Co musisz wiedzieć o magnesach, zanim zrozumiesz lewitację magnetyczną
Przeszkadza Ci czas dojazdów na duże odległości? Chociaż możemy dotrzeć do celu, korzystając z metra, samochodu i samolotu, nadal wydaje się, że zajmuje to dużo czasu. Istnieje jednak technologia, która może dokonać jakościowego skoku w naszym czasie dojazdów do pracy, a jest nią lewitacja magnetyczna. Być może uważasz, że lewitacja magnetyczna istnieje tylko w filmach lub serialach telewizyjnych. Ale w lipcu 2023 roku! Sukbae Lee (이석배), Ji-Hoon Kim (김지훈) i inni z Koreańskiego Instytutu Nauki i Technologii jako pierwsi utworzyli zespół do zbadania materiału. Czysty apatyt ołowiowy jest izolatorem, ale według Sukbae Lee i innych apatyt ołowiowy domieszkowany miedzią, który tworzy LK-99, jest nadprzewodnikiem, czyli metalem w wyższych temperaturach. Chociaż nie ma potwierdzonego materiału nadprzewodzącego o temperaturze pokojowej przy normalnym ciśnieniu, daje nam to również nadzieję! Zobaczmy, jak ten magiczny LK-99 radzi sobie na magnesie!
Wierzę, że zauważyliście również, że kiedy magnes zbliża się do materiału od dołu, materiał unosi się z powodu odpychania. Po zmianie biegunów magnetycznych materiał nadal stoi z powodu odpychania podczas zbliżania się do materiału.
Ta "mała kropka" opada lub wstaje, gdy magnes NdFeB zbliża się i oddala. Zarówno biegun S, jak i biegun N są skuteczne, to znaczy odpychanie nie ma nic wspólnego z biegunem magnetycznym, wykazując antymagnetyzm.
Nie mówmy o tym, czy LK-99 jest rzeczywiście nadprzewodzący. Magnes trwały NdFeB może sprawić, że będzie lewitował.
Mówiąc o magnesach trwałych NdFeB, musimy porozmawiać o Tesli Model S.
Elon Musk jest tak odważny, że kiedy Tesla zorganizowała imprezę inauguracyjną swojego pierwszego sedana, Modelu S, nawet go nie zmontowali. Podwozie bazowało na Mercedesie-Benz CLS, a aluminiowe panele nadwozia i osłona silnika zostały przyklejone do stalowej ramy za pomocą magnesów neodymowo-żelazowo-borowych.
Kiedy Tesla wyprodukowała swoje pierwsze dwa pełnowymiarowe modele samochodów, do zasilania pojazdów używano silników indukcyjnych. Silniki te były oparte na oryginalnym projekcie silnika Nikoli Tesli, który był genialnym projektem, który wyprzedził wynalezienie magnesów ziem rzadkich o prawie 100 lat.
Silniki indukcyjne generują własny magnetyzm i napędzają wirnik za pomocą energii elektrycznej, a działają bez żadnego rodzaju magnesów trwałych.
Konstrukcja silnika indukcyjnego jest dobra, ale Tesla przestawiła się na silniki z magnesami trwałymi w Modelu 3 w 2017 roku nie bez powodu: Model 3 jest mniejszym samochodem i potrzebuje mniejszego silnika, ale nadal ma dużą moc.
Tak więc, począwszy od Modelu 3, Tesla używała silników neodymowo-żelazowo-borowych, ponieważ zajmują one więcej miejsca, są lżejsze i mogą generować większą siłę.
Zastosowanie magnesów w samochodach: takich jak klimatyzacja, układy hamulcowe, silniki napędowe, pompy olejowe itp.
W rzeczywistości, oprócz stosowania w samochodach, magnesy są również szeroko stosowane w głośnikach telefonów komórkowych, słuchawkach, silnikach wibracyjnych, elektromagnesach, suszarkach do włosów, wentylatorach, lodówkach, pralkach itp.
(Proporcja użycia magnesu)
Tak więc, oprócz magnesów trwałych, takich jak NdFeB, jakie są pozostałe trzy główne typy magnesów? Jak wygląda proces produkcji?
Przyjrzyjmy się temu bliżej!
Po pierwsze, zrozummy maksymalny iloczyn energii magnetycznej magnesów
Obecnie istnieją trzy rodzaje magnesów: permanent magnets, temporary magnets, and electromagnets.
Magnesy trwałe wytwarzają pole magnetyczne, które jest utrzymywane nawet w obecności przeciwstawnego pola magnetycznego. Silniki elektryczne wykorzystujące magnesy trwałe są bardziej wydajne niż te, które tego nie robią. Obecnie wszystkie znane silne magnesy zawierają pierwiastki ziem rzadkich, które są kluczowymi komponentami pojazdów elektrycznych i turbin wiatrowych. Pierwiastki takie jak neodym i tor stały się kluczowymi materiałami ze względu na rosnący popyt i ograniczoną podaż.
Magnesy trwałe są wyjątkowe pod tym względem, że po wyprodukowaniu zapewniają strumień magnetyczny bezenergy input, co skutkuje zerowymi kosztami operacyjnymi. Natomiast magnesy elektromagnetyczne wymagają ciągłego prądu do wytworzenia pola magnetycznego.
Ważną właściwością magnesów trwałych jest to, że utrzymują one swoje pole magnetyczne nawet w obecności przeciwstawnego zewnętrznego pola magnetycznego. Jeśli jednak siła przeciwstawnego pola magnetycznego jest wystarczająco wysoka, wewnętrzne jądra magnetyczne magnesu trwałego zrównają się z przeciwstawnym polem magnetycznym, powodując rozmagnesowanie.
Magnesy trwałe zasadniczo działają jako urządzenia magazynujące energię. Energia jest wstrzykiwana podczas początkowego procesu magnesowania, a jeśli zostanie odpowiednio wyprodukowana i obsłużona zostanie w magnesie przez czas nieokreślony. W przeciwieństwie do baterii, energia w magnesie nigdy się nie wyczerpuje i pozostaje dostępna do wykorzystania. Dzieje się tak, ponieważ magnesy nie mają wpływu netto na swoje otoczenie. Zamiast tego wykorzystują swoją energię do przyciągania lub odpychania innych obiektów magnetycznych, pomagając w konwersji energii elektrycznej i mechanicznej.
Energia pola magnetycznego jest proporcjonalna do iloczynu B i H. Gdy iloczyn BH jest maksymalizowany (oznaczany jako (BH)max), minimalna objętość magnesu jest wymagana do wytworzenia danego pola magnetycznego w danej szczelinie. Im wyższa wartość (BH)max, tym mniejsza objętość magnesu jest potrzebna do wytworzenia danej gęstości strumienia. (BH)max można traktować jako statyczną energię magnetyczną na jednostkę objętości materiału magnesu. BH mierzy się wMega-Gauss Oersteds (MGOe) or kJ/mXNUMX.
W branży magnesów trwałych iloczyn maksymalnej energii magnetycznej reprezentuje gęstość energii magnetycznej magnesu trwałego i jest najczęściej stosowanym parametrem do charakteryzowania wydajności magnesów trwałych.
Klasyfikacja magnesów trwałych
Magnesy trwałe można podzielić na cztery typy:neodymium iron boron (NdFeB),samarium cobalt (SmCo), aluminum nickel cobalt (AlNiCo)iceramic or ferrite magnets.
Zacznijmy od najbardziej opłacalnych magnesów:Neodymium Iron Boron Magnets
Magnesy neodowe (NdFeB) są jednym z najczęściej stosowanych materiałów na magnesy trwałe w zastosowaniach komercyjnych, znanym ze swoichhigh magnetic energy productimagnetic strength.
Magnesy neodowe sąstrongesti większośćcontroversialMagnesy. Należą do kategorii magnesów ziem rzadkich, ponieważ składają się z pierwiastków neodymu, żelaza i boru.
Ze względu na zawartość żelaza magnesy neodymowo-żelazowo-borowe łatwo się utleniają i mają słabą odporność na korozję i często wymagają powłok, takich jak niklowanie, powłoka epoksydowa lub powłoka cynkowa.
Są to jednak produkty o wysokiej gęstości energetycznej (do55 MGOe) o wysokiej wytrzymałości, a korzystanie z nich pozwala na mniejsze dyski twarde, silniki i sprzęt audio.
Zakres temperatur pracy magnesów neodymowych wynosi80°C to 200°C. Jednak wysokiej jakości materiały neodymowe, które mogą działać powyżej120°Cmoże stać się dość drogie.
Biorąc pod uwagę opłacalność, magnesy neodymowe są zdecydowanie pierwszym wyborem.
Być może myślisz, że temperatura pracy mojego magnesu przekroczy 200°C, więc czy nie można używać magnesu w tym środowisku? Rozwiązaniem tego problemu mogą być sanitarne magnesy kobaltowe.
Salm i kobalt (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.
Te magnesy trwałe są wysoce odporne na korozję i mogą wytrzymać temperatury do350°C, a czasem nawet do500 degrees. Ta odporność na temperaturę daje im wyraźną przewagę nad innymi typami magnesów trwałych, które są mniej tolerancyjne na ciepło. Podobnie jak magnesy neodymowe, magnesy samarowo-kobaltowe również wymagają powłok zapobiegających korozji.
Jednak wadą tej odmiany magnesu jest jej niska wytrzymałość mechaniczna. Zasolenie Magnesy kobaltowe mogą łatwo stać się kruche i pękać. Niemniej jednak w przypadkach, gdy niezbędna jest wysoka temperatura i odporność na korozję, magnesy samarowo-kobaltowe mogą być najbardziej odpowiednią opcją.
Magnesy neodymowe doskonale sprawdzają się w niższych temperaturach, podczas gdy magnesy sammonowo-kobaltowe najlepiej sprawdzają się whigher temperatures. Magnesy neodymowe są znane z tego, że są najpotężniejszymi magnesami trwałymi w temperaturze pokojowej i do około 180 stopni Celsjusza w oparciu o namagnesowanie szczątkowe (Br). Jednak ich wytrzymałość znacznie spada wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatury zbliżają się do 180 stopni Celsjusza, magnesy samonowo-kobaltowe zaczynająsurpassMagnesy neodymowe w wydajności.
Sammonium Cobalt plasuje się jako second strongest magnetic material and boasts exceptional resistance to demagnetization. Jest powszechnie stosowany w przemyśle lotniczym i innych sektorach, w których priorytetem jest wydajność, a nie koszty.
Magnesy samarowo-kobaltowe, opracowane w latach siedemdziesiątych XX wieku, wykazują wyższą siłę magnetyczną w porównaniu z magnesami ceramicznymi i aluminiowo-niklowo-kobaltowymi, choć nie dorównują magnetyzmowi oferowanemu przez magnesy neodymowe. Magnesy te dzielą się głównie na dwie grupy w zależności od ich poziomu energii. Pierwsza grupa, znana jakoSm1Co5 (1-5), może pochwalić się gamą produktów energetycznych obejmującą od15 to 22 MGOe. Z drugiej strony, druga grupa, Sm2Co17 (2-17), obejmuje zakres energii22-32 MGOe.
Zarówno magnesy samarowo-kobaltowe, jak i neodymowe są wytwarzane ze sproszkowanych metali. Są one ściskane pod wpływem silnego pola magnetycznego przed poddaniem ich procesowi spiekania.
Magnesy neodymowe są bardzo wrażliwe na czynniki środowiskowe, podczas gdy magnesy samarowo-kobaltowo-ziem rzadkich wykazują doskonałą odporność na korozję. Magnesy samarowo-kobaltowo-ziem rzadkich mogą wytrzymać wysokie temperatury bez utraty magnetyzmu, podczas gdy magnesy neodymowe powinny być używane ostrożnie powyżej temperatury pokojowej. Magnesy neodymowe są trwalsze w porównaniu z magnesami samarowo-kobaltowymi i można je łatwo obrabiać i włączać do zespołów magnetycznych. Oba materiały wymagają użycia narzędzi diamentowych, EDM lub szlifowania podczas procesu obróbki.
Następnie dowiedzmy się o magnesach Alnico
Magnesy aluminiowo-niklowo-kobaltowe (AlNiCo) are conventional permanent magnet materials consisting mainly of aluminium, nikiel i kobalt.They stand as one of the earliest contemporary commercial permanent magnets, innovated by T. Mishimain Japan during the early 20th century.
Pomimo ich znaczącej remanencji, ich stosunkowo niewielka wytrzymałość prowadzi do zmniejszenia iloczynu energii magnetycznej (BH)max w porównaniu z innymi typami magnesów. Odlewany AlNiCo ma zdolność formowania w skomplikowane kształty, podczas gdy spiekany AlNiCo wykazuje nieco mniejsze właściwości magnetyczne, ale lepsze właściwości mechaniczne ze względu na drobnoziarnistą strukturę, co skutkuje równomiernym rozkładem strumienia i zwiększoną wytrzymałością mechaniczną.
Spiekanie AlNiCo obejmuje topienie indukcyjne, mielenie na drobne cząstki, prasowanie, spiekanie, testowanie, powlekanie i magnesowanie. Na właściwości magnesu wpływają różne metody produkcji, przy czym spiekanie poprawia właściwości mechaniczne, a odlewanie zwiększa gęstość energii.
Spiekane magnesy AlNiCo są dostępne w gatunkach od1.5 to 5.25 MGOe, podczas gdy magnesy odlewane wahają się od5.0 to 9.0 MGOe. Anizotropowe magnesy AlNiCo oferują niestandardowe opcje kierunku namagnesowania, zapewniając cenną wszechstronność.
Stopy aluminiowo-niklowo-kobaltowe charakteryzują się wysokimi maksymalnymi temperaturami pracy i wyjątkową odpornością na korozję. Niektóre gatunki aluminium, niklu i kobaltu mogą działać w temperaturach przekraczających500°C. Magnesy te są szeroko stosowane w mikrofonach, głośnikach, przetwornikach gitar elektrycznych, silnikach, lampach o fali biegnącej, czujnikach Halla i różnych innych zastosowaniach.
Na koniec zrozummy magnes o największej przewadze cenowej, którym jest magnes ferrytowy!
Magnesy ferrytowe, also known asMagnesy ceramiczne, are composed of sintered iron oxide along with materials like barium carbonate or strontium carbonate. These magnets are recognized for their Ekonomiczna cena, skuteczna odporność na korozję i zdolność do utrzymania stabilności w wysokich temperaturach do250°C.
Chociaż ich właściwości magnetyczne sąnot as strong as those of NdFeB magnets, opłacalność magnesów ferrytowych sprawia, że doskonale nadają się one dolarge-scaleProdukcji. Ta przewaga kosztowa wynika z zastosowania niedrogich, łatwo dostępnych materiałów, które nie mają charakteru strategicznego.
Magnesy ceramiczne mogą być izotropowe, wykazujące jednolite właściwości magnetyczne we wszystkich kierunkach, lub anizotropowe, wykazujące namagnesowanie w linii z kierunkiem naprężenia. Najsilniejsze magnesy ceramiczne mogą osiągnąć energię magnetyczną 3.8 MGOe, co czyni je najsłabszym rodzajem magnesu trwałego. Pomimo skromnych właściwości magnetycznych oferują lepszą odporność na rozmagnesowanie w porównaniu z innymi typami magnesów.
Magnesy ceramiczne wykazująlow magnetic energy produktu i posiadaćexcellent corrosion resistance,Powszechnie stosowany wraz z komponentami ze stali niskowęglowej i odpowiedni do stosowania w środowiskach o umiarkowanej temperaturze.
Proces produkcji magnesów ceramicznych obejmuje prasowanie i spiekanie, przy czym ze względu na ich kruchy charakter zaleca się stosowanie diamentowych ściernic.
Ogólnie rzecz biorąc, magnesy ceramiczne zapewniają równowagę między wytrzymałością magnetyczną a efektywnością kosztową, a ich kruchość jest równoważona przez doskonałą odporność na korozję. Są trwałe, odporne na rozmagnesowanie i są opłacalną opcją do różnych zastosowań, takich jak zabawki, rękodzieło i silniki.
Magnesy ziem rzadkich znacznie zwiększają wagę lub rozmiar, podczas gdy ferryty są preferowane do zastosowań, które nie wymagają dużej gęstości energii, takich jak elektrycznie sterowane szyby, siedzenia, przełączniki, wentylatory, dmuchawy w urządzeniach, niektóre elektronarzędzia i sprzęt audio.
