स्थायी चुम्बक - प्रकार और गुण, रूप, चुम्बकों की परस्पर क्रिया

स्थायी चुम्बक क्या होता है

बाहरी चुंबकीय क्षेत्र को हटाने के बाद महत्वपूर्ण अवशिष्ट चुंबकीयकरण को बनाए रखने में सक्षम फेरोमैग्नेटिक उत्पाद को स्थायी चुंबक कहा जाता है।

स्थायी चुम्बक विभिन्न धातुओं जैसे कोबाल्ट, लोहा, निकल, दुर्लभ पृथ्वी मिश्र धातुओं (नियोडिमियम चुम्बकों के लिए) के साथ-साथ मैग्नेटाइट जैसे प्राकृतिक खनिजों से बनाए जाते हैं।

स्थायी चुम्बकों के अनुप्रयोग का दायरा आज बहुत व्यापक है, लेकिन उनका उद्देश्य मौलिक रूप से हर जगह एक ही है- बिजली की आपूर्ति के बिना एक स्थायी चुंबकीय क्षेत्र स्रोत के रूप में… इस प्रकार चुंबक एक ऐसा पिंड है जिसका अपना होता है चुंबकीय क्षेत्र.

शब्द "मैग्नेट" ग्रीक वाक्यांश से आया है जिसका अनुवाद "के रूप में" होता है "मैग्नेशिया का पत्थर", एशियाई शहर के नाम पर रखा गया है जहां मैग्नेटाइट - एक चुंबकीय लौह अयस्क - प्राचीन काल में खोजा गया था…भौतिक दृष्टिकोण से, एक प्राथमिक चुंबक एक इलेक्ट्रॉन है, और चुम्बकों के चुंबकीय गुणों को आमतौर पर इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय क्षणों द्वारा निर्धारित किया जाता है जो चुंबकीय सामग्री बनाते हैं।

स्थायी चुम्बक एक भाग है विद्युत उत्पादों की चुंबकीय प्रणाली… स्थायी चुंबक उपकरण आमतौर पर ऊर्जा रूपांतरण पर आधारित होते हैं:

• यांत्रिक से यांत्रिक (विभाजक, चुंबकीय कनेक्टर, आदि);

• यांत्रिक से विद्युत चुम्बकीय (विद्युत जनरेटर, स्पीकर, आदि);

• इलेक्ट्रोमैग्नेटिक टू मैकेनिकल (इलेक्ट्रिक मोटर्स, लाउडस्पीकर, मैग्नेटोइलेक्ट्रिक सिस्टम, आदि);

• यांत्रिक से आंतरिक (ब्रेक डिवाइस, आदि)।

निम्नलिखित आवश्यकताएँ स्थायी चुम्बकों पर लागू होती हैं:

• उच्च विशिष्ट चुंबकीय ऊर्जा;

• किसी दिए गए क्षेत्र की ताकत के लिए न्यूनतम आयाम;

• ऑपरेटिंग तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर प्रदर्शन बनाए रखना;

• बाहरी चुंबकीय क्षेत्रों का प्रतिरोध; - तकनीकी;

• कच्चे माल की कम लागत;

• समय के साथ चुंबकीय मापदंडों की स्थिरता।

स्थायी चुम्बकों की मदद से विभिन्न प्रकार के कार्यों को हल करने के लिए उनके कार्यान्वयन के कई रूपों के निर्माण की आवश्यकता होती है। स्थायी चुम्बकों को अक्सर घोड़े की नाल (तथाकथित "घोड़े की नाल" मैग्नेट) के आकार का बनाया जाता है।

यह आंकड़ा एक सुरक्षात्मक कोटिंग के साथ दुर्लभ पृथ्वी तत्वों पर आधारित औद्योगिक रूप से निर्मित स्थायी चुम्बकों के रूपों के उदाहरण दिखाता है।

विभिन्न आकृतियों के व्यावसायिक रूप से निर्मित स्थायी चुम्बक: a — डिस्क; लाना; सी - समांतर चतुर्भुज; जी - सिलेंडर; डी - गेंद; ई - एक खोखले सिलेंडर का क्षेत्र

गोल और आयताकार छड़ के रूप में कठोर चुंबकीय धातु मिश्र और फेराइट से भी चुंबक का उत्पादन होता है, साथ ही ट्यूबलर, सी-आकार, घोड़े की नाल के आकार का, आयताकार प्लेटों के रूप में, आदि।

सामग्री के आकार के बाद, इसे चुम्बकित किया जाना चाहिए, अर्थात, एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाना चाहिए, क्योंकि स्थायी चुम्बकों के चुंबकीय मापदंडों को न केवल उनके आकार या उस सामग्री से निर्धारित किया जाता है जिससे वे बने होते हैं, बल्कि दिशा से भी चुंबकीयकरण।

वर्कपीस को स्थायी मैग्नेट, डीसी इलेक्ट्रोमैग्नेट या मैग्नेटाइजिंग कॉइल का उपयोग करके चुंबकित किया जाता है, जिसके माध्यम से वर्तमान दालें गुजरती हैं। चुंबकीयकरण विधि का चुनाव स्थायी चुंबक की सामग्री और आकार पर निर्भर करता है।

मजबूत ताप, प्रभाव के परिणामस्वरूप, स्थायी चुम्बक आंशिक रूप से या पूरी तरह से अपने चुंबकीय गुणों (विचुंबकीकरण) को खो सकते हैं।

degaussing अनुभाग के लक्षण चुंबकीय हिस्टैरिसीस लूप जिस सामग्री से एक स्थायी चुंबक बनाया जाता है, वह एक विशेष स्थायी चुंबक के गुणों को निर्धारित करता है: बलशाली बल Hc जितना अधिक होता है और अवशिष्ट मूल्य उतना ही अधिक होता है चुंबकीय प्रेरण Br — मजबूत और अधिक स्थिर चुंबक।

बलपूर्वक सत्ता (शाब्दिक रूप से लैटिन से अनुवादित - "होल्डिंग फ़ोर्स") - एक बल जो चुंबकीय ध्रुवीकरण में परिवर्तन को रोकता है फेरोमैग्नेट्स.

जब तक फेरोमैग्नेट का ध्रुवीकरण नहीं होता है, अर्थात प्राथमिक धाराएं उन्मुख नहीं होती हैं, तब तक जबरदस्ती बल प्राथमिक धाराओं के उन्मुखीकरण को रोकता है। लेकिन जब फेरोमैग्नेट पहले से ही ध्रुवीकृत होता है, तो यह बाहरी चुंबकीयकरण क्षेत्र को हटा दिए जाने के बाद भी प्राथमिक धाराओं को एक उन्मुख स्थिति में बनाए रखता है।

यह कई फेरोमैग्नेट्स में देखे जाने वाले अवशिष्ट चुंबकत्व की व्याख्या करता है। जबरदस्ती का बल जितना अधिक होगा, अवशिष्ट चुंबकत्व की घटना उतनी ही मजबूत होगी।

तो ज़बरदस्ती की शक्ति है चुंबकीय क्षेत्र की ताकतफेरो- या फेरिमैग्नेटिक पदार्थ के पूर्ण विचुंबकीकरण के लिए आवश्यक है। इस प्रकार, एक निश्चित चुंबक जितना अधिक ज़बरदस्त होता है, उतना ही वह डीमैग्नेटाइजिंग कारकों के लिए प्रतिरोधी होता है।

जबरदस्ती बल के माप की एक इकाई एनई में — एम्पीयर / मीटर। ए चुंबकीय प्रेरण, जैसा कि आप जानते हैं, एक सदिश राशि है, जो चुंबकीय क्षेत्र की एक बल विशेषता है। स्थायी चुम्बकों के अवशिष्ट चुंबकीय प्रेरण का विशिष्ट मूल्य 1 टेस्ला के क्रम का है।

चुंबकीय हिस्टैरिसीस - चुम्बकों के ध्रुवीकरण के प्रभावों की उपस्थिति इस तथ्य की ओर ले जाती है कि चुंबकीय सामग्री का चुम्बकीयकरण और विचुंबकीकरण असमान रूप से आगे बढ़ता है, क्योंकि सामग्री का चुम्बकत्व हर समय चुम्बकीय क्षेत्र से थोड़ा पीछे रह जाता है।

इस मामले में, शरीर को चुम्बकित करने पर खर्च की गई ऊर्जा का हिस्सा विमुद्रीकरण के दौरान वापस नहीं आता है, लेकिन गर्मी में बदल जाता है। इसलिए, सामग्री के चुंबकीयकरण को बार-बार उलटने से ध्यान देने योग्य ऊर्जा हानि होती है और कभी-कभी चुंबकीय शरीर के मजबूत ताप का कारण बन सकता है।

सामग्री में हिस्टैरिसीस जितना अधिक स्पष्ट होता है, चुंबकीयकरण के उलट होने पर उसमें उतना ही अधिक नुकसान होता है। इसलिए, जिन सामग्रियों में हिस्टैरिसीस नहीं होता है, उनका उपयोग वैकल्पिक चुंबकीय प्रवाह के साथ चुंबकीय सर्किट के लिए किया जाता है (देखें - विद्युत उपकरणों के चुंबकीय कोर).

स्थायी चुम्बकों के चुंबकीय गुण समय और बाहरी कारकों के प्रभाव में बदल सकते हैं, जिनमें शामिल हैं:

• तापमान;

• चुंबकीय क्षेत्र;

• यांत्रिक भार;

• विकिरण आदि

चुंबकीय गुणों में परिवर्तन स्थायी चुंबक की अस्थिरता की विशेषता है, जो संरचनात्मक या चुंबकीय हो सकता है।

संरचनात्मक अस्थिरता क्रिस्टल संरचना में परिवर्तन, चरण परिवर्तन, आंतरिक तनाव में कमी आदि से जुड़ी है। इस मामले में, मूल चुंबकीय गुणों को संरचना को बहाल करके प्राप्त किया जा सकता है (उदाहरण के लिए, सामग्री के ताप उपचार द्वारा)।

चुंबकीय अस्थिरता चुंबकीय पदार्थ की चुंबकीय संरचना में बदलाव के कारण होती है, जो समय के साथ और बाहरी प्रभावों के प्रभाव में थर्मोडायनामिक संतुलन की ओर जाता है। चुंबकीय अस्थिरता हो सकती है:

• प्रतिवर्ती (प्रारंभिक स्थितियों पर लौटें मूल चुंबकीय गुणों को पुनर्स्थापित करता है);

• अपरिवर्तनीय (मूल गुणों की वापसी केवल बार-बार चुंबकीयकरण द्वारा प्राप्त की जा सकती है)।

स्थायी चुंबक या विद्युत चुंबक - कौन सा बेहतर है?

उनके समतुल्य विद्युत चुम्बकों के बजाय एक स्थायी चुंबकीय क्षेत्र बनाने के लिए स्थायी चुम्बकों का उपयोग करने की अनुमति देता है:

• उत्पादों के वजन और आकार की विशेषताओं को कम करने के लिए;

• अतिरिक्त ऊर्जा स्रोतों के उपयोग को बाहर करता है (जो उत्पादों के डिजाइन को सरल करता है, उनके उत्पादन और संचालन की लागत को कम करता है);

• काम करने की स्थिति में चुंबकीय क्षेत्र को बनाए रखने के लिए लगभग असीमित समय प्रदान करें (उपयोग की गई सामग्री के आधार पर)।

स्थायी चुम्बकों के नुकसान हैं:

• उनके निर्माण में प्रयुक्त सामग्रियों की नाजुकता (यह उत्पादों के यांत्रिक प्रसंस्करण को जटिल बनाती है);

• नमी और मोल्ड के प्रभाव से सुरक्षा की आवश्यकता (फेरिट्स GOST 24063 के लिए), साथ ही उच्च आर्द्रता और तापमान के प्रभाव से।

स्थायी चुम्बकों के प्रकार और गुण

फेराइट

फेराइट मैग्नेट, हालांकि नाजुक होते हैं, उनमें संक्षारण प्रतिरोध अच्छा होता है, जिससे वे कम लागत पर सबसे आम हो जाते हैं। ये चुम्बक बेरियम या स्ट्रोंटियम फेराइट के साथ आयरन ऑक्साइड के मिश्र धातु से बने होते हैं। यह संरचना सामग्री को -30 डिग्री सेल्सियस से + 270 डिग्री सेल्सियस तक विस्तृत तापमान सीमा में अपने चुंबकीय गुणों को बनाए रखने की अनुमति देती है।

फेराइट के छल्ले, छड़ और घोड़े की नाल के रूप में चुंबकीय उत्पाद व्यापक रूप से उद्योग और रोजमर्रा की जिंदगी में, प्रौद्योगिकी और इलेक्ट्रॉनिक्स दोनों में उपयोग किए जाते हैं। उनका उपयोग स्पीकर सिस्टम में किया जाता है, जनरेटर में, डीसी मोटर्स में... मोटर वाहन उद्योग में, स्टार्टर्स, विंडो, कूलिंग सिस्टम और पंखों में फेराइट मैग्नेट लगाए जाते हैं।

फेराइट मैग्नेट की विशेषता लगभग 200 kA/m की एक जबरदस्ती और लगभग 0.4 टेस्ला के अवशिष्ट चुंबकीय प्रेरण की विशेषता है। औसतन, फेराइट चुंबक 10 से 30 साल तक चल सकता है।

Alnico (एल्यूमीनियम-निकल-कोबाल्ट)

एल्यूमीनियम, निकल और कोबाल्ट के एक मिश्र धातु पर आधारित स्थायी चुम्बकों को नायाब तापमान स्थिरता और स्थिरता की विशेषता होती है: वे अपने चुंबकीय गुणों को + 550 डिग्री सेल्सियस तक तापमान पर बनाए रखने में सक्षम होते हैं, हालांकि उनका जबरदस्त बल अपेक्षाकृत छोटा होता है। अपेक्षाकृत छोटे चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में, ऐसे चुम्बक अपने मूल चुंबकीय गुणों को खो देंगे।

खुद के लिए न्यायाधीश: लगभग 0.7 टेस्ला के अवशिष्ट चुंबकीयकरण के साथ एक विशिष्ट जबरदस्ती बल लगभग 50 kA / m है। इस विशेषता के बावजूद, कुछ वैज्ञानिक अनुसंधानों के लिए एल्निको मैग्नेट अपरिहार्य हैं।

उच्च चुंबकीय गुणों वाले अलनिको मिश्र धातुओं में घटकों की विशिष्ट सामग्री निम्न सीमाओं के भीतर भिन्न होती है: एल्यूमीनियम - 7 से 10%, निकल - 12 से 15%, कोबाल्ट - 18 से 40% और 3 से 4% तांबा।

अधिक कोबाल्ट, उच्च संतृप्ति प्रेरण और मिश्र धातु की चुंबकीय ऊर्जा। 2 से 8% टाइटेनियम के रूप में योजक और केवल 1% नाइओबियम एक उच्च ज़बरदस्त बल प्राप्त करने में योगदान करते हैं - 145 kA / m तक। 0.5 से 1% सिलिकॉन के अलावा आइसोट्रोपिक चुंबकीय गुण सुनिश्चित करता है।

सामरिया

यदि आपको संक्षारण, ऑक्सीकरण और + 350 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान के लिए असाधारण प्रतिरोध की आवश्यकता है, तो आपको कोबाल्ट के साथ समैरियम का एक चुंबकीय मिश्र धातु चाहिए।

एक निश्चित कीमत पर, दुर्लभ और अधिक महंगी धातु, कोबाल्ट के कारण समैरियम-कोबाल्ट मैग्नेट नियोडिमियम मैग्नेट से अधिक महंगे हैं। फिर भी, अंतिम उत्पादों के न्यूनतम आयाम और वजन के लिए आवश्यक होने पर उनका उपयोग करने की अनुशंसा की जाती है।

यह अंतरिक्ष यान, विमानन और कंप्यूटर प्रौद्योगिकी, लघु इलेक्ट्रिक मोटर्स और चुंबकीय कपलिंग, पहनने योग्य और उपकरणों (घड़ियां, हेडफ़ोन, मोबाइल फोन, आदि) में सबसे उपयुक्त है।

संक्षारण के अपने विशेष प्रतिरोध के कारण, यह समैरियम मैग्नेट है जो रणनीतिक विकास और सैन्य अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। इलेक्ट्रिक मोटर्स, जनरेटर, लिफ्टिंग सिस्टम, मोटर वाहन - समैरियम-कोबाल्ट मिश्र धातु से बना एक मजबूत चुंबक आक्रामक वातावरण और कठिन काम करने की स्थिति के लिए आदर्श है। जबरदस्ती बल 1 टेस्ला के क्रम के अवशिष्ट चुंबकीय प्रेरण के साथ 700 kA/m के क्रम का है।

Neodymium

नियोडिमियम मैग्नेट आज काफी मांग में हैं और सबसे अधिक आशाजनक प्रतीत होते हैं। नियोडिमियम-आयरन-बोरॉन मिश्रधातु आपको तालों और खिलौनों से लेकर बिजली के जनरेटर और शक्तिशाली उठाने वाली मशीनों तक, विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए सुपर मैग्नेट बनाने की अनुमति देती है।

लगभग 1000 kA / m का एक उच्च बलशाली बल और लगभग 1.1 टेस्ला का एक अवशिष्ट चुंबकत्व चुंबक को कई वर्षों तक बनाए रखने की अनुमति देता है, 10 वर्षों के लिए एक नियोडिमियम चुंबक अपने चुंबकत्व का केवल 1% खो देता है यदि ऑपरेटिंग परिस्थितियों में इसका तापमान अधिक नहीं होता है + 80 ° C (कुछ ब्रांडों के लिए + 200 ° C तक)। इस प्रकार, नियोडिमियम मैग्नेट के केवल दो नुकसान हैं - नाजुकता और कम ऑपरेटिंग तापमान।

मैग्नेटोप्लास्ट

बाइंडर के साथ मिलकर चुंबकीय पाउडर एक नरम, लचीला और हल्का चुंबक बनाता है। विनाइल, रबर, प्लास्टिक या ऐक्रेलिक जैसे बॉन्डिंग घटक विभिन्न आकार और आकारों में मैग्नेट का उत्पादन करने की अनुमति देते हैं।

बेशक, चुंबकीय बल शुद्ध चुंबकीय सामग्री से कम होता है, लेकिन कभी-कभी चुंबक के लिए कुछ असामान्य उद्देश्यों को प्राप्त करने के लिए ऐसे समाधान आवश्यक होते हैं: विज्ञापन उत्पादों के उत्पादन में, हटाने योग्य कार स्टिकर के उत्पादन में, साथ ही साथ के उत्पादन में विभिन्न स्टेशनरी और स्मृति चिन्ह।

चुम्बकों की परस्पर क्रिया

चुम्बक के ध्रुवों की तरह प्रतिकर्षित होता है और ध्रुवों के विपरीत आकर्षित होता है। चुम्बकों की परस्पर क्रिया को इस तथ्य से समझाया जाता है कि प्रत्येक चुम्बक का एक चुंबकीय क्षेत्र होता है और ये चुंबकीय क्षेत्र एक दूसरे के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। उदाहरण के लिए, लोहे के चुंबकीयकरण का कारण क्या है?

फ्रांसीसी वैज्ञानिक एम्पीयर की परिकल्पना के अनुसार, पदार्थ के अंदर प्राथमिक विद्युत धाराएँ होती हैं (एम्पीयर धाराएँ), जो परमाणुओं के नाभिक के चारों ओर और अपनी धुरी के चारों ओर इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण बनते हैं।

प्राथमिक चुंबकीय क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों की गति से उत्पन्न होते हैं।और अगर लोहे के एक टुकड़े को बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में पेश किया जाता है, तो इस लोहे के सभी प्राथमिक चुंबकीय क्षेत्र बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में उसी तरह उन्मुख होते हैं, जो लोहे के टुकड़े से अपना चुंबकीय क्षेत्र बनाते हैं। इसलिए यदि लगाया गया बाहरी चुंबकीय क्षेत्र काफी मजबूत था, तो एक बार जब आप इसे बंद कर देते हैं, तो लोहे का टुकड़ा स्थायी चुंबक बन जाएगा।

एक स्थायी चुम्बक के आकार और चुम्बकत्व को जानने से गणनाओं को वैद्युत चुम्बकीय धाराओं के समतुल्य प्रणाली द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है। चुंबकीय क्षेत्र की विशेषताओं की गणना करते समय और बाहरी क्षेत्र से चुंबक पर कार्य करने वाली शक्तियों की गणना करते समय ऐसा प्रतिस्थापन संभव है।

उदाहरण के लिए, आइए दो स्थायी चुम्बकों के परस्पर क्रिया बल की गणना करें। चुम्बकों को पतले सिलेंडरों का रूप दें, उनकी त्रिज्या को r1 और r2 द्वारा निरूपित किया जाएगा, मोटाई h1, h2 है, चुम्बकों के अक्ष संयोग करते हैं, चुम्बकों के बीच की दूरी को z द्वारा निरूपित किया जाएगा, हम मान लेंगे कि यह चुम्बकों के आकार से बहुत बड़ा है।

चुम्बकों के बीच परस्पर क्रिया के बल की उपस्थिति को पारंपरिक तरीके से समझाया गया है: एक चुंबक एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है जो दूसरे चुंबक पर कार्य करता है।

अंतःक्रियात्मक बल की गणना करने के लिए, हम मानसिक रूप से समान रूप से चुम्बकीय चुम्बकों J1 और J2 को सिलेंडर की पार्श्व सतह पर बहने वाली वृत्ताकार धाराओं से प्रतिस्थापित करते हैं। इन धाराओं की ताकत चुम्बकों के चुम्बकत्व के रूप में व्यक्त की जाएगी, और उनकी त्रिज्या चुम्बकों की त्रिज्या के बराबर मानी जाएगी।

आइए पहले चुंबक द्वारा बनाए गए चुंबकीय क्षेत्र के इंडक्शन वेक्टर बी को दूसरे के स्थान पर दो घटकों में विघटित करें: अक्षीय, चुंबक की धुरी के साथ निर्देशित, और रेडियल, इसके लंबवत।

रिंग पर अभिनय करने वाले कुल बल की गणना करने के लिए, इसे मानसिक रूप से छोटे तत्वों Idl और योग में विभाजित करना आवश्यक है एम्पीयरऐसे प्रत्येक तत्व पर कार्य करना।

बाईं ओर के नियम का उपयोग करके, यह दिखाना आसान है कि चुंबकीय क्षेत्र का अक्षीय घटक एम्पीयर बलों को जन्म देता है जो रिंग को फैलाने (या संपीड़ित) करने की प्रवृत्ति रखते हैं - इन बलों का सदिश योग शून्य है।

क्षेत्र के रेडियल घटक की उपस्थिति मैग्नेट की धुरी के साथ निर्देशित एम्पीयर बलों की उपस्थिति की ओर ले जाती है, अर्थात उनके आकर्षण या प्रतिकर्षण के लिए। यह एम्पीयर बलों की गणना करने के लिए बना हुआ है - ये दो चुम्बकों के बीच परस्पर क्रिया के बल होंगे।

यह सभी देखें:इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और ऊर्जा में स्थायी चुम्बकों का उपयोग