Что нужно знать о магнитах, прежде чем разобраться в магнитной левитации
Вас беспокоит время на дальние расстояния? Хотя мы можем добраться до места назначения на метро, автомобиле и самолете, все равно кажется, что это занимает много времени. Тем не менее, есть технология, которая может совершить качественный скачок в нашем времени на дорогу, и это магнитная левитация. Возможно, вы чувствуете, что магнитная левитация существует только в фильмах или телевизионных драмах. Но в июле 2023 года! Сукбэ Ли (이석배), Джи-Хун Ким (김지훈) и другие из Корейского института науки и технологий сначала сформировали команду для изучения материала. Чистый апатит свинца является изолятором, но, по мнению Сукбэ Ли и других, легированный медью апатит свинца, который образует LK-99, является сверхпроводником, или металлом при более высоких температурах. Хотя нет подтвержденного сверхпроводящего материала при комнатной температуре при нормальном давлении, это также дает нам надежду! Давайте посмотрим, как этот волшебный ЛК-99 работает на магните!
Я думаю, вы также видели, что когда магнит приближается к материалу снизу, материал встает из-за отталкивания. После смены магнитных полюсов материал все еще стоит за счет отталкивания при приближении к материалу.
Эта «маленькая черная точка» продолжает падать или вставать, когда магнит NdFeB приближается и удаляется. И S, и N полюс эффективны, то есть отталкивание не имеет ничего общего с магнитным полюсом, проявляя антимагнетизм.
Не будем говорить о том, является ли ЛК-99 действительно сверхпроводящим. Постоянный магнит NdFeB может заставить его левитировать.
Говоря о постоянных магнитах NdFeB, нельзя не упомянуть о Tesla Model S.
Илон Маск настолько смел, что когда Tesla проводила мероприятие по запуску своего первого седана, Model S, они даже не собирали его. Шасси было основано на Mercedes-Benz CLS, а алюминиевые панели кузова и крышка двигателя были приклеены к стальному каркасу с помощью неодимовых железных борных магнитов.
Когда Tesla сделала свои первые две полноразмерные модели автомобилей, они использовали асинхронные двигатели для привода транспортных средств. Эти двигатели были основаны на оригинальной конструкции двигателя Николы Теслы, которая была блестящей конструкцией, предшествовавшей изобретению редкоземельных магнитов почти на 100 лет.
Асинхронные двигатели генерируют собственный магнетизм и приводят в движение ротор с помощью электричества, при этом они работают без каких-либо постоянных магнитов.
Конструкция асинхронного двигателя хороша, но Tesla перешла на двигатели с постоянными магнитами для Model 3 в 2017 году по уважительной причине: Model 3 — это меньший автомобиль, и ему нужен меньший двигатель, но при этом он обладает большой мощностью.
Таким образом, начиная с Model 3, Tesla использовала неодимовые железо-борные двигатели, потому что они более компактны, легче и могут генерировать больше энергии.
Использование магнитов в автомобилях: таких как кондиционеры, тормозные системы, приводные двигатели, масляные насосы и т.д.
На самом деле, помимо использования в автомобилях, магниты также широко используются в динамиках мобильных телефонов, наушниках, вибрационных двигателях, электромагнитах, фенах, вентиляторах, холодильниках, стиральных машинах и т. д.
(Доля использования магнита)
Итак, помимо постоянных магнитов, таких как NdFeB, какие еще три основных типа магнитов существуют? Как происходит процесс производства?
Давайте рассмотрим подробнее!
Для начала давайте разберемся в максимальном произведении магнитной энергии магнитов
В настоящее время существует три типа магнитов: permanent magnets, temporary magnets, and electromagnets.
Постоянные магниты создают магнитное поле, которое сохраняется даже в присутствии противоположного магнитного поля. Электродвигатели, использующие постоянные магниты, более эффективны, чем те, которые их не используют. В настоящее время все известные сильные магниты содержат редкоземельные элементы, которые являются ключевыми компонентами для электромобилей и ветряных турбин. Такие элементы, как неодим и торий, стали ключевыми материалами из-за растущего спроса и ограниченного предложения.
Постоянные магниты уникальны тем, что после производства они обеспечивают магнитный поток безenergy input, что приводит к нулевым эксплуатационным расходам. В отличие от них, электромагнитным магнитам требуется постоянный ток для создания магнитного поля.
Важным свойством постоянных магнитов является то, что они сохраняют свое магнитное поле даже при наличии противоположного внешнего магнитного поля. Однако, если напряженность противоположного магнитного поля достаточно высока, внутренние магнитные ядра постоянного магнита выровняются с противоположным магнитным полем, что приведет к размагничиванию.
Постоянные магниты по сути выступают в качестве накопителей энергии. Энергия впрыскивается во время начального процесса намагничивания, и при правильном изготовлении и обращении она останется в магните на неопределенный срок. В отличие от аккумулятора, энергия в магните никогда не заканчивается и остается доступной для использования. Это связано с тем, что магниты не оказывают суммарного воздействия на окружающую среду. Вместо этого они используют свою энергию для притяжения или отталкивания других магнитных объектов, способствуя преобразованию электрической и механической энергии.
Энергия магнитного поля пропорциональна произведению B и H. Когда произведение BH максимизируется (обозначается как (BH)max), минимальный объем магнита требуется для создания заданного магнитного поля в заданном зазоре. Чем выше (BH)max, тем меньший объем магнита требуется для создания заданной плотности потока. (BH)max можно рассматривать как статическую магнитную энергию на единицу объема магнитного материала. BH измеряется вMega-Gauss Oersteds (MGOe) or kJ/mXNUMX.
В индустрии постоянных магнитов произведение максимальной магнитной энергии представляет собой плотность магнитной энергии постоянного магнита и является наиболее часто используемым параметром для характеристики характеристик постоянных магнитов.
Классификация постоянных магнитов
Постоянные магниты можно разделить на четыре типа:neodymium iron boron (NdFeB),samarium cobalt (SmCo), aluminum nickel cobalt (AlNiCo)иceramic or ferrite magnets.
Начнем с самых экономичных магнитов:Neodymium Iron Boron Magnets
Неодевые магниты (NdFeB) являются одним из наиболее широко используемых материалов для постоянных магнитов в коммерческом применении, известны своимиhigh magnetic energy productиmagnetic strength.
Неодиевые магниты являютсяstrongestи большинствоcontroversialМагниты. Они относятся к категории редкоземельных магнитов, поскольку состоят из элементов неодима, железа и бора.
Из-за содержания железа неодимовые железо-борные магниты легко окисляются и имеют плохую коррозионную стойкость, а также часто требуют покрытий, таких как никелирование, эпоксидное покрытие или цинковое покрытие.
Тем не менее, они являются продуктами с высокой плотностью энергии (до55 MGOe) с высокой ударной вязкостью, а их использование позволяет создавать жесткие диски меньшего размера, двигатели и аудиооборудование.
Диапазон рабочих температур неодимовых магнитов составляет80°C to 200°C. Тем не менее, высококачественные неодимовые материалы, которые могут работать выше120°Cможет стать довольно дорогим.
Учитывая экономическую эффективность, неодимовые магниты, безусловно, являются первым выбором.
Может быть, вы думаете, что рабочая температура моего магнита превысит 200°C, так неужели невозможно использовать магнит в этой среде? Эту проблему можно решить с помощью санитарных кобальтовых магнитов.
Сальмий кобальт (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.
Эти постоянные магниты обладают высокой коррозионной стойкостью и могут выдерживать температуру до350°C, а иногда даже до500 degrees. Эта температурная устойчивость дает им явное преимущество перед другими типами постоянных магнитов, которые менее устойчивы к теплу. Как и неодимовые магниты, самарий-кобальтовые магниты также нуждаются в покрытии для предотвращения коррозии.
Однако недостатком этой разновидности магнитов является его низкая механическая прочность. Магниты с соленостью кобальта могут легко стать хрупкими и иметь трещины. Тем не менее, в случаях, когда важна высокая температурная и коррозионная стойкость, магниты с самарием и кобальтом могут быть наиболее подходящим вариантом.
Неодимовые магниты отлично справляются с более низкими температурами, в то время как магниты Sammonium Cobalt лучше всего работают приhigher temperatures. Неодимовые магниты известны как самые мощные постоянные магниты при комнатной температуре и примерно до 180 градусов Цельсия в пересчете на остаточную намагниченность (Br). Однако их прочность значительно снижается с повышением температуры. Когда температура приближается к 180 градусам по Цельсию, магниты на основе саммония и кобальта начинают увеличиватьсяsurpassНеодимовые магниты в производительности.
Кобальт Sammonium относится к second strongest magnetic material and boasts exceptional resistance to demagnetization. Он обычно используется в аэрокосмической промышленности и других секторах, где производительность важнее стоимости.
Самарий-кобальтовые магниты, разработанные в 1970-х годах, демонстрируют более высокую магнитную прочность по сравнению с керамическими и алюминиево-никель-кобальтовыми магнитами, хотя и не дотягивают до магнетизма, предлагаемого неодимовыми магнитами. Эти магниты в основном классифицируются на две группы в зависимости от их энергетических уровней. Первая группа, известная какSm1Co5 (1-5), может похвастаться ассортиментом энергетической продукции, охватывающим от15 to 22 MGOe. С другой стороны, вторая группа, Sm2Co17 (2-17), охватывает энергетический диапазон22-32 MGOe.
Как самарий, кобальт, так и неодимовые магниты изготавливаются из порошковых металлов. Они сжимаются под воздействием мощного магнитного поля перед тем, как подвергнуться процессу спекания.
Неодимовые магниты очень чувствительны к факторам окружающей среды, в то время как самарий-кобальтовые редкоземельные магниты демонстрируют отличную коррозионную стойкость. Самарий-кобальтовые редкоземельные магниты могут выдерживать высокие температуры, не теряя своего магнетизма, в то время как неодимовые магниты следует использовать с осторожностью выше комнатной температуры. Неодимовые магниты более долговечны по сравнению с самарий-кобальтовыми магнитами и могут быть легко обработаны и встроены в магнитные сборки. Оба материала требуют использования алмазных инструментов, электроэрозионной обработки или шлифовки в процессе обработки.
Далее давайте узнаем о магнитах Alnico
Магниты алюминий, никель, кобальт (AlNiCo) are conventional permanent magnet materials consisting mainly of алюминий, никель и кобальт.They stand as one of the earliest contemporary commercial permanent magnets, innovated by Т. Мисимаin Japan during the early 20th century.
Несмотря на их заметную остаточную намагниченность, их относительно скромная прочность приводит к снижению максимального магнитного произведения энергии (BH) по сравнению с другими типами магнитов. Литой AlNiCo обладает способностью придавать форму сложных форм, в то время как спеченный AlNiCo демонстрирует несколько меньшие магнитные свойства, но превосходные механические свойства благодаря своей мелкозернистой структуре, что приводит к равномерному распределению потока и повышенной механической прочности.
Спекание AlNiCo включает в себя индукционную плавку, измельчение мелких частиц, прессование, спекание, тестирование, нанесение покрытий и намагничивание. Различные методы производства влияют на свойства магнита, при этом спекание улучшает механические свойства, а литье увеличивает плотность энергии.
Спеченные магниты AlNiCo бывают марок от1.5 to 5.25 MGOe, в то время как литые магниты варьируются от5.0 to 9.0 MGOe. Анизотропные магниты AlNiCo предлагают индивидуальные варианты направления намагничивания, что обеспечивает ценную универсальность.
Сплавы алюминия, никеля и кобальта демонстрируют высокие максимальные рабочие температуры и исключительную коррозионную стойкость. Некоторые марки алюминия, никеля, кобальта могут работать при температурах, превышающих500°C. Эти магниты широко используются в микрофонах, колонках, звукоснимателях для электрогитар, двигателях, лампах бегущей волны, датчиках Холла и различных других приложениях.
Наконец, давайте разберемся с магнитом с наибольшим ценовым преимуществом, которым является ферритовый магнит!
Ферритовые магниты, also known asКерамические магниты, are composed of sintered iron oxide along with materials like barium carbonate or strontium carbonate. These magnets are recognized for their Экономичное ценообразование, эффективная коррозионная стойкость и способность сохранять стабильность при высоких температурах до250°С.
В то время как их магнитные характеристикиnot as strong as those of NdFeB magnets, экономичность ферритовых магнитов делает их хорошо подходящими дляlarge-scaleпроизводственный. Это ценовое преимущество обусловлено использованием недорогих, легкодоступных материалов, которые не являются стратегическими по своей природе.
Керамические магниты могут быть изотропными, демонстрирующими равномерные магнитные свойства во всех направлениях, или анизотропными, демонстрирующими намагниченность в соответствии с направлением напряжения. Самые мощные керамические магниты могут достигать магнитной энергии 3.8 MGOe, что делает их самым слабым типом постоянных магнитов. Несмотря на свои скромные магнитные свойства, они обеспечивают превосходную устойчивость к размагничиванию по сравнению с другими типами магнитов.
Керамические магниты демонстрируютlow magnetic energy продукт и обладаниеexcellent corrosion resistance,Обычно используется вместе с компонентами из низкоуглеродистой стали и подходит для использования в условиях умеренных температур.
Процесс производства керамических магнитов включает в себя прессование и спекание, при этом рекомендуется использовать алмазные шлифовальные круги из-за их хрупкой природы.
В целом, керамические магниты обеспечивают баланс между магнитной прочностью и экономичностью, а их хрупкость компенсируется превосходной коррозионной стойкостью. Они долговечны, устойчивы к размагничиванию и являются экономичным вариантом для различных применений, таких как игрушки, поделки и двигатели.
Редкоземельные магниты значительно повышают вес или размер, в то время как ферриты предпочтительны для применений, не требующих высокой плотности энергии, таких как электрические стеклоподъемники, сиденья, переключатели, вентиляторы, воздуходувки в бытовых приборах, некоторые электроинструменты и аудиооборудование.
