Magneti permanenti, descrizione e principio di funzionamento

26/03/2019

Insieme allo sfregamento dell'ambra con pezzi elettrizzanti di ambra, i magneti permanenti per gli antichi erano la prima prova materiale dei fenomeni elettromagnetici (il fulmine all'alba della storia era sicuramente riferito alla sfera di manifestazione delle forze intangibili). La spiegazione della natura del ferromagnetismo è sempre stata occupata da menti curiose di scienziati, ma anche ora la natura fisica della costante magnetizzazione di certe sostanze, sia naturali sia create artificialmente, non è stata ancora completamente rivelata, lasciando un campo considerevole di attività per i ricercatori moderni e futuri. magneti permanenti

Materiali tradizionali per magneti permanenti

Sono stati attivamente utilizzati nell'industria dal 1940 con l'aspetto della lega Alnico (AlNiCo). Prima di questo, magneti permanenti di vari tipi di acciaio venivano usati solo in bussole e magneti. Alniko ha reso possibile sostituire gli elettromagneti e usarli in dispositivi come motori, generatori e altoparlanti.

È stata la loro penetrazione nella nostra vita quotidiana che ha ricevuto un nuovo impulso con la creazione di magneti in ferrite, e da allora i magneti permanenti sono diventati un luogo comune.

La rivoluzione nei materiali magnetici iniziò intorno al 1970, con la creazione di una famiglia di samario-cobalto di materiali magnetici duri con una densità di energia magnetica senza precedenti. Poi è stata scoperta una nuova generazione di magneti di terre rare a base di neodimio, ferro e boro con una densità di energia magnetica molto più alta di quella del samario-cobalto (SmCo) e con il basso costo previsto. Queste due famiglie di magneti in terre rare hanno densità di energia così elevate che non solo possono sostituire gli elettromagneti, ma essere utilizzate in aree inaccessibili a loro. Gli esempi includono un minuscolo motore passo-passo a magnete permanente in un orologio da polso e trasduttori di suoni nelle cuffie Walkman.

Un graduale miglioramento delle proprietà magnetiche dei materiali è presentato nello schema seguente. magneti permanenti

Magneti permanenti al neodimio

Rappresentano il risultato più recente e più significativo in questo campo negli ultimi decenni. Per la prima volta, la loro scoperta fu annunciata quasi simultaneamente alla fine del 1983 da specialisti in metalli di Sumitomo e General Motors. Si basano sul composto intermetallico NdFeB: una lega di neodimio, ferro e boro. Di questi, il neodimio è un elemento di terre rare estratto dalla monazite minerale.

L'enorme interesse che ha causato questi magneti permanenti è sorto perché per la prima volta è stato ottenuto un nuovo materiale magnetico, che non è solo più forte della precedente generazione, ma più economico. Consiste principalmente di ferro, che è molto più economico del cobalto e del neodimio, che è uno dei più comuni materiali delle terre rare e ha più riserve sulla Terra che piombo. I principali minerali delle terre rare della monazite e della bastanesite contengono da cinque a dieci volte più neodimio del samario.

Meccanismo fisico di magnetizzazione permanente

Per spiegare il funzionamento di un magnete permanente, dobbiamo guardare all'interno di esso su una scala atomica. Ogni atomo ha una serie di giri dei suoi elettroni, che insieme formano il suo momento magnetico. Per i nostri scopi, possiamo trattare ogni atomo come un magnete a banda piccola. Quando un magnete permanente smagnetizzato (sia riscaldandolo ad alta temperatura o da un campo magnetico esterno), ogni momento atomico è orientato in modo casuale (vedi figura sotto) e non viene osservata regolarità. campi magnetici di magneti permanenti

Quando è magnetizzato in un forte campo magnetico, tutti i momenti atomici sono orientati nella direzione del campo e, per così dire, sono bloccati in "blocco" l'uno con l'altro (vedi la figura sotto). Questo accoppiamento consente di salvare il campo del magnete permanente durante la rimozione del campo esterno e anche di resistere alla smagnetizzazione quando si cambia direzione. La misura della forza coesiva dei momenti atomici è la grandezza della forza coercitiva del magnete. Maggiori informazioni su questo più tardi. campi magnetici di magneti permanenti

Con una presentazione più profonda del meccanismo di magnetizzazione, non operano con i concetti di momenti atomici, ma usano i concetti di aree in miniatura (circa 0,001 cm) all'interno del magnete, che inizialmente hanno una magnetizzazione costante, ma sono orientate in assenza di un campo esterno in modo casuale, così che il rigoroso il meccanismo non è per il magnete nel suo insieme. e al suo dominio separato.

Induzione e magnetizzazione

I momenti atomici sono sommati e formano il momento magnetico dell'intero magnete permanente, e la sua magnetizzazione M indica la grandezza di questo momento per unità di volume. Induzione magnetica B mostra che il magnete permanente è il risultato di una forza magnetica esterna (intensità di campo) H applicata durante la magnetizzazione primaria, così come la magnetizzazione interna M dovuta all'orientamento dei momenti atomici (o di dominio). Il suo valore è generalmente dato dalla formula:

B = μ 0 (H + M),

dove μ 0 è una costante.

In un anello costante e un magnete uniforme, l'intensità di campo H al suo interno (in assenza di un campo esterno) è zero, poiché secondo la legge della corrente totale, l'integrale di esso lungo qualsiasi cerchio all'interno di tale nucleo dell'anello è uguale a:

H ∙ 2πR = iw = 0, da cui H = 0.

Pertanto, la magnetizzazione nel magnete ad anello:

M = B / μ 0 .

In un magnete aperto, ad esempio, nella stessa anulare, ma con un traferro di larghezza l gap in un nucleo di lunghezza l ser , in assenza di un campo esterno e la stessa induzione B all'interno del nucleo e nello spazio secondo la legge della corrente totale otteniamo:

H ser l ser + (1 / μ 0 ) Bl Zaz = iw = 0.

Poiché B = μ 0 (H ser + M ser ), quindi, sostituendo la sua espressione al precedente, otteniamo:

H ser (l ser + l zaz ) + M ser l zaz = 0,

o

H ser = ─ M ser l zaz (l ser + l zaz ).

Nel traferro:

H ZAZ = B / μ 0 ,

inoltre, B è determinato dal dato M ser e trovato H ser .

Curva di magnetizzazione

A partire dallo stato non magnetizzato, quando H aumenta da zero, a causa dell'orientamento di tutti i momenti atomici nella direzione del campo esterno, M e B aumentano rapidamente, cambiando lungo la porzione "a" della curva di magnetizzazione principale (vedi figura sotto). campo magnetico permanente

Quando tutti i momenti atomici sono allineati, M arriva al suo valore di saturazione e un ulteriore aumento di B è dovuto esclusivamente al campo applicato (sezione b della curva principale nella figura seguente). Quando il campo esterno diminuisce a zero, l'induzione B diminuisce non lungo il percorso originale, ma lungo la sezione "c" a causa dell'accoppiamento di momenti atomici, che tendono a mantenerli nella stessa direzione. La curva di magnetizzazione inizia a descrivere il cosiddetto ciclo di isteresi. Quando H (campo esterno) si avvicina a zero, l'induzione si avvicina a un valore residuo determinato solo dai momenti atomici:

In r = μ 0 (0 + M g ).

Dopo che la direzione di H è cambiata, H e M agiscono in direzioni opposte e B diminuisce (parte della curva "d" nella figura). Il valore del campo in cui B è ridotto a zero è chiamato forza coercitiva del magnete B H C. Quando la grandezza del campo applicato è grande abbastanza da rompere l'adesione dei momenti atomici, essi sono orientati nella nuova direzione del campo e la direzione M è invertita. Il valore del campo in cui ciò si verifica è chiamato forza coercitiva interna del magnete permanente M H C. Quindi, ci sono due forze coercitive diverse ma correlate associate ad un magnete permanente.

La figura seguente mostra le principali curve di smagnetizzazione di vari materiali per magneti permanenti. campo magnetico permanente Dimostra che la massima induzione residua B r e la forza coercitiva (sia piena che interna, cioè determinata senza tener conto dell'intensità H, solo dalla magnetizzazione M) sono precisamente magneti NdFeB.

Correnti di superficie (Ampere)

I campi magnetici di magneti permanenti possono essere visti come i campi di alcune delle correnti associate a loro, che scorre lungo le loro superfici. Queste correnti sono chiamate Ampere. Nel solito senso della parola, non ci sono correnti all'interno dei magneti permanenti. Tuttavia, confrontando i campi magnetici di magneti permanenti e i campi di corrente in bobine, il fisico francese Ampere ha suggerito che la magnetizzazione di una sostanza può essere spiegata dal flusso di correnti microscopiche che formano contorni microscopici chiusi. Infatti, l'analogia tra il campo di un solenoide e un lungo magnete cilindrico è quasi completa: c'è un polo nord e sud di un magnete permanente e gli stessi poli di un solenoide, e anche le immagini delle linee di campo dei loro campi sono molto simili (vedi la figura sotto). polo del magnete permanente

Ci sono correnti all'interno del magnete?

Immaginiamo che l'intero volume di un certo magnete permanente con asta (con una forma a sezione trasversale arbitraria) sia riempito con microscopiche correnti di Ampere. La sezione trasversale del magnete con tali correnti è mostrata nella figura seguente. corrente del magnete permanente Ognuno di loro ha un momento magnetico. Con lo stesso orientamento nella direzione del campo esterno, formano un momento magnetico diverso da zero. Determina l'esistenza di un campo magnetico nell'assenza apparente di un movimento ordinato di cariche, in assenza di corrente attraverso qualsiasi sezione del magnete. È anche facile capire che al suo interno le correnti dei circuiti adiacenti (contigui) sono compensate. Non compensati sono solo le correnti sulla superficie del corpo, che formano una superficie Corrente continua magnete. La sua densità è uguale alla magnetizzazione M.

Come sbarazzarsi dei contatti mobili

Problema noto di creazione di una macchina sincrona senza contatto. Il suo design tradizionale con eccitazione elettromagnetica dai poli del rotore con bobine comporta l'alimentazione di corrente a loro attraverso i contatti mobili - anelli di contatto con spazzole. Gli inconvenienti di questa soluzione tecnica sono ben noti: sono difficoltà di manutenzione, bassa affidabilità e grandi perdite nei contatti mobili, soprattutto quando si tratta di potenti turbo e idrogeneratori, nei circuiti di eccitazione di cui viene consumata una notevole quantità di energia elettrica.

Se crei un generatore di questo tipo con magneti permanenti, il problema del contatto scompare immediatamente. È vero, appare il problema di un fissaggio affidabile dei magneti su un rotore rotante. Qui l'esperienza acquisita nel settore dei trattori può essere utile. È stato utilizzato a lungo un generatore induttore con magneti permanenti, situato nelle fessure del rotore, riempito con lega a basso punto di fusione. generatore a magneti permanenti

Motore a magnete permanente

Negli ultimi decenni, le valvole della valvola si sono diffuse. motori a corrente continua. Tale unità è il motore stesso e l'interruttore elettronico del suo avvolgimento di armatura, che funge da collettore. Il motore è a motore sincrono su magneti permanenti situati sul rotore, come in fig. sopra, con l'avvolgimento fisso dell'armatura sullo statore. Il circuito di commutazione elettronico è una tensione (o corrente) DC dell'inverter della rete. motore a magneti permanenti

Il principale vantaggio di questo motore è il suo non contatto. Il suo elemento specifico è un sensore di posizione foto, induzione o rotore Hall che controlla il funzionamento dell'inverter.