O que você precisa saber sobre ímãs antes de entender a levitação magnética
Você está incomodado com o tempo de deslocamento de longa distância? Embora possamos chegar ao seu destino pegando o metrô, dirigindo e voando, ainda parece que leva muito tempo. No entanto, existe uma tecnologia que pode dar um salto qualitativo em nosso tempo de deslocamento, que é a levitação magnética. Talvez você sinta que a levitação magnética só existe em filmes ou dramas de TV. Mas em julho de 2023! Sukbae Lee (이석배), Ji-Hoon Kim (김지훈) e outros do Instituto de Ciência e Tecnologia da Coreia formaram uma equipe para estudar o material. A apatita de chumbo puro é um isolante, mas de acordo com Sukbae Lee e outros, a apatita de chumbo dopada com cobre que forma LK-99 é um supercondutor ou um metal em temperaturas mais altas. Embora não haja material supercondutor confirmado à temperatura ambiente à pressão normal, isso também nos dá esperança! Vamos ver como esse LK-99 mágico se comporta no ímã!
Acredito que você também tenha visto que quando o ímã se aproxima do material por baixo, o material se levanta devido à repulsão. Depois de trocar os pólos magnéticos, o material ainda se levanta devido à repulsão ao se aproximar do material.
Este "pequeno ponto preto" continua caindo ou se levantando à medida que o ímã NdFeB se aproxima e se afasta. Tanto o pólo S quanto o pólo N são eficazes, ou seja, a repulsão não tem nada a ver com o pólo magnético, mostrando antimagnetismo.
Não vamos falar sobre se o LK-99 é realmente supercondutor. O ímã permanente NdFeB pode fazê-lo levitar.
Falando em ímãs permanentes NdFeB, temos que falar sobre o Tesla Model S.
Elon Musk é tão ousado que, quando a Tesla realizou o evento de lançamento de seu primeiro sedã, o Model S, eles nem o montaram. O chassi foi baseado no Mercedes-Benz CLS, e os painéis da carroceria de alumínio e a tampa do motor foram colados à estrutura de aço com ímãs de neodímio ferro e boro.
Quando a Tesla fez seus dois primeiros modelos de carros em tamanho real, eles usaram motores de indução para alimentar os veículos. Esses motores foram baseados no design original do motor de Nikola Tesla, que era um design brilhante que antecedeu a invenção dos ímãs de terras raras em quase 100 anos.
Os motores de indução geram seu próprio magnetismo e acionam o rotor através da eletricidade, e operam sem nenhum tipo de ímã permanente.
O design do motor de indução é bom, mas a Tesla mudou para motores de ímã permanente para o Modelo 3 em 2017 por um bom motivo: o Modelo 3 é um carro menor e precisa de um motor menor, mas ainda tem muita potência.
Então, começando com o Modelo 3, a Tesla usou motores de neodímio ferro boro porque eles economizam mais espaço, são mais leves e podem gerar mais força.
Uso de ímãs em carros: como ar condicionado, sistemas de freio, motores de acionamento, bombas de óleo, etc.
De fato, além de serem usados em automóveis, os ímãs também são amplamente utilizados em alto-falantes de telefones celulares, fones de ouvido, motores de vibração, eletroímãs, secadores de cabelo, ventiladores, geladeiras, máquinas de lavar, etc.
(Proporção de uso do ímã)
Então, além de ímãs permanentes como NdFeB, quais são os outros três principais tipos de ímãs? Qual é o processo de produção?
Vamos dar uma olhada mais de perto!
Primeiro, vamos entender o produto máximo de energia magnética dos ímãs
Atualmente, existem três tipos de ímãs: permanent magnets, temporary magnets, and electromagnets.
Os ímãs permanentes produzem um campo magnético que é mantido mesmo na presença de um campo magnético oposto. Os motores elétricos que usam ímãs permanentes são mais eficientes do que aqueles que não usam. Atualmente, todos os ímãs fortes conhecidos contêm elementos de terras raras, que são componentes-chave para veículos elétricos e turbinas eólicas. Elementos como neodímio e tório tornaram-se materiais-chave devido à crescente demanda e oferta limitada.
Os ímãs permanentes são únicos porque, uma vez produzidos, fornecem fluxo magnético semenergy input, resultando em custos operacionais zero. Em contraste, os ímãs eletromagnéticos requerem uma corrente contínua para gerar um campo magnético.
Uma propriedade importante dos ímãs permanentes é que eles mantêm seu campo magnético mesmo na presença de um campo magnético externo oposto. No entanto, se a força do campo magnético oposto for alta o suficiente, os núcleos magnéticos internos do ímã permanente se alinharão com o campo magnético oposto, resultando em desmagnetização.
Os ímãs permanentes atuam essencialmente como dispositivos de armazenamento de energia. A energia é injetada durante o processo inicial de magnetização e, se fabricada e manuseada adequadamente, permanecerá no ímã indefinidamente. Ao contrário de uma bateria, a energia em um ímã nunca se esgota e permanece disponível para uso. Isso ocorre porque os ímãs não têm efeito líquido em seus arredores. Em vez disso, eles usam sua energia para atrair ou repelir outros objetos magnéticos, auxiliando na conversão entre energia elétrica e mecânica.
A energia de um campo magnético é proporcional ao produto de B e H. Quando o produto de BH é maximizado (denotado como (BH)max), o volume mínimo de ímã é necessário para produzir um determinado campo magnético em uma determinada lacuna. Quanto maior o (BH)max, menor o volume de ímã necessário para produzir uma determinada densidade de fluxo. (BH)max pode ser pensado como a energia magnética estática por unidade de volume do material magnético. BH é medido emMega-Gauss Oersteds (MGOe) or kJ/mXNUMX.
Na indústria de ímãs permanentes, o produto de energia magnética máxima representa a densidade de energia magnética do ímã permanente e é o parâmetro mais comumente usado para caracterizar o desempenho de ímãs permanentes.
Classificação de ímãs permanentes
Os ímãs permanentes podem ser divididos em quatro tipos:neodymium iron boron (NdFeB),samarium cobalt (SmCo), aluminum nickel cobalt (AlNiCo)eceramic or ferrite magnets.
Vamos começar com os ímãs mais econômicos:Neodymium Iron Boron Magnets
Os ímãs de neodídio (NdFeB) são um dos materiais de ímãs permanentes mais amplamente utilizados em aplicações comerciais, conhecidos por seushigh magnetic energy productemagnetic strength.
Os ímãs de neodium são osstrongeste a maioriacontroversialÍmãs. Eles pertencem à categoria de ímãs de terras raras porque são compostos de elementos de neodímio, ferro e boro.
Devido ao teor de ferro, os ímãs de neodímio ferro e boro são facilmente oxidados e têm baixa resistência à corrosão e geralmente requerem revestimentos como niquelagem, revestimento epóxi ou revestimento de zinco.
No entanto, são produtos de alta densidade de energia (até55 MGOe) com alta tenacidade, e usá-los permite unidades de disco rígido, motores e equipamentos de áudio de tamanho menor.
A faixa de temperatura operacional dos ímãs de neodímio é80°C to 200°C. No entanto, materiais de neodímio de alta qualidade que podem operar acima120°Cpode se tornar bastante caro.
Considerando a relação custo-benefício, os ímãs de neodímio são definitivamente a primeira escolha.
Talvez você esteja pensando que a temperatura de trabalho do meu ímã excederá 200°C, então é impossível usar o ímã neste ambiente? Este problema pode ser resolvido por ímãs sanitários de cobalto.
Cobalto de sálmio (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.
Esses ímãs permanentes são altamente resistentes à corrosão e podem suportar temperaturas de até350°C, e às vezes até500 degrees. Essa resiliência à temperatura lhes dá uma vantagem distinta sobre outros tipos de ímãs permanentes que são menos tolerantes ao calor. Assim como os ímãs de neodímio, os ímãs de samário-cobalto também precisam de revestimentos para evitar a corrosão.
No entanto, a desvantagem dessa variedade de ímãs é sua baixa resistência mecânica. Salinidade Os ímãs de cobalto podem facilmente se tornar quebradiços e desenvolver rachaduras. No entanto, nos casos em que a alta temperatura e a resistência à corrosão são essenciais, os ímãs de samário-cobalto podem ser a opção mais adequada.
Os ímãs de neodímio se destacam em temperaturas mais baixas, enquanto os ímãs de cobalto de samônio têm melhor desempenho emhigher temperatures. Os ímãs de neodímio são conhecidos por serem os ímãs permanentes mais poderosos à temperatura ambiente e até aproximadamente 180 graus Celsius com base na magnetização remanescente (Br). No entanto, sua força diminui significativamente à medida que a temperatura aumenta. À medida que as temperaturas se aproximam de 180 graus Celsius, os ímãs de Samônio Cobalto começam asurpassÍmãs de neodímio em desempenho.
O cobalto de samônio é classificado como o second strongest magnetic material and boasts exceptional resistance to demagnetization. É comumente utilizado na indústria aeroespacial e em outros setores, priorizando o desempenho em detrimento do custo.
Os ímãs de samário-cobalto, desenvolvidos na década de 1970, exibem uma força magnética mais alta em comparação com os ímãs de cerâmica e alumínio-níquel-cobalto, embora fiquem aquém do magnetismo oferecido pelos ímãs de neodímio. Esses ímãs são classificados principalmente em dois grupos com base em seus níveis de energia. O primeiro grupo, conhecido comoSm1Co5 (1-5), possui uma gama de produtos energéticos que abrange desde15 to 22 MGOe. Por outro lado, o segundo grupo, Sm2Co17 (2-17), engloba uma gama de energia de22-32 MGOe.
Os ímãs de samário-cobalto e neodímio são fabricados a partir de metais em pó. Eles são comprimidos sob a influência de um potente campo magnético antes de passar por um processo de sinterização.
Os ímãs de neodímio são altamente sensíveis a fatores ambientais, enquanto os ímãs de terras raras de samário-cobalto exibem excelente resistência à corrosão. Os ímãs de terras raras de samário-cobalto podem suportar altas temperaturas sem perder seu magnetismo, enquanto os ímãs de neodímio devem ser usados com cautela acima da temperatura ambiente. Os ímãs de neodímio são mais duráveis em comparação com os ímãs de samário-cobalto e podem ser facilmente usinados e incorporados em conjuntos magnéticos. Ambos os materiais requerem o uso de ferramentas diamantadas, EDM ou retificação durante o processo de usinagem.
Em seguida, vamos aprender sobre os ímãs de Alnico
Ímãs de alumínio do níquel-cobalto (AlNiCo) are conventional permanent magnet materials consisting mainly of alumínio, níquel e cobalto.They stand as one of the earliest contemporary commercial permanent magnets, innovated by T. Mishimain Japan during the early 20th century.
Apesar de sua notável remanência, sua tenacidade relativamente modesta leva a um produto de energia magnética (BH)max reduzido quando comparado a outros tipos de ímãs. O AlNiCo fundido possui a capacidade de ser moldado em formas intrincadas, enquanto o AlNiCo sinterizado apresenta propriedades magnéticas ligeiramente menores, mas propriedades mecânicas superiores devido à sua estrutura de grão fino, resultando em uma distribuição de fluxo uniforme e maior resistência mecânica.
A sinterização de AlNiCo engloba fusão por indução, moagem em partículas finas, prensagem, sinterização, teste, revestimento e magnetização. Vários métodos de fabricação afetam as propriedades do ímã, com a sinterização aprimorando os atributos mecânicos e a fundição aumentando a densidade de energia.
Os ímãs de AlNiCo sinterizados vêm em graus que variam de1.5 to 5.25 MGOe, enquanto os ímãs fundidos variam de5.0 to 9.0 MGOe. Os ímãs anisotrópicos de AlNiCo oferecem opções personalizadas de direção de magnetização, proporcionando versatilidade valiosa.
As ligas de alumínio e níquel-cobalto exibem altas temperaturas máximas de operação e excepcional resistência à corrosão. Alguns graus de alumínio e níquel-cobalto podem funcionar em temperaturas superiores500°C. Esses ímãs são amplamente utilizados em microfones, alto-falantes, captadores de guitarra elétrica, motores, tubos de ondas viajantes, sensores Hall e várias outras aplicações.
Finalmente, vamos entender o ímã com a maior vantagem de preço, que é o ímã de ferrite!
Ímãs de ferrite, also known asímãs cerâmicos, are composed of sintered iron oxide along with materials like barium carbonate or strontium carbonate. These magnets are recognized for their preços econômicos, resistência eficaz à corrosão e capacidade de manter a estabilidade em altas temperaturas de até250 ° C.
Embora suas características magnéticas sejamnot as strong as those of NdFeB magnets, a relação custo-benefício dos ímãs de ferrite os torna adequados paralarge-scalefabricação. Essa vantagem de custo decorre do uso de materiais baratos e prontamente disponíveis que não são estratégicos por natureza.
Os ímãs cerâmicos podem ser isotrópicos, apresentando propriedades magnéticas uniformes em todas as direções, ou anisotrópicos, exibindo magnetização em alinhamento com a direção da tensão. Os ímãs cerâmicos mais potentes podem atingir uma energia magnética de 3.8 MGOe, tornando-os o tipo mais fraco de ímã permanente. Apesar de suas propriedades magnéticas modestas, eles oferecem resiliência superior à desmagnetização em comparação com outros tipos de ímãs.
Os ímãs cerâmicos exibem umlow magnetic energy produto e possuirexcellent corrosion resistance,comumente usado ao lado de componentes de aço de baixo carbono e adequado para uso em ambientes de temperatura moderada.
O processo de fabricação de ímãs cerâmicos envolve prensagem e sinterização, com uso recomendado de rebolos diamantados devido à sua natureza quebradiça.
Em geral, os ímãs cerâmicos oferecem um equilíbrio entre força magnética e eficiência de custos, com sua fragilidade neutralizada por uma excelente resistência à corrosão. Eles são duráveis, resistentes à desmagnetização e uma opção econômica para várias aplicações, como brinquedos, artesanato e motores.
Os ímãs de terras raras aumentam significativamente as considerações de peso ou tamanho, enquanto as ferritas são preferíveis para aplicações que não requerem alta densidade de energia, como vidros elétricos, assentos, interruptores, ventiladores, sopradores em eletrodomésticos, algumas ferramentas elétricas e equipamentos de áudio.
