによって（たとえば、材料の熱処理によって）元の磁気特性を得ることができます。

磁気不安定性は磁性物質の磁気構造の変化によって引き起こされ、時間の経過や外部の影響を受けて熱力学的平衡に向かう傾向があります。磁気の不安定性には次のようなものが考えられます。

• 可逆的（初期状態に戻ると元の磁気特性が回復します）。

• 不可逆性（磁化を繰り返すことによってのみ元の特性に戻ります）。

永久磁石と電磁石、どちらが優れていますか?

同等の電磁石の代わりに永久磁石を使用して永久磁場を作成すると、次のことが可能になります。

• 製品の重量とサイズ特性を軽減するため。

• 追加のエネルギー源の使用を除外します（これにより、製品の設計が簡素化され、製造および運用のコストが削減されます）。

• 磁場を動作条件に維持するためのほぼ無制限の時間を提供します (使用する材料によって異なります)。

永久磁石の欠点は次のとおりです。

• 作成に使用される材料の脆弱性（これにより、製品の機械的加工が複雑になります）。

• 湿気やカビの影響 (フェライト GOST 24063)、および高湿度や温度の影響に対する保護の必要性。

永久磁石の種類と性質

フェライト

フェライト磁石は壊れやすいものの、耐食性に優れているため、低コストで最も一般的です。これらの磁石は、酸化鉄とバリウムまたはストロンチウムフェライトの合金でできています。この組成により、材料は -30 °C から + 270 °C までの広い温度範囲で磁気特性を維持できます。

フェライト リング、ロッド、蹄鉄などの磁気製品は、産業や日常生活、テクノロジーやエレクトロニクスの分野で広く使用されています。スピーカーシステムなどに使用されており、 発電機で, DCモーターで… 自動車業界では、フェライト磁石がスターター、ウィンドウ、冷却システム、ファンに取り付けられています。

フェライト磁石は、約 200 kA/m の保磁力と約 0.4 テスラの残留磁気誘導を特徴とします。フェライト磁石の寿命は平均して 10 ～ 30 年です。

アルニコ (アルミニウム-ニッケル-コバルト)

アルミニウム、ニッケル、コバルトの合金をベースとした永久磁石は、比類のない温度安定性と安定性を特徴としています。保磁力は比較的小さいにもかかわらず、最大+ 550℃の温度でも磁気特性を維持できます。比較的小さな磁場の影響下では、このような磁石は元の磁気特性を失います。

自分で判断してください。典型的な保磁力は約 50 kA/m、残留磁化は約 0.7 テスラです。このような特徴にもかかわらず、アルニコ磁石は一部の科学研究には不可欠です。

高磁気特性を持つアルニコ合金の一般的な成分含有量は、アルミニウム - 7 ～ 10%、ニッケル - 12 ～ 15%、コバルト - 18 ～ 40%、銅 3 ～ 4% の範囲内で変化します。

コバルトの量が多いほど、合金の飽和誘導と磁気エネルギーが高くなります。 2 ～ 8% のチタンとわずか 1% のニオブの形での添加剤は、最大 145 kA/m のより高い保磁力の実現に貢献します。 0.5 ～ 1% のシリコンの添加により、等方性の磁気特性が保証されます。

サマリア

腐食、酸化、および + 350 °C までの温度に対する優れた耐性が必要な場合は、サマリウムとコバルトの磁性合金が必要です。

サマリウムコバルト磁石は、希少で高価な金属であるコバルトを使用しているため、一定の価格ではネオジム磁石よりも高価です。ただし、最終製品の寸法と重量を最小限にする必要がある場合には、これらを使用することをお勧めします。

これは、宇宙船、航空およびコンピュータ技術、小型電気モーターおよび磁気カップリング、ウェアラブルおよびデバイス (時計、ヘッドフォン、携帯電話など) に最も適しています。

サマリウム磁石はその特別な耐腐食性により、戦略的開発や軍事用途に使用されています。電気モーター、発電機、昇降システム、自動車 - サマリウム コバルト合金製の強力な磁石は、過酷な環境や困難な作業条件に最適です。保磁力は 700 kA/m 程度で、残留磁気誘導は 1 テスラ程度です。

ネオジム

ネオジム磁石は今日大きな需要があり、最も有望であると思われます。ネオジム・鉄・ホウ素合金を使用すると、錠前やおもちゃから発電機や強力な昇降機まで、さまざまな用途に使用できるスーパーマグネットを作成できます。

約1000 kA/mの高い保磁力と約1.1テスラの残留磁化により、磁石を長期間維持することができます。ネオジム磁石は、使用条件下での温度が以下であれば、10年間でも磁化のわずか1％を失います。 + 80 °C (一部のブランドでは最大 + 200 °C)。したがって、ネオジム磁石の欠点は、壊れやすいことと動作温度が低いことの 2 つだけです。

磁性体

磁性粉末とバインダーは、柔らかく、柔軟で、軽い磁石を形成します。ビニール、ゴム、プラスチック、アクリルなどの結合コンポーネントを使用して、さまざまな形状やサイズの磁石を製造できます。

もちろん、磁力は純粋な磁性材料よりも低いですが、広告製品の製造、取り外し可能な車のステッカーの製造、自動車の製造など、磁石の特殊な目的を達成するために、そのような解決策が必要になる場合があります。さまざまな文房具やお土産。

磁石の相互作用

磁石の極が反発するのと同じですが、極が引き合うのとは異なります。磁石の相互作用は、各磁石が磁場を持ち、これらの磁場が互いに相互作用するという事実によって説明されます。例えば、鉄が磁化する理由は何でしょうか？

フランスの科学者アンペールの仮説によると、物質の内部には初歩的な電流が存在します。アンペア電流）、原子の核の周りとその軸の周りの電子の移動によって形成されます。

素磁場は電子の動きから発生します。そして、鉄片が外部磁場に導入されると、この鉄のすべての基本磁場は外部磁場内で同じ方向を向いて、鉄片から独自の磁場を形成します。したがって、加えられた外部磁場が十分に強い場合、スイッチをオフにすると、鉄片は永久磁石になります。

永久磁石の形状と磁化がわかれば、計算を等価な磁化電流系に置き換えることができます。このような置き換えは、磁場の特性を計算する場合と、外部場から磁石に作用する力を計算する場合の両方で可能です。

たとえば、2 つの永久磁石の相互作用力を計算してみましょう。磁石が薄い円柱の形をしているとします。その半径は r1 と r2 で示され、厚さは h1、h2 で示され、磁石の軸は一致し、磁石間の距離は z で示されます。磁石のサイズよりもはるかに大きいです。

磁石間の相互作用の力の出現は、1 つの磁石が 2 番目の磁石に作用する磁場を生成するという伝統的な方法で説明されます。

相互作用力を計算するには、均一に磁化された磁石 J1 と J2 を、円筒の側面に流れる円形電流に頭の中で置き換えます。これらの電流の強さは磁石の磁化の観点から表現され、その半径は磁石の半径と等しいと見なされます。

2 番目の磁石の代わりに 1 番目の磁石によって生成される磁場の誘導ベクトル B を、磁石の軸に沿ったアキシャル方向とそれに垂直なラジアル方向の 2 つの成分に分解してみましょう。

リングに作用する力の合計を計算するには、リングを小さな要素 Idl と sum に精神的に分割する必要があります。 アンペアそれぞれの要素に作用します。

左側の規則を使用すると、磁場の軸方向成分がリングを伸ばす (または圧縮する) 傾向のあるアンペア力を生じさせることを簡単に示すことができます。これらの力のベクトル和は 0 です。

磁場の半径方向成分の存在により、磁石の軸に沿って向かうアンペア力、つまり磁石の引力または反発力が発生します。アンペア力を計算することは残っています。これらは 2 つの磁石間の相互作用の力になります。

以下も参照してください。電気工学およびエネルギーにおける永久磁石の使用