Постоянный магнит

Постоянный магнит — это изделие из ферромагнитного или ферримагнитного материала, способное сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В отличие от электромагнитов, постоянные магниты создают собственное магнитное поле без потребления электрической энергии. Основными характеристиками постоянных магнитов являются остаточная магнитная индукция (Br), коэрцитивная сила (Hc) и максимальное энергетическое произведение (BHmax).

История

Первые сведения о природных постоянных магнитах — кусках магнетита (Fe₃O₄) — относятся к Древней Греции и Китаю (VI–IV века до н. э.). Согласно легенде, название «магнит» происходит от местности Магнесия в Малой Азии, где залежи магнетита были особенно обильны. В Китае природные магниты использовали для изготовления первых компасов (I век до н. э.). В Европе компас на основе магнетита появился в XII–XIII веках.

В XVIII–XIX веках началось систематическое изучение магнетизма. В 1820 году Ханс Кристиан Эрстед открыл связь между электричеством и магнетизмом, а в 1831 году Майкл Фарадей — явление электромагнитной индукции. Однако искусственные постоянные магниты из стали (углеродистой и вольфрамовой) оставались слабыми до начала XX века.

Прорыв произошёл в 1917 году с изобретением японским учёным Котаро Хонда магнита из сплава кобальта и стали (магнит KS). В 1930-х годах появились альнико-магниты (сплавы алюминия, никеля, кобальта и железа). В 1950-х годах были разработаны ферритовые магниты (стронциевый и бариевый феррит), которые стали массово применяться благодаря низкой стоимости. В 1970–1980-х годах появились редкоземельные магниты: самарий-кобальтовые (SmCo) и неодимовые (NdFeB), обладающие рекордной магнитной энергией.

Физические основы

Постоянный магнит работает благодаря ферромагнетизму — свойству некоторых материалов (железо, никель, кобальт, их сплавы и некоторые оксиды) сохранять упорядоченное расположение магнитных моментов атомов (доменов) после намагничивания. В отсутствие внешнего поля домены ориентированы хаотично, и суммарная намагниченность равна нулю. При приложении внешнего магнитного поля домены выстраиваются вдоль его силовых линий. После снятия поля часть доменов остаётся сориентированной — возникает остаточная намагниченность.

Коэрцитивная сила (Hc) характеризует устойчивость магнита к размагничиванию. Чем выше Hc, тем труднее размагнитить магнит внешним полем или механическим воздействием. Максимальное энергетическое произведение (BHmax) показывает, какую магнитную энергию способен запасать материал в единице объёма.

Классификация постоянных магнитов

Постоянные магниты классифицируют по материалу изготовления и магнитным свойствам.

По материалу

1. Магниты из феррита (керамические) — изготавливаются из стронциевого или бариевого феррита (SrFe₁₂O₁₉, BaFe₁₂O₁₉). Отличаются низкой стоимостью, высокой коррозионной стойкостью, но малой остаточной индукцией (0,2–0,4 Тл) и относительно низкой коэрцитивной силой. Рабочая температура до +250 °C. Широко применяются в динамиках, магнитных защёлках, дверных уплотнителях, игрушках.

1. Магниты альнико (AlNiCo) — сплавы алюминия (Al), никеля (Ni), кобальта (Co) и железа (Fe). Отличаются высокой остаточной индукцией (до 1,3 Тл), но низкой коэрцитивной силой (легко размагничиваются). Рабочая температура до +500 °C. Используются в датчиках, электродвигателях, гироскопах.

1. Редкоземельные магниты:

• Самарий-кобальтовые (SmCo) — имеют высокую коэрцитивную силу и остаточную индукцию (0,8–1,1 Тл). Рабочая температура до +350 °C. Устойчивы к коррозии. Применяются в авиационной и космической технике, высокотемпературных датчиках.
• Неодимовые (NdFeB) — обладают рекордным энергетическим произведением (до 50 МГс·Э). Остаточная индукция до 1,4 Тл. Однако имеют низкую рабочую температуру (до +80 °C для стандартных марок, до +200 °C для специальных) и подвержены коррозии (требуют покрытия — никель, цинк, эпоксидная смола). Наиболее распространённый тип современных постоянных магнитов.

1. Магниты из сплавов кобальта и железа (пермендюр) — обладают высокой остаточной индукцией (до 2,4 Тл), но низкой коэрцитивной силой. Используются в специальных приборах, где требуется сильное поле при малых размерах.

По форме

Постоянные магниты выпускаются в виде:

• Брусков (прямоугольных пластин) — для магнитных защёлок, датчиков.
• Дисков — для динамиков, магнитных сепараторов.
• Колец — для электродвигателей, генераторов.
• Подков (U-образных) — исторически популярная форма, позволяющая сблизить полюса и усилить поле в зазоре.
• Сфер — в некоторых измерительных приборах.
• Гибких магнитов — ферритовая крошка в полимерной матрице, используется для рекламных наклеек, дверных уплотнителей.

Характеристики и параметры

Основные параметры постоянных магнитов:

Применение

Постоянные магниты используются в широком спектре устройств и отраслей:

• Электротехника и машиностроение: электродвигатели постоянного тока, генераторы, магнитные муфты, тормозные системы.
• Акустика: динамики, наушники, микрофоны — ферритовые и неодимовые магниты создают магнитное поле в звуковой катушке.
• Медицина: аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) — сверхпроводящие электромагниты, но в некоторых портативных МРТ используются постоянные магниты; магнитные зажимы в хирургии.
• Бытовая техника: магнитные защёлки на дверцах холодильников, магнитные держатели для ножей, игрушки (магнитные конструкторы).
• Транспорт: магнитные подвесы для поездов на магнитной подушке (маглев), датчики скорости колёс.
• Информационные технологии: жёсткие диски (магнитная головка), динамики в ноутбуках и смартфонах.
• Научные исследования: масс-спектрометры, ускорители частиц (в некоторых типах магнитов).
• Оборона и безопасность: магнитные замки, детекторы металла, системы наведения.
• Энергетика: ветрогенераторы с прямым приводом (редкоземельные магниты), магнитные сепараторы для обогащения руд.

Недостатки и ограничения

• Размагничивание: неодимовые магниты теряют свойства при нагреве выше +80 °C (для стандартных марок). Альнико-магниты могут размагничиваться от сильных внешних полей или ударов.
• Хрупкость: ферритовые и неодимовые магниты ломки, могут растрескиваться при механических нагрузках.
• Коррозия: неодимовые магниты без покрытия быстро ржавеют во влажной среде.
• Опасность: сильные неодимовые магниты могут травмировать пальцы при сближении, повреждать электронные устройства (часы, кардиостимуляторы) и намагничивать инструменты.
• Экологичность: добыча редкоземельных элементов (неодим, самарий) связана с экологическими проблемами; переработка магнитов сложна.

Интересные факты

• Самый мощный постоянный магнит в мире (на 2024 год) — неодимовый магнит с энергетическим произведением более 50 МГс·Э, созданный компанией Shin-Etsu Chemical (Япония).
• Природный магнит (магнетит) может притягивать железные предметы, но его сила в сотни раз меньше, чем у современных неодимовых магнитов.
• Магнитное поле постоянного магнита не требует энергии для поддержания, но для его создания (намагничивания) требуется мощный электромагнит.
• Некоторые ферритовые магниты, используемые в динамиках, могут работать при температурах до +250 °C без потери свойств.
• В 1980-х годах разработка неодимовых магнитов компанией General Motors (США) и Sumitomo Special Metals (Япония) произвела революцию в миниатюризации электроники.

Источники

• Хонда К. «Магнитные сплавы и их применение». — М.: Металлургия, 1967.
• Лившиц Б. Г. «Физические свойства металлов и сплавов». — М.: Металлургия, 1980.
• Киттель Ч. «Введение в физику твёрдого тела». — М.: Наука, 1978.
• J. M. D. Coey. «Magnetism and Magnetic Materials». — Cambridge University Press, 2010.
• Справочник «Магнитные материалы и элементы» под ред. Н. П. Ляшенко. — М.: Энергия, 1972.
• Данные производителей магнитов (Eclipse Magnetics, Arnold Magnetic Technologies, Shin-Etsu Chemical).