Aimants permanents — types et propriétés, formes, interaction des aimants

Qu'est-ce qu'un aimant permanent

Un produit ferromagnétique capable de conserver une aimantation résiduelle importante après suppression du champ magnétique externe est appelé aimant permanent.

Les aimants permanents sont fabriqués à partir de divers métaux tels que le cobalt, le fer, le nickel, les alliages de terres rares (pour les aimants en néodyme) ainsi que des minéraux naturels tels que les magnétites.

Le champ d'application des aimants permanents est aujourd'hui très large, mais leur objectif est fondamentalement le même partout - comme source de champ magnétique permanent sans alimentation électrique… Ainsi un aimant est un corps qui a son propre champ magnétique.

Le mot même "aimant" vient de l'expression grecque qui se traduit par "Pierre de magnésie", du nom de la ville asiatique où des gisements de magnétite - un minerai de fer magnétique - ont été découverts dans l'Antiquité… D'un point de vue physique, un aimant élémentaire est un électron, et les propriétés magnétiques des aimants sont généralement déterminées par les moments magnétiques des électrons qui composent le matériau aimanté.

L'aimant permanent fait partie systèmes magnétiques de produits électriques… Les dispositifs à aimants permanents sont généralement basés sur la conversion d'énergie :

• mécanique à mécanique (séparateurs, connecteurs magnétiques, etc.) ;

• mécanique à électromagnétique (générateurs électriques, haut-parleurs, etc.) ;

• électromagnétique à mécanique (moteurs électriques, haut-parleurs, systèmes magnétoélectriques, etc.) ;

• mécanique à interne (dispositifs de freinage, etc.).

Les exigences suivantes s'appliquent aux aimants permanents :

• énergie magnétique spécifique élevée;

• dimensions minimales pour une intensité de champ donnée ;

• maintenir les performances sur une large plage de températures de fonctionnement ;

• résistance aux champs magnétiques externes ; - technologie;

• faible coût des matières premières;

• stabilité des paramètres magnétiques dans le temps.

La variété des tâches résolues à l'aide d'aimants permanents nécessite la création de nombreuses formes de leur mise en œuvre.Les aimants permanents ont souvent la forme d'un fer à cheval (les aimants dits "en fer à cheval").

La figure montre des exemples de formes d'aimants permanents produits industriellement à base d'éléments de terres rares avec un revêtement protecteur.

Aimants permanents produits dans le commerce de différentes formes : a — disque ; apporter; c — parallélépipède ; g — cylindre ; d - ballon ; e — secteur d'un cylindre creux

Les aimants sont également fabriqués à partir d'alliages métalliques magnétiques durs et de ferrites sous forme de tiges rondes et rectangulaires, ainsi que tubulaires, en forme de C, en forme de fer à cheval, sous forme de plaques rectangulaires, etc.

Une fois le matériau mis en forme, il doit être magnétisé, c'est-à-dire placé dans un champ magnétique externe, car les paramètres magnétiques des aimants permanents sont déterminés non seulement par leur forme ou le matériau à partir duquel ils sont fabriqués, mais également par la direction de magnétisation.

Les pièces sont magnétisées à l'aide d'aimants permanents, d'électroaimants à courant continu ou de bobines de magnétisation traversés par des impulsions de courant. Le choix de la méthode d'aimantation dépend du matériau et de la forme de l'aimant permanent.

Suite à un fort échauffement, des chocs, les aimants permanents peuvent perdre partiellement ou totalement leurs propriétés magnétiques (démagnétisation).

Caractéristiques de la section de démagnétisation boucles d'hystérésis magnétiques le matériau à partir duquel un aimant permanent est fabriqué détermine les propriétés d'un aimant permanent particulier : plus la force coercitive Hc est élevée et plus la valeur résiduelle est élevée induction magnétique Br — l'aimant le plus fort et le plus stable.

Pouvoir coercitif (littéralement traduit du latin - "force de maintien") - une force qui empêche un changement de polarisation magnétique ferromagnétiques.

Tant que le ferromagnétique n'est pas polarisé, c'est-à-dire que les courants élémentaires ne sont pas orientés, le champ coercitif empêche l'orientation des courants élémentaires. Mais lorsque le ferromagnétique est déjà polarisé, il maintient les courants élémentaires dans une position orientée même après la suppression du champ magnétisant externe.

Ceci explique le magnétisme résiduel observé dans de nombreux ferromagnétiques. Plus la force coercitive est grande, plus le phénomène de magnétisme résiduel est fort.

Le pouvoir coercitif est donc intensité du champ magnétiquenécessaire à la démagnétisation complète d'une substance ferro- ou ferrimagnétique. Ainsi, plus un certain aimant est coercitif, plus il est résistant aux facteurs de démagnétisation.

Une unité de mesure de la force coercitive dans le NE — Ampère / mètre. UN induction magnétique, comme vous le savez, est une grandeur vectorielle, qui est une force caractéristique du champ magnétique. La valeur caractéristique de l'induction magnétique résiduelle des aimants permanents est de l'ordre de 1 Tesla.

Hystérésis magnétique - la présence des effets de la polarisation des aimants conduit au fait que la magnétisation et la démagnétisation du matériau magnétique se déroulent de manière inégale, car la magnétisation du matériau est toujours légèrement en retard par rapport au champ magnétisant.

Dans ce cas, une partie de l'énergie dépensée pour magnétiser le corps n'est pas restituée lors de la démagnétisation, mais se transforme en chaleur. Par conséquent, l'inversion répétée de l'aimantation du matériau est associée à des pertes d'énergie notables et peut parfois provoquer un fort échauffement du corps aimanté.

Plus l'hystérésis dans le matériau est prononcée, plus la perte dans celui-ci est importante lorsque l'aimantation est inversée. Par conséquent, les matériaux sans hystérésis sont utilisés pour les circuits magnétiques à flux magnétique alternatif (voir - Noyaux magnétiques d'appareils électriques).

Les propriétés magnétiques des aimants permanents peuvent changer sous l'influence du temps et de facteurs externes, notamment :

• température;

• champs magnétiques;

• charges mécaniques ;

• rayonnement etc...

La modification des propriétés magnétiques est caractérisée par l'instabilité de l'aimant permanent, qui peut être structural ou magnétique.

L'instabilité structurale est associée à des modifications de la structure cristalline, des transformations de phase, une réduction des contraintes internes, etc. Dans ce cas, les propriétés magnétiques d'origine peuvent être obtenues en restaurant la structure (par exemple, par traitement thermique du matériau).

L'instabilité magnétique est causée par une modification de la structure magnétique de la substance magnétique, qui tend à l'équilibre thermodynamique dans le temps et sous l'influence d'influences extérieures. L'instabilité magnétique peut être :

• réversible (le retour aux conditions initiales restaure les propriétés magnétiques d'origine) ;

• irréversible (le retour des propriétés d'origine ne peut être obtenu que par aimantation répétée).

Aimant permanent ou électroaimant, quel est le meilleur ?

Utiliser des aimants permanents pour créer un champ magnétique permanent au lieu de leurs électroaimants équivalents permet :

• réduire les caractéristiques de poids et de taille des produits ;

• exclut l'utilisation de sources d'énergie supplémentaires (ce qui simplifie la conception des produits, réduit le coût de leur production et de leur fonctionnement);

• fournir un temps quasi illimité pour maintenir le champ magnétique dans des conditions de travail (selon le matériau utilisé).

Les inconvénients des aimants permanents sont :

• fragilité des matériaux utilisés pour leur création (cela complique le traitement mécanique des produits) ;

• le besoin de protection contre l'influence de l'humidité et de la moisissure (pour les ferrites GOST 24063), ainsi que contre l'influence d'une humidité et d'une température élevées.

Types et propriétés des aimants permanents

Ferrite

Les aimants en ferrite, bien que fragiles, ont une bonne résistance à la corrosion, ce qui en fait les plus courants à faible coût. Ces aimants sont constitués d'un alliage d'oxyde de fer avec de la ferrite de baryum ou de strontium. Cette composition permet au matériau de conserver ses propriétés magnétiques dans une large plage de température — de -30°C à + 270°C.

Les produits magnétiques sous forme d'anneaux, de tiges et de fers à cheval en ferrite sont largement utilisés tant dans l'industrie que dans la vie quotidienne, dans la technologie et l'électronique. Ils sont utilisés dans les systèmes de haut-parleurs, dans les générateurs, dans les moteurs à courant continu… Dans l'industrie automobile, des aimants en ferrite sont installés dans les démarreurs, les fenêtres, les systèmes de refroidissement et les ventilateurs.

Les aimants en ferrite sont caractérisés par une force coercitive d'environ 200 kA/m et une induction magnétique résiduelle d'environ 0,4 Tesla. En moyenne, un aimant en ferrite peut durer de 10 à 30 ans.

Alnico (aluminium-nickel-cobalt)

Les aimants permanents à base d'un alliage d'aluminium, de nickel et de cobalt se caractérisent par une stabilité et une stabilité de température inégalées: ils sont capables de conserver leurs propriétés magnétiques à des températures allant jusqu'à + 550 ° C, bien que leur force coercitive soit relativement faible. Sous l'influence d'un champ magnétique relativement faible, ces aimants perdent leurs propriétés magnétiques d'origine.

Jugez par vous-même : une force coercitive typique est d'environ 50 kA/m avec une magnétisation résiduelle d'environ 0,7 Tesla. Malgré cette caractéristique, les aimants alnico sont indispensables pour certaines recherches scientifiques.

La teneur typique en composants des alliages alnico à hautes propriétés magnétiques varie dans les limites suivantes : aluminium — de 7 à 10 %, nickel — de 12 à 15 %, cobalt — de 18 à 40 % et de 3 à 4 % de cuivre.

Plus il y a de cobalt, plus l'induction de saturation et l'énergie magnétique de l'alliage sont élevées. Des additifs sous forme de 2 à 8 % de titane et seulement 1 % de niobium contribuent à l'obtention d'un champ coercitif plus élevé — jusqu'à 145 kA/m. L'ajout de 0,5 à 1% de silicium assure des propriétés magnétiques isotropes.

Samarie

Si vous avez besoin d'une résistance exceptionnelle à la corrosion, à l'oxydation et aux températures jusqu'à + 350 ° C, alors un alliage magnétique de samarium avec du cobalt est ce dont vous avez besoin.

À un certain prix, les aimants au samarium-cobalt sont plus chers que les aimants au néodyme en raison du métal plus rare et plus cher, le cobalt. Néanmoins, il est recommandé de les utiliser s'il est nécessaire d'avoir des dimensions et un poids minimum des produits finaux.

Ceci est particulièrement approprié dans les engins spatiaux, l'aviation et la technologie informatique, les moteurs électriques miniatures et les couplages magnétiques, dans les appareils portables et les appareils (montres, écouteurs, téléphones portables, etc.)

En raison de sa résistance particulière à la corrosion, ce sont les aimants au samarium qui sont utilisés dans le développement stratégique et les applications militaires. Moteurs électriques, générateurs, systèmes de levage, véhicules à moteur - un aimant puissant en alliage samarium-cobalt est idéal pour les environnements agressifs et les conditions de travail difficiles. Le champ coercitif est de l'ordre de 700 kA/m avec une induction magnétique résiduelle de l'ordre de 1 Tesla.

Néodyme

Les aimants en néodyme sont très demandés aujourd'hui et semblent être les plus prometteurs. L'alliage néodyme-fer-bore vous permet de créer des super aimants pour une variété d'applications, des serrures et jouets aux générateurs électriques et aux machines de levage puissantes.

Un champ coercitif élevé d'environ 1000 kA/m et une aimantation résiduelle d'environ 1,1 Tesla permettent de maintenir l'aimant pendant de nombreuses années, pendant 10 ans un aimant néodyme ne perd que 1% de son aimantation si sa température dans les conditions de fonctionnement ne dépasse pas + 80°C (pour certaines marques jusqu'à + 200°C). Ainsi, il n'y a que deux inconvénients aux aimants en néodyme - la fragilité et la basse température de fonctionnement.

Magnétoplastes

La poudre magnétique avec le liant forme un aimant doux, flexible et léger. Les composants de liaison tels que le vinyle, le caoutchouc, le plastique ou l'acrylique permettent de produire des aimants dans une variété de formes et de tailles.

La force magnétique est bien sûr inférieure à celle d'un matériau magnétique pur, mais parfois de telles solutions sont nécessaires pour atteindre certains objectifs inhabituels pour les aimants : dans la production de produits publicitaires, dans la production d'autocollants amovibles pour voitures, ainsi que dans la production de divers articles de papeterie et souvenirs.

Interaction des aimants

Comme les pôles des aimants se repoussent et contrairement aux pôles s'attirent. L'interaction des aimants s'explique par le fait que chaque aimant possède un champ magnétique et que ces champs magnétiques interagissent entre eux. Par exemple, quelle est la raison de l'aimantation du fer ?

Selon l'hypothèse du scientifique français Ampère, à l'intérieur de la substance se trouvent des courants électriques élémentaires (Courants d'ampères), qui se forment en raison du mouvement des électrons autour des noyaux des atomes et autour de leur propre axe.

Les champs magnétiques élémentaires proviennent du mouvement des électrons.Et si un morceau de fer est introduit dans un champ magnétique externe, alors tous les champs magnétiques élémentaires de ce fer sont orientés de la même manière dans un champ magnétique externe, formant son propre champ magnétique à partir d'un morceau de fer. Donc, si le champ magnétique externe appliqué était suffisamment puissant, une fois éteint, le morceau de fer deviendrait un aimant permanent.

Connaître la forme et l'aimantation d'un aimant permanent permet de remplacer les calculs par un système équivalent de courants électriques magnétisants. Un tel remplacement est possible à la fois lors du calcul des caractéristiques du champ magnétique et lors du calcul des forces agissant sur l'aimant à partir du champ externe.

Par exemple, calculons la force d'interaction de deux aimants permanents. Soient les aimants ayant la forme de cylindres minces, leurs rayons seront notés r1 et r2, les épaisseurs sont h1, h2, les axes des aimants coïncident, la distance entre les aimants sera notée z, nous supposerons qu'il est beaucoup plus grande que la taille des aimants.

L'apparition de la force d'interaction entre aimants s'explique de manière traditionnelle : un aimant crée un champ magnétique qui agit sur le deuxième aimant.

Pour calculer la force d'interaction, nous remplaçons mentalement les aimants uniformément magnétisés J1 et J2 par des courants circulaires circulant sur la surface latérale des cylindres. Les intensités de ces courants seront exprimées en fonction de l'aimantation des aimants, et leurs rayons seront considérés égaux aux rayons des aimants.

Décomposons le vecteur d'induction B du champ magnétique créé par le premier aimant à la place du second en deux composantes : axiale, dirigée selon l'axe de l'aimant, et radiale, perpendiculaire à celui-ci.

Pour calculer la force totale agissant sur l'anneau, il est nécessaire de le diviser mentalement en petits éléments Idl et somme Ampèresagissant sur chacun de ces éléments.

En utilisant la règle de gauche, il est facile de montrer que la composante axiale du champ magnétique donne naissance à des forces d'Ampère qui tendent à étirer (ou à comprimer) l'anneau - la somme vectorielle de ces forces est nulle.

La présence de la composante radiale du champ conduit à l'apparition de forces d'Ampère dirigées selon l'axe des aimants, c'est-à-dire à leur attraction ou répulsion. Il reste à calculer les forces d'Ampère — ce seront les forces d'interaction entre les deux aimants.

Voir également:L'utilisation des aimants permanents dans l'électrotechnique et l'énergie