Permanentní magnet je výrobek vyrobený z tvrdého magnetického materiálu s vysokou zbytkovou magnetickou indukcí , který dlouhodobě udržuje stav magnetizace. Permanentní magnety se vyrábí v různých tvarech a používají se jako autonomní (energii nespotřebovávající) zdroje magnetického pole .
Permanentní magnety vyrobené z magnetitu se v lékařství používaly již od starověku. Egyptská královna Kleopatra nosila magnetický amulet. Ve starověké Číně se Imperial Book of Internal Medicine zabývala otázkou použití magnetických kamenů ke korekci energie Qi v těle – „živé síly“. V pozdějších dobách o blahodárných účincích magnetů hovořili velcí lékaři a filozofové: Aristoteles , Avicenna , Hippokrates . Ve středověku dvorní lékař Gilbert , který publikoval Na magnetu, léčil královnu Alžbětu I. na artritidu permanentním magnetem. Ruský lékař Botkin se uchýlil k metodám magnetoterapie .
Prvním umělým magnetickým materiálem byla uhlíková ocel, kalená do martenzitické struktury a obsahující asi 1,2–1,5 % uhlíku. Magnetické vlastnosti takové oceli jsou citlivé na mechanické a tepelné vlivy. Při provozu permanentních magnetů na něm založených byl pozorován jev „stárnutí“ magnetických vlastností oceli.
Legování takové oceli wolframem a chromem do 3 %, později kobaltem do 6 %, spolu s chromem do 6 %, umožnilo Dr. Hondě z univerzity Tohok vytvořit nový typ oceli – KS – s vysokou magnetizací a výrazná donucovací síla. Pro získání vysokých magnetických vlastností byla ocel podrobena určitému tepelnému zpracování. Vysoké zbytkové indukce u magnetů z oceli KS bylo dosaženo snížením demagnetizačního faktoru. K tomu se často vyráběly magnety v podlouhlém tvaru podkovy.
Studie magnetických vlastností slitin ukázaly, že primárně závisí na mikrostruktuře materiálu. V roce 1930 bylo dosaženo kvalitativního skoku v získání nové mikrostruktury kalitelných slitin a v roce 1932 získal Dr. T. Miskima legováním KS oceli niklem , hliníkem a mědí MK ocel.
Jde o významný krok ve vývoji řady slitin, které později dostaly obecný název Alnico (podle ruských norem UNDK).
Významný průlom v této oblasti učinili ve 30. letech minulého století japonští vědci, Dr. Yogoro Kato a Dr. Takeshi Takei z Tokijského technologického institutu . Nahrazení části oxidu železnatého v magnetitu oxidem kobaltu při syntéze feritu keramickou technologií vedlo k vytvoření pevného roztoku feritů kobaltu a železa. Koercitivní síla tohoto typu feritu dosahovala 48–72 kA/m (600–900 Oe). V Japonsku se komerční feritové magnety objevily kolem roku 1955, v Rusku v polovině 60. let. Baryové ferity byly postupně upravovány na strontnaté, protože se ukázalo, že jsou technologicky vyspělejší (nevyžadovaly příliš přesné nastavení teploty slinování a byly ekologicky bezpečnější). Složení feritových magnetů obsahuje 85-90 % oxidu železa, který je odpadem hutního průmyslu (z regenerace Rutnerových mořících roztoků), což výrazně snížilo náklady na výrobu.
Další významný technologický průlom nastal v laboratoři US Air Force Material Research, kde byla nalezena intermetalická sloučenina samaria s kobaltem ( SmCo 5 ) s velkou konstantou magnetokrystalické anizotropie. Permanentní magnet vyrobený z takového materiálu umožnil dosáhnout vlastností (HN) max = 16–24 mega Gauss - Oerstedach ( MGSE ), na směsi Sm 2 Co 17 - 32 MGSE byla koercitivní síla zvýšena na 560– 1000 kA/m. Magnety SmCo se komerčně vyrábějí od 70. let 20. století. Zároveň byla objevena sloučenina Nd 2 Fe 14 B. Magnety vyrobené z tohoto materiálu se objevily v polovině 80. let současně v Japonsku i v USA, ale technologie jejich výroby se lišila. V Japonsku byla výroba organizována podle vzoru magnetů SmCo: výroba prášku z lité slitiny, poté lisování v magnetickém poli a slinování. V USA byl přijat proces zvlákňování z taveniny : nejprve se vyrobí amorfní slitina, poté se rozdrtí a vyrobí se kompozitní materiál. Magnetický prášek je spojen s pryží, vinylem, nylonem nebo jinými plasty do kompozitní hmoty, která se lisuje (vstřikuje) nebo kalandruje do výrobků. Ve srovnání se slinutými magnety mají kompozitní magnety o něco nižší vlastnosti, nevyžadují však galvanické pokovování, snadno se mechanicky opracovávají a často mají krásný vzhled, jsou lakovány v různých barvách. Magnety Nd 2 Fe 14 B se na trhu s permanentními magnety objevily v 90. letech a velmi rychle dosáhly energie 50 Mgse (400 kJ/m 3 ) na slinutých vzorcích. Tento materiál rychle vytlačil ostatní, především v miniaturní elektronice.
Vlastnosti magnetu jsou určeny charakteristikou demagnetizační části magnetické hysterezní smyčky materiálu magnetu: čím vyšší je zbytková indukce B r a koercitivní síla H c , tím vyšší je magnetizace a stabilita magnetu.
Indukce permanentního magnetu B d nemůže překročit B r : rovnost B d \ u003d B r je možná pouze v případě, že magnet je uzavřený magnetický obvod, to znamená, že nemá vzduchovou mezeru, nicméně permanentní magnety jsou obvykle slouží k vytvoření magnetického pole ve vzduchové (nebo jiným médiem vyplněné) mezeře, v tomto případě B d < Br , velikost rozdílu závisí na tvaru magnetu a vlastnostech média.
Schematické znázornění magnetických siločar pro magnety různých tvarů:
válcový nebo obdélníkový magnet
magnet podkovy
prstencový magnet
magnet ve tvaru disku
Schematické znázornění magnetických siločar při interakci dvou magnetů v závislosti na umístění jejich pólů (stejné póly se odpuzují, různé se přitahují):
Pro výrobu permanentních magnetů se běžně používají tyto materiály: [1]
Získává se lisováním a (nebo) slinováním prášku oxidů železa s oxidy jiných kovů a je to keramika .
tvrdé magnetické ferity barya a stronciaMají složení Ba / SrO 6 Fe 2 O 3 a vyznačují se vysokou odolností proti demagnetizaci v kombinaci s dobrou odolností proti korozi. Navzdory nízkým magnetickým parametrům a vysoké křehkosti ve srovnání s jinými třídami jsou tvrdé magnetické ferity díky své nízké ceně nejrozšířenější v průmyslu.
neodymové magnety NdFeB ( neodym - železo - bór )Magnety ze vzácných zemin vyrobené lisováním nebo odléváním z intermetalické sloučeniny Nd 2 Fe 14 B. Výhodou neodymových magnetů jsou vysoké magnetické vlastnosti ( Br , H c a ( BH) max ) a také nízká cena. Kvůli špatné odolnosti proti korozi jsou obvykle potaženy mědí, niklem nebo zinkem.
samarium magnety SmCo ( samarium - kobalt )Jsou vyráběny práškovou metalurgií z kompozitní slitiny SmCo 5 / Sm 2 Co 17 a vyznačují se vysokými magnetickými vlastnostmi, výbornou odolností proti korozi a dobrou stabilitou parametrů při teplotách do 350 °C, což jim poskytuje výhody oproti NdFeB magnetům při vysokých teplotách . Podle magnetické složky je výkonnější než ferit, ale slabší než neodymové magnety. Složení některých značek samáriových magnetů, kromě hlavních prvků - samarium a kobalt, může obsahovat další přísady: železo, měď , erbium , gadolinium , zirkonium , cer mischmetal .
Liší se mechanickou pevností. V závislosti na značce a technologii výroby mohou mít sloupcovou, rovnoosou a monokrystalickou strukturu.
Alnico slitinové magnety ( ruský název YUNDK)Vyvinutý ve 30. letech 20. století. Jsou vyrobeny na bázi slitiny Al-Ni-Co-Fe. Mezi jejich přednosti patří vysoká teplotní stabilita v rozsahu teplot do 550 °C, vysoká časová stabilita parametrů v kombinaci s velkou koercitivní silou, dobrá odolnost proti korozi . Důležitým faktorem ve prospěch jejich výběru může být výrazně nižší cena oproti Sm-Co magnetům.
Alni slitinové magnety Magnety ze slitiny FeCoCr magnety ze slitin drahých kovůSlitiny kobalt -platina, železo-platina, železo - palladium mají vysoké magnetické vlastnosti a schopnost deformace [2] .
Jsou vyrobeny ze směsi magnetického prášku a pojivové polymerní složky (například pryž , vinyl ). Výhodou magnetoplastů je možnost získání složitých tvarů výrobků s vysokou rozměrovou přesností, nízkou křehkostí a vysokou korozní odolností v kombinaci s vysokým měrným odporem a nízkou hmotností.
Pro aplikace za běžných teplot jsou nejsilnější permanentní magnety vyrobeny ze slitin obsahujících neodym . Používají se v oblastech, jako je magnetická rezonance , servopohony pevných disků, tvorba kvalitních reproduktorů a také hnací část leteckých motorů.
Permanentní magnety jsou široce používány v elektrických měřicích přístrojích magnetoelektrického systému.
Permanentní magnety se v hodinách fyziky obvykle zobrazují jako podkova , jejíž póly jsou zbarveny modře a červeně.
Samostatné kuličky a válečky se silnými magnetickými vlastnostmi se používají jako high-tech šperky / hračky - jsou sestaveny do řetízků bez dalších spojovacích prvků, které lze nosit jako náramek. V prodeji jsou také návrháři sestávající ze sady válcových magnetických tyčinek a ocelových kuliček. Lze z nich sestavit mnoho konstrukcí, především farmářského typu.
Kromě toho existují flexibilní ploché magnety na bázi polymeru s magnetickými přísadami, které se používají například k výrobě ozdobných magnetů na ledničky , dekorací a dalších prací. Vyrábějí se ve formě pásků a listů, obvykle s nanesenou lepicí vrstvou a fólií, která ji chrání. Magnetické pole takového plochého magnetu je pruhované – s krokem asi dva milimetry se po celé ploše střídá severní a jižní pól. Polymerová magnetická páska je také umístěna uvnitř pryžového těsnění dveří domácích chladniček, čímž současně rovnoměrně utěsňuje a drží dveře v zavřené poloze [3] .