Τι πρέπει να γνωρίζετε για τους μαγνήτες πριν κατανοήσετε τη μαγνητική αιώρηση
Σας ενοχλεί ο χρόνος μετακίνησης μεγάλων αποστάσεων; Παρόλο που μπορούμε να φτάσουμε στον προορισμό σας παίρνοντας το μετρό, οδηγώντας και πετώντας, εξακολουθεί να αισθάνεται ότι χρειάζεται πολύς χρόνος. Ωστόσο, υπάρχει μια τεχνολογία που μπορεί να κάνει ένα ποιοτικό άλμα στον χρόνο μετακίνησής μας, και αυτή είναι η μαγνητική αιώρηση. Ίσως αισθάνεστε ότι η μαγνητική αιώρηση υπάρχει μόνο σε ταινίες ή τηλεοπτικά δράματα. Αλλά τον Ιούλιο του 2023! Ο Sukbae Lee (이석배), ο Ji-Hoon Kim (김지훈), και άλλοι από το Ινστιτούτο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κορέας σχημάτισαν αρχικά μια ομάδα για να μελετήσουν το υλικό. Ο καθαρός απατίτης μολύβδου είναι μονωτήρας, αλλά σύμφωνα με τον Sukbae Lee και άλλους, ο απατίτης μολύβδου με χαλκό που σχηματίζει το LK-99 είναι ένας υπεραγωγός ή ένα μέταλλο σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Αν και δεν υπάρχει επιβεβαιωμένο υπεραγώγιμο υλικό σε θερμοκρασία δωματίου σε κανονική πίεση, μας δίνει επίσης ελπίδα! Ας δούμε πώς αποδίδει αυτό το μαγικό LK-99 στον μαγνήτη!
Πιστεύω ότι έχετε δει επίσης ότι όταν ο μαγνήτης πλησιάζει το υλικό από κάτω, το υλικό στέκεται όρθιο λόγω απώθησης. Μετά την αλλαγή των μαγνητικών πόλων, το υλικό εξακολουθεί να στέκεται λόγω απώθησης όταν πλησιάζει το υλικό.
Αυτή η "μικρή μαύρη κουκκίδα" συνεχίζει να πέφτει ή να στέκεται όρθια καθώς ο μαγνήτης NdFeB πλησιάζει και απομακρύνεται. Τόσο ο πόλος S όσο και ο πόλος Ν είναι αποτελεσματικοί, δηλαδή η άπωση δεν έχει καμία σχέση με τον μαγνητικό πόλο, δείχνοντας αντιμαγνητισμό.
Ας μην μιλήσουμε για το αν το LK-99 είναι πραγματικά υπεραγώγιμο. Ο μόνιμος μαγνήτης NdFeB μπορεί να το κάνει να αιωρείται.
Μιλώντας για μόνιμους μαγνήτες NdFeB, πρέπει να μιλήσουμε για το Tesla Model S.
Ο Elon Musk είναι τόσο τολμηρός που όταν η Tesla πραγματοποίησε την εκδήλωση παρουσίασης για το πρώτο της sedan, το Model S, δεν το συναρμολόγησαν καν. Το πλαίσιο βασίστηκε στο Mercedes-Benz CLS και τα πάνελ αμαξώματος αλουμινίου και το κάλυμμα του κινητήρα ήταν κολλημένα στο χαλύβδινο πλαίσιο με μαγνήτες βορίου νεοδυμίου.
Όταν η Tesla έφτιαξε τα δύο πρώτα μοντέλα αυτοκινήτων πλήρους μεγέθους, χρησιμοποίησαν επαγωγικούς κινητήρες για να τροφοδοτήσουν τα οχήματα. Αυτοί οι κινητήρες βασίστηκαν στον αρχικό σχεδιασμό κινητήρων του Nikola Tesla, ο οποίος ήταν ένας λαμπρός σχεδιασμός που προηγήθηκε της εφεύρεσης των μαγνητών σπάνιων γαιών κατά σχεδόν 100 χρόνια.
Οι επαγωγικοί κινητήρες παράγουν το δικό τους μαγνητισμό και οδηγούν τον ρότορα μέσω ηλεκτρικής ενέργειας και λειτουργούν χωρίς κανένα είδος μόνιμων μαγνητών.
Ο σχεδιασμός του επαγωγικού κινητήρα είναι καλός, αλλά η Tesla άλλαξε σε κινητήρες μόνιμου μαγνήτη για το Model 3 το 2017 για καλό λόγο: το Model 3 είναι μικρότερο αυτοκίνητο και χρειάζεται μικρότερο κινητήρα, αλλά εξακολουθεί να έχει άφθονη ισχύ.
Έτσι, ξεκινώντας με το Model 3, ο Tesla χρησιμοποίησε κινητήρες βορίου σιδήρου νεοδυμίου επειδή εξοικονομούν περισσότερο χώρο, ελαφρύτεροι και μπορούν να παράγουν περισσότερη δύναμη.
Χρήση μαγνητών σε αυτοκίνητα: όπως κλιματισμός, συστήματα πέδησης, κινητήρες κίνησης, αντλίες λαδιού κ.λπ.
Στην πραγματικότητα, εκτός από τη χρήση σε αυτοκίνητα, οι μαγνήτες χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως σε ηχεία κινητών τηλεφώνων, ακουστικά, κινητήρες δόνησης, ηλεκτρομαγνήτες, πιστολάκια μαλλιών, ανεμιστήρες, ψυγεία, πλυντήρια ρούχων κ.λπ.
(Ποσοστό χρήσης μαγνήτη)
Έτσι, εκτός από τους μόνιμους μαγνήτες όπως το NdFeB, ποιοι είναι οι άλλοι τρεις κύριοι τύποι μαγνητών; Ποια είναι η διαδικασία παραγωγής;
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά!
Πρώτον, ας κατανοήσουμε το μέγιστο προϊόν μαγνητικής ενέργειας των μαγνητών
Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις τύποι μαγνητών: permanent magnets, temporary magnets, and electromagnets.
Οι μόνιμοι μαγνήτες παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο που διατηρείται ακόμη και παρουσία ενός αντίθετου μαγνητικού πεδίου. Οι ηλεκτρικοί κινητήρες που χρησιμοποιούν μόνιμους μαγνήτες είναι πιο αποδοτικοί από εκείνους που δεν το κάνουν. Επί του παρόντος, όλοι οι γνωστοί ισχυροί μαγνήτες περιέχουν σπάνιες γαίες, οι οποίες αποτελούν βασικά συστατικά για ηλεκτρικά οχήματα και ανεμογεννήτριες. Στοιχεία όπως το νεοδύμιο και το θόριο έχουν καταστεί βασικά υλικά λόγω της αυξανόμενης ζήτησης και της περιορισμένης προσφοράς.
Οι μόνιμοι μαγνήτες είναι μοναδικοί στο ότι μόλις παραχθούν, παρέχουν μαγνητική ροή χωρίςenergy input, με αποτέλεσμα μηδενικό λειτουργικό κόστος. Αντίθετα, οι ηλεκτρομαγνητικοί μαγνήτες απαιτούν συνεχές ρεύμα για να δημιουργήσουν μαγνητικό πεδίο.
Μια σημαντική ιδιότητα των μόνιμων μαγνητών είναι ότι διατηρούν το μαγνητικό τους πεδίο ακόμη και παρουσία ενός αντίθετου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Ωστόσο, εάν η ισχύς του αντίθετου μαγνητικού πεδίου είναι αρκετά υψηλή, οι εσωτερικοί μαγνητικοί πυρήνες του μόνιμου μαγνήτη θα ευθυγραμμιστούν με το αντίθετο μαγνητικό πεδίο, με αποτέλεσμα την απομαγνήτιση.
Οι μόνιμοι μαγνήτες λειτουργούν ουσιαστικά ως συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Η ενέργεια εγχέεται κατά τη διάρκεια της αρχικής διαδικασίας μαγνήτισης και εάν κατασκευαστεί και χειριστεί σωστά, θα παραμείνει στο μαγνήτη επ 'αόριστον. Σε αντίθεση με μια μπαταρία, η ενέργεια σε έναν μαγνήτη δεν εξαντλείται ποτέ και παραμένει διαθέσιμη για χρήση. Αυτό συμβαίνει επειδή οι μαγνήτες δεν έχουν καθαρή επίδραση στο περιβάλλον τους. Αντ 'αυτού, χρησιμοποιούν την ενέργειά τους για να προσελκύσουν ή να απωθήσουν άλλα μαγνητικά αντικείμενα, βοηθώντας στη μετατροπή μεταξύ ηλεκτρικής και μηχανικής ενέργειας.
Η ενέργεια ενός μαγνητικού πεδίου είναι ανάλογη με το γινόμενο των Β και Η. Όταν το γινόμενο του BH μεγιστοποιείται (δηλώνεται ως (BH)max), ο ελάχιστος όγκος μαγνήτη απαιτείται για την παραγωγή δεδομένου μαγνητικού πεδίου σε δεδομένο κενό. Όσο υψηλότερο είναι το (BH)max, τόσο μικρότερος είναι ο όγκος του μαγνήτη που απαιτείται για την παραγωγή μιας δεδομένης πυκνότητας ροής. Το (BH)max μπορεί να θεωρηθεί ως η στατική μαγνητική ενέργεια ανά μονάδα όγκου του μαγνητικού υλικού. Η BH μετράται σεMega-Gauss Oersteds (MGOe) or kJ/mXNUMX.
Στη βιομηχανία μόνιμων μαγνητών, το μέγιστο προϊόν μαγνητικής ενέργειας αντιπροσωπεύει την πυκνότητα μαγνητικής ενέργειας του μόνιμου μαγνήτη και είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη παράμετρος για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης των μόνιμων μαγνητών.
Ταξινόμηση μόνιμων μαγνητών
Οι μόνιμοι μαγνήτες μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις τύπους:neodymium iron boron (NdFeB),samarium cobalt (SmCo), aluminum nickel cobalt (AlNiCo)καιceramic or ferrite magnets.
Ας ξεκινήσουμε με τους πιο οικονομικούς μαγνήτες:Neodymium Iron Boron Magnets
Οι μαγνήτες νεοδίου (NdFeB) είναι ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά μόνιμου μαγνήτη σε εμπορικές εφαρμογές, γνωστό για τουςhigh magnetic energy productκαιmagnetic strength.
Οι μαγνήτες νεοδίου είναι οιstrongestκαι τα περισσότεραcontroversialΜαγνήτες. Ανήκουν στην κατηγορία των μαγνητών σπάνιων γαιών επειδή αποτελούνται από νεοδύμιο, σίδηρο και στοιχεία βορίου.
Λόγω της περιεκτικότητας σε σίδηρο, οι μαγνήτες βορίου σιδήρου νεοδυμίου οξειδώνονται εύκολα και έχουν κακή αντοχή στη διάβρωση και συχνά απαιτούν επικαλύψεις όπως επινικέλιο, εποξειδική επίστρωση ή επικάλυψη ψευδαργύρου.
Ωστόσο, είναι προϊόντα υψηλής ενεργειακής πυκνότητας (έως55 MGOe) με υψηλή ανθεκτικότητα και η χρήση τους επιτρέπει μικρότερου μεγέθους μονάδες σκληρού δίσκου, κινητήρες και εξοπλισμό ήχου.
Το εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας των μαγνητών νεοδυμίου είναι80°C to 200°C. Ωστόσο, υψηλής ποιότητας υλικά νεοδυμίου που μπορούν να λειτουργήσουν παραπάνω120°Cμπορεί να γίνει αρκετά ακριβό.
Λαμβάνοντας υπόψη την οικονομική αποδοτικότητα, οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι σίγουρα η πρώτη επιλογή.
Ίσως σκέφτεστε ότι η θερμοκρασία λειτουργίας του μαγνήτη μου θα ξεπεράσει τους 200 ° C, οπότε είναι αδύνατο να χρησιμοποιήσετε τον μαγνήτη σε αυτό το περιβάλλον; Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με μαγνήτες κοβαλτίου υγιεινής.
Κοβάλτιο σολομίου (SmCo) is a premium permanent magnet material primarily made from cobalt and samarium, making it the most costly magnetic material to produce. Its high cost is mainly due to the significant cobalt content and the brittleness of the samarium alloy.
Αυτοί οι μόνιμοι μαγνήτες είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί στη διάβρωση και μπορούν να αντέξουν θερμοκρασίες έως και350°C, και μερικές φορές ακόμη και μέχρι500 degrees. Αυτή η ανθεκτικότητα στη θερμοκρασία τους δίνει ένα ξεχωριστό πλεονέκτημα έναντι άλλων τύπων μόνιμων μαγνητών που είναι λιγότερο ανεκτικοί στη θερμότητα. Ακριβώς όπως οι μαγνήτες νεοδυμίου, οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμαρίου χρειάζονται επίσης επικαλύψεις για την πρόληψη της διάβρωσης.
Ωστόσο, το μειονέκτημα αυτής της ποικιλίας μαγνητών είναι η χαμηλή μηχανική αντοχή της. Οι μαγνήτες κοβαλτίου αλατότητας μπορούν εύκολα να γίνουν εύθραυστοι και να αναπτύξουν ρωγμές. Παρ 'όλα αυτά, σε περιπτώσεις όπου η υψηλή θερμοκρασία και η αντοχή στη διάβρωση είναι απαραίτητες, οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμαρίου μπορεί να είναι η πιο κατάλληλη επιλογή.
Οι μαγνήτες νεοδυμίου υπερέχουν σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ενώ οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμμωνίου αποδίδουν καλύτερα σεhigher temperatures. Οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι γνωστοί ως οι πιο ισχυροί μόνιμοι μαγνήτες σε θερμοκρασία δωματίου και μέχρι περίπου 180 βαθμούς Κελσίου με βάση την υπολειμματική μαγνήτιση (Br). Ωστόσο, η αντοχή τους μειώνεται σημαντικά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Καθώς οι θερμοκρασίες πλησιάζουν τους 180 βαθμούς Κελσίου, οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμμωνίου αρχίζουν ναsurpassΜαγνήτες νεοδυμίου σε απόδοση.
Το κοβάλτιο σαμμωνίου κατατάσσεται ως το second strongest magnetic material and boasts exceptional resistance to demagnetization. Χρησιμοποιείται συνήθως στην αεροδιαστημική βιομηχανία και σε άλλους τομείς, δίνοντας προτεραιότητα στην απόδοση έναντι του κόστους.
Οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμαρίου, που αναπτύχθηκαν στη δεκαετία του 1970, παρουσιάζουν υψηλότερη μαγνητική ισχύ σε σύγκριση με τους κεραμικούς μαγνήτες και τους μαγνήτες αλουμινίου-νικελίου-κοβαλτίου, αν και υπολείπονται του μαγνητισμού που προσφέρουν οι μαγνήτες νεοδυμίου. Αυτοί οι μαγνήτες ταξινομούνται κυρίως σε δύο ομάδες με βάση τα ενεργειακά τους επίπεδα. Η πρώτη ομάδα, γνωστή ωςSm1Co5 (1-5), διαθέτει μια σειρά ενεργειακών προϊόντων που εκτείνεται από15 to 22 MGOe. Από την άλλη, η δεύτερη ομάδα, Sm2Co17 (2-17), περιλαμβάνει ενεργειακό εύρος22-32 MGOe.
Τόσο οι μαγνήτες κοβαλτίου σαμαρίου όσο και νεοδυμίου κατασκευάζονται από κονιοποιημένα μέταλλα. Συμπιέζονται υπό την επίδραση ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου πριν υποβληθούν σε διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης.
Οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι σε περιβαλλοντικούς παράγοντες, ενώ οι μαγνήτες σπάνιων γαιών κοβαλτίου σαμαρίου παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών κοβαλτίου σαμαρίου μπορούν να αντέξουν σε υψηλές θερμοκρασίες χωρίς να χάσουν τον μαγνητισμό τους, ενώ οι μαγνήτες νεοδυμίου πρέπει να χρησιμοποιούνται προσεκτικά πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου. Οι μαγνήτες νεοδυμίου είναι πιο ανθεκτικοί σε σύγκριση με τους μαγνήτες κοβαλτίου σαμαρίου και μπορούν εύκολα να επεξεργαστούν και να ενσωματωθούν σε μαγνητικά συγκροτήματα. Και τα δύο υλικά απαιτούν τη χρήση αδαμαντοφόρων εργαλείων, EDM ή λείανσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατεργασίας.
Στη συνέχεια, ας μάθουμε για τους μαγνήτες Alnico
Μαγνήτες κοβαλτίου νικελίου αλουμινίου (AlNiCo) are conventional permanent magnet materials consisting mainly of αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο.They stand as one of the earliest contemporary commercial permanent magnets, innovated by Τ. Mishimain Japan during the early 20th century.
Παρά την αξιοσημείωτη παραμονή τους, η σχετικά μέτρια αντοχή τους οδηγεί σε μειωμένο προϊόν μαγνητικής ενέργειας (BH)max σε σύγκριση με άλλους τύπους μαγνητών. Το χυτό AlNiCo έχει την ικανότητα να διαμορφώνεται σε περίπλοκα σχήματα, ενώ το πυροσυσσωματωμένο AlNiCo παρουσιάζει ελαφρώς μικρότερες μαγνητικές ιδιότητες αλλά ανώτερες μηχανικές ιδιότητες λόγω της λεπτής δομής κόκκων του, με αποτέλεσμα ομοιόμορφη κατανομή ροής και ενισχυμένη μηχανική αντοχή.
Η πυροσυσσωμάτωση AlNiCo περιλαμβάνει επαγωγική τήξη, λείανση σε λεπτά σωματίδια, συμπίεση, πυροσυσσωμάτωση, δοκιμή, επίστρωση και μαγνήτιση. Διάφορες μέθοδοι κατασκευής επηρεάζουν τις ιδιότητες του μαγνήτη, με την πυροσυσσωμάτωση να ενισχύει τις μηχανικές ιδιότητες και τη χύτευση να ενισχύει την ενεργειακή πυκνότητα.
Οι πυροσυσσωματωμένοι μαγνήτες AlNiCo διατίθενται σε ποιότητες που κυμαίνονται από1.5 to 5.25 MGOe, ενώ οι χυτοί μαγνήτες κυμαίνονται από5.0 to 9.0 MGOe. Οι ανισοτροπικοί μαγνήτες AlNiCo προσφέρουν προσαρμοσμένες επιλογές κατεύθυνσης μαγνήτισης, παρέχοντας πολύτιμη ευελιξία.
Τα κράματα κοβαλτίου νικελίου αλουμινίου παρουσιάζουν υψηλές μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας και εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Ορισμένες ποιότητες κοβαλτίου νικελίου αλουμινίου μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες που υπερβαίνουν500°C. Αυτοί οι μαγνήτες χρησιμοποιούνται εκτενώς σε μικρόφωνα, ηχεία, pickups ηλεκτρικής κιθάρας, κινητήρες, σωλήνες κυμάτων ταξιδιού, αισθητήρες Hall και διάφορες άλλες εφαρμογές.
Τέλος, ας κατανοήσουμε τον μαγνήτη με το μεγαλύτερο πλεονέκτημα τιμής, που είναι ο μαγνήτης φερρίτη!
Μαγνήτες φερρίτη, also known asκεραμικοί μαγνήτες, are composed of sintered iron oxide along with materials like barium carbonate or strontium carbonate. These magnets are recognized for their Οικονομική τιμολόγηση, αποτελεσματική αντοχή στη διάβρωση και ικανότητα διατήρησης σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες έως και250°C.
Ενώ τα μαγνητικά χαρακτηριστικά τους είναιnot as strong as those of NdFeB magnets, η οικονομική αποδοτικότητα των μαγνητών φερρίτη τους καθιστά κατάλληλους γιαlarge-scaleΚατασκευή. Αυτό το πλεονέκτημα κόστους πηγάζει από τη χρήση φθηνών, άμεσα διαθέσιμων υλικών που δεν έχουν στρατηγικό χαρακτήρα.
Οι κεραμικοί μαγνήτες μπορεί να είναι ισοτροπικοί, παρουσιάζοντας ομοιόμορφες μαγνητικές ιδιότητες προς όλες τις κατευθύνσεις, ή ανισότροποι, εμφανίζοντας μαγνήτιση σε ευθυγράμμιση με την κατεύθυνση τάσης. Οι πιο ισχυροί κεραμικοί μαγνήτες μπορούν να επιτύχουν μαγνητική ενέργεια 3.8 MGOe, καθιστώντας τους τον πιο αδύναμο τύπο μόνιμου μαγνήτη. Παρά τις μέτριες μαγνητικές τους ιδιότητες, προσφέρουν ανώτερη ανθεκτικότητα στην απομαγνήτιση σε σύγκριση με άλλους τύπους μαγνητών.
Οι κεραμικοί μαγνήτες παρουσιάζουνlow magnetic energy προϊόν και κατοχήexcellent corrosion resistance,Χρησιμοποιείται συνήθως παράλληλα με εξαρτήματα χάλυβα χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα και είναι κατάλληλο για χρήση σε περιβάλλοντα μέτριας θερμοκρασίας.
Η διαδικασία κατασκευής των κεραμικών μαγνητών περιλαμβάνει συμπίεση και πυροσυσσωμάτωση, με συνιστώμενη χρήση τροχών λείανσης διαμαντιών λόγω της εύθραυστης φύσης τους.
Γενικά, οι κεραμικοί μαγνήτες προσφέρουν ισορροπία μεταξύ μαγνητικής αντοχής και οικονομικής αποδοτικότητας, με την ευθραυστότητά τους να αντισταθμίζεται από εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση. Είναι ανθεκτικά, ανθεκτικά στην απομαγνήτιση και μια οικονομικά αποδοτική επιλογή για διάφορες εφαρμογές όπως παιχνίδια, χειροτεχνίες και κινητήρες.
Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών ενισχύουν σημαντικά το βάρος ή το μέγεθος, ενώ οι φερρίτες είναι προτιμότεροι για εφαρμογές που δεν απαιτούν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, όπως ηλεκτρικά παράθυρα, καθίσματα, διακόπτες, ανεμιστήρες, φυσητήρες σε συσκευές, ορισμένα ηλεκτρικά εργαλεία και εξοπλισμό ήχου.
