4.1. Magnety

Magnet priťahuje železné predmety. Najpoužívanejšie magnetické kovy sú železo Fe, nikel Ni, kobalt Co. Tyčový magnet má dva póly serverný S a južný J. Anglicky sa póly označujú aj N - north = severný a S - south = južný. Silovo na seba pôsobia aj magnety, rovnaké póly sa odpudzujú, rôzne priťahujú.

Siločiary magnetického poľa tvoria uzatvorené krivky, prebiehajú aj vo vnútri magnetu. Dohodnutý smer siločiar je zo severného do južného pólu.

Magnetizácia je jav kedy pôvodne nezmagnetizovaný materiál vložený do magnetického poľa stávajú tiež magnetickým. Týmto spôsobom sa vyrábajú trvalé magnety.

4.2. Elektromagnety

V okolí vodiča s prúdom je magnetické pole. Siločiary tvoria kružnice. Zvinutím vodiča do špirály sa polia spoja a vytvoria elektromagnet, ktorý má siločiary podobné ako trvalý magnet.

V okolí pohybujúcich sa nabitých častíc vzniká magnetické pole. Elektrický prúd a magnetické pole sú fyzikálne neoddeliteľné veličiny. Magnetické pole je vírové, to znamená že elektrický prúd alebo magnetické čiary musia mať tvar uzatvorenej krivky. Aj obiehajúci elektrón okolo jadra atómu vytvára magnetické momenty atómu.

Ampérovo pravidlo pravej ruky pre vodič s prúdom: Ak položíme pravú ruku na vodič s prúdom tak, že vztýčený palec ukazuje smer prúdu, potom prsty v uzatvorenej dlani ukazujú smer siločiar magnetického poľa.

Ampérovo pravidlo pravej ruky pre cievku: Ak položíme pravú ruku na cievku s prúdom tak, aby prsty ukazovali smer prúdu v cievke, tak vztýčený palec ukazuje severný magnetický pól cievky.

4.3. Veličiny magnetického poľa

Intenzita magnetického poľa H vyjadruje hustotu magnetického poľa. V cievke H = n . I / d ... n - počet závitov cievky, I - prúd v cievke, d - dĺžka cievky. Jednotkou v sústave SI je Ampér na meter (A/m). Jednotkou v systéme CGS je Oersted (Oe). 1 kOe = 79,5 kA/m.

Príklad: Vypočítajte intenzitu magnetického poľa v cievke so 100 závitmi, prrúdom 1 A dĺžkou 10 cm. n = 100, I = 1 A, d = 10 cm = 0,1 m H = n . I / d = 100 . 1 A / 0,1 m = 1 000 A/m

Magnetická indukcia vyjadrujé silové pôsobenie magnetov. Jednotka je v SI Tesla (T). Jednotkou v CGS je Gauss (G). 1 G = 0,000 1 T. Magnety používané v praxi majú indukciu 0,01 T - 100 T. Vzťah medzi intenzitou a indukciou je: B = µ . H µ - je permeabilita prostredia, čo je magnetická vlastnosť látky. µ = µ_r . µ₀ µ₀ je permeabilita vákua, je to konštanta, µ₀ = 4 . π . 10^-7 = 12,56 . 10^-7 µ_r je relatívna permeabilia, popisuje zosilnenie magnetického poľa v látke. U magnetických materiálov je rádovo µ_r = 1 000.

Príklad: Vypočítajte veľkosť magnetickej indukcie v cievke s kovovým jadrom s ur = 1000, ak cievka má 1000 závitov, dĺžku 1 cm a tečie ňou prúd 1 A. µ_r = 1 000, µ₀ = 12,56.10^-7, n = 1 000, d = 1 cm = 0,01 m, I = 1 A H = n . I / d = 1 000 . 1 A / 0,01 m = 100 000 A/m B = µ . H = µ_r . µ₀ . H = 1 000 . 12,56.10^-7 . 100 000 = 125,6 T

4.4. Magnetické vlastnosti látok

1. Diamagnetické - mierne zoslabujú magnetické pole. µ_r < 1 , napr. Al, CaO, Pt.
2. Paramagnetické - mierne zosiľnujú magnetické pole. µ_r > 1 , napr. H2, H2O, Cu, grafit.
3. Feromagnetické - veľmi zosiľňujú µ_r >> 1, napríklad válcovaný plech dosahuje µ_r = 5 000. Feromagnetikum je materiál so spontánnou magnetizáciou. Obsahuje jeden alebo viac druhou rovnako orientovaných magnetických atómov v krištalickej mriežke (na rozdiel od ferimagnetík, kde sú magnetické momentyv opozícii). Výsledkom je veľký celkový magnetický moment. AlNiCo a Re/Co sú feromagnetické materiály.
4. Ferimagnetické = ferity - materiál so spontánnou magnetizáciou, µ_r >> 1. Obsahuje aspoň dva druhy atómov v kryštalickej mriežke, ktoré majú rôzne veľké magnetické momenty smerujúce proti sebe a tým pádom jeden z nich prevažuje (na rozdiel od antiferomagnetík, kde sa magnetické momenty úplne rušia). Výsledkom je celkový magnetický moment podobný ako u feromagnetík.

Magnetizačná krivka feromagnetickej látky:

a) Krivka prvotnej magnetizácie - vyjadruje závislosť H a B pri magnetizovaní ešte nezmagnetizovanej látky. Pri určitej intenzite magnetického poľa H sa materiál magneticky nasýti a B sa už ďalej nezvyšuje. B_S je indukcia nasýtenia materiálu.

b) Hysterézna slučka - popisuje opakovanú magnetizáciu a demagnetizáciu materiálu. Pri odstránení vonkajšieho magnetického poľa, materiál ostáva čiastočne zmagnetizovaný, je v ňom zbytková = remanentná indukcia B_r. Materiál sa dá odmagnetovať privedením určitého opačného magnetického poľa, je to koercitívna intenzita H_c. Remanencia je schopnosť uchovávať magnetické pole, koercivita je schopnosť odolávať demagnetizácii.

Curie teplota (čítaj Kiri teplota) je teplota nad ktorou materiál už nie je magnetický.

4.5. Silové pôsobenie

Na vodič s prúdom v magnetickom poli pôsobí sila. Prúdová slučka je vlastne tvorená dvoma vodičmi s prúdom s opačným smerom, a vytvára krútiaci moment. Tento princíp sa využíva v elektromotoroch.

Silovo na seba pôsobia aj dva vodiče s prúdom, pretože v okolí vodičov s prúdom sa vytvára magnetické pole. Ak prúd tečie rovnakým smerom, priťahujú sa, ak rôznym, odpudzujú sa.

Veľkosť pôsobiacej sily na vodič s prúdom v magnetickom poli možno vyrátať: F = B . I . d ..... pričom B - indukcia (T), I - prúd vo vodiči (A), d - dĺžka vodiča (m).

Príklad: Vypočítajte veľkosť pôsobiacej sily dlhý 2 m, ktorým tečie prúd 100 A umiestnený v magnetickom poli s indukciou 100 T. F = ? d = 20 m I = 100 A B = 10 T F = B . I . d F = 10 T . 100 A . 20 m = 20 000 N ("2 ton")

4.6. Elektromagnetická indukcia

Vo vodiči pohybujúcom sa v magnetickom poli sa indukuje napätie (a). V slučka otáčajúcej sa v magnetickom poli vzniká striedavé napätie (b), pretože smer a rýchlosť pohybu sa menia podľa funckie sínus, ktorá vyplýva z kruhového pohybu. Tento princíp sa využíva v elektrických generátoroch, ako je automobilový alternátor, dynamo na motorke, alternátor v elektrárni.

Veľkosť indukovaného napätie U = B . d . v ..... pričom B - indukica (T), d - dĺžka vodiča (m), v - rýchlosť pohybu vodiča (m/s).

Príklad: Vypočítajte veľkosť indukovaného napätia vo vodiči s dĺžkou 10 m, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli s indukciou 2 T s rýchlosťou 1 m/s. U = ? B = 2 T d = 10 m v = 1 m/s U = B . d . v U = 2 T . 10 m . 1 m/s U = 20 V

4.7. Straty v magnetických materiáloch

Hysterézne straty súvisia so šírkou hysteréznej slučky. Pri magnetizácii sa časť energie premení na telo (natáčanie domén). Čím je širšia magnetizačná krivka, tým sú väčšie straty. Straty sú väčšie u magneticky tvrdých materiálov. Straty rastú aj s frekvenciou.

Vírivé prúdy sú uzatvorené slučky s prúdom, ktoré sa tvoria na základe elektromagnetickej indukcie pri zmene magnetického poľa vo vodivom materiály. Na obmedzenie vírivých prúdov sa používajú lakované plechy alebo ferity.

4.8. Magnetické materiály

4.8.1. Magneticky mäkké materiály majú úzku hysteréznu slučku. Dajú sa ľahko zmagnetizovať aj demagnetizovať. Sú to materiály:

1. Magneticky mäkké železo - technické, kremičité
2. Magneticky mäkké ferity - spekaním oxidov kovov (Fe, Ni, Zn, Mn, Mg), ide o keramiku, sú elektricky nevodivé a preto v nich nie je problém s vírivými prúdmi. Majú veľmi úzku až pravouhlú hysteréznu slučku. Použitie na feritové toroidné jadrá transformátorov a tlmiviek.
3. zliatiny Fe:
• Fe-Ni - Permalloy je magneticky mäkká zliatina Fe s 30 až 80 % Ni a ďalšími prímesami. Má vysokú počiatočnú permeabilitu. Používa sa na jadrá transformátorov, magnetické tienenia káblov, magnetické senzory, magnetické záznamové a snímacie hlavy, časti elektromagnetu - jadro a pohyblivá kotva, pólové nástavce magnetov, v krokových motoroch.
• Fe-Ni-Mo - Supermalloy je zliatina 76 % Ni, 16 % Fe, 5 % Mo a ďalšími prímesami, pripravuje sa žíhaním vo vodíkovej atmosfére a kontrolovaným ochladzovaním, aby prebehla správne krištalizácia. maximálna permeabilita. Používa sa v malých jadrách elektromagnetických mechanizmov (nízkoprúdových transformátoroch, magnetických zosilovačoch, krokových motoroch a i.) pracujúcich na nízkych frekvenciách rádov do 10 kHz.
• Fe-Co - permendur 49 % Co . Používa sa na pólové nástavce elektromagnetu.

4.8.2. Magneticky tvrdé materiály sa používajú na výrobu trvalých magnetov. Majú širokú hysteréznu slučku, teda veľkú koercivitu. Dajú sa ťažko zmagnetizovať aj odmagnetizovať. Sú to materiály:

1. Feritové (keramické) magnety - obsahujú 80 % železa a 20 % bária alebo stroncia. Tieto suroviny sú lacné a dostupné vo veľkých množstvách, preto aj magnety z nich vyrobené sú pomerne lacné. Feritové magnety sa vyrábajú lisovaním. Sú tvrdé a krehké. Opracovanie sa robí brúsením diamantovým kotúčom, režú sa vodným lúčom. Sú odolné voči vplyvom počasia a neoxidujú. Nie sú citlivé na odmagnetovanie a za normálnych podmienok si udržujú permanentný magnetizmus. Sú odolné voči väčšine chemikálií a rozpúšťadiel. Rozsah pracovných teplôt od -40 ˚C do + 250 ˚C.
2. Magnety zo vzácnych zemín Sú to vysokoenergetické magnety s veľkým obsahom kovov zo vzácnych zemín, ako napríklad kobalt Co, samárium Sm a neodymum Nd. Tieto magnety sú silnejšie ako ferity a preto môžu byť menšie, 1/6 objemu.
   a) SmCo Výroba pozostáva z lisovania v magnetickom poli a následnom spekaní. SmCo je krehký a tvrdý materiál. Magnetizované sú výlučne v jednom smere. Tieto magnety sú veľmi odolné voči pôsobeniu demagnetizačného poľa. Prevádzková teplota je do cca + 250 ˚C.
   b) Neodym - NdFeB V súčastnosti je to najsilnejší typ magnetu s vynikajúcimi magnetickými vlastnosťami, ako je remanencia a energetická hustota. Neodymové magnety sú dodávané iba v anizotropnom vyhotovení. Maximálna prevádková teplota je v rozmedzí +80 ˚C až +130 ˚C. Neodymové magnety v súčastnej dobe sú používané v impulzných motoroch, vretenových motoroch, bezkartáčových motoroch, magnetronoch, reproduktoroch, senzoroch, relé, nástrojoch atď.
   
3. ALNiCo magnety - sú zmesou hliníka, niklu, železa, medi a titánu. Vyrábajú sa lisovaním alebo spekaním. Magnetované môžu byť len v axiálnom smere. Majú vysokú remanenciu, avšak malú koercivitu. To určuje veľkú dĺžku magneizačného smeru. Optimálny priemer magnetu k jeho dĺžke je 1 : 4. Predĺžený tvar je výhodou v spojení s jazýčkovými relé. Magnetické pole AlNiCo magnetov môže byť vplyvom demagnetizácie oslabené. AlNiCo je tvrdý materiál a opracúva sa iba brúsením. Prevádzková teplota je od -270 ˚C do + 400 ˚C. Majú vysokú odolnosť voči kyselinám a rozpúšťadlám.
4. Plastomagnety sú plasty s primiešaným magnetickým práškom. Sú pružné, dajú sa obýbať, zvinovať, dierovať a tvarovať bez straty svojich magnetických vlastností. Sú odolné voči korózii, preto nepotrebujú žiadnu povrchovú úpravu. Vyrábajú sa kaladrovaním v hrúbkach od 0,4 do 8 mm. Môžu byť potlačované sieťotlačou. Delia sa na dva typy: izotrop a anizotrop. Izotrop sa používa hlavne do tesnení chladničiek, oceľových dvier a tesnení okien, na magnetické školské tabule, pri výrobe televízorov atď. Anizotrop je používaný vo vretenových motoroch, motoroch s vysokou presnosťou, magnetických zobrazovačoch, zdravotníctvo atď.
5. Tekuté magnety sú koloidná zmes zložená z magnetického prášku (väčšinou magnetit) zomletého na jemný prach (v priemere 10 nm) a tekutého nosiča, ktorý obsahuje navyše činidlo zabraňujúce zhlukovaniu magnetických častíc. Tekuté magnety sa skladajú približne z 5 % magnetických častíc, 10 % činidla a 85 % kvapaliny (na vodnej ale organickej báze).

Materiály používané v automobilovom priemysle:

3.9. Slovník

Anizotropia - fyzikálna vlastnosť, ktorá v prípade permanentných magnetov spôsobuje rozdiely v množstve magnetickej energie nevyhnutnej na magnetizáciu magnetu v rôznych smeroch.

Curie teplota (čítaj Kiri teplota) - prechodová teplota, nad ktorou ktorou feromagnetické alebo ferimagnetické materiály strácajú spontánnu magnetizáciu a stávajú sa paramagnetickými.

Demagnetizačná krivka - druhý kvadrant hysteréznej slučky. Táto časť slučky obsahuje z technického hľadiska najdôležitejšie charakteristiky permanentných magnetov.

Ferimagnetikum - materiál so spontánnou magnetizáciou. Obsahuje aspoň dva druhy atómov v kryštalickej mriežke, ktoré majú rôzne ceľké magnetické momenty smerujúce proti sebe a tým pádom jeden z nich prevažuje (na rozdiel od antiferomagnetík, kde sa magnetické momenty úplne rušia). Výsledkom je celkový magnetický moment podobný ako u feromagnetík.

Feromagnetikum - materiál so spontánnou magnetizáciou. Obsahuje jeden alebo viac druhou rovnako orientovaných magnetických atómov v krištalickej mriežke (na rozdiel od ferimagnetík, kde sú magnetické momentyv opozícii). Výsledkom je veľký celkový magnetický moment. AlNiCo a Re/Co sú feromagnetické materiály.

Gauss (G) Jednotka zo systému CGS pre magnetickú indukciu a magnetickú polarizáciu. 1 G = 0,000 1 T

Hysterézna slučka - závislosť magnetickej indukcie alebo magnetizácie/polarizácie od intenzity magnetického poľa. Magnetické pole cykluje od nuly do plus maxima a potom zas do mínus maxima, prechádza teda piatimi kvadrantami. Hysterézna slučka materiálov s nelineárnou permeabilitou vykazuje nelineárny charakter. Krivky sú obyčajne symetrické vzhľadom na počiatok súradnicového systému. Hysterézna slučka charakterizuje základné vlastnosti permanentných magnetov. Bs - saturačná magnetická indukcia, Br - remanentná magnetická indukcia, Hc - koercívna sila.

Intenzita magnetického poľa - reprezentácia magnetické poľa vyjadrená v jednotkách A/m (ampér / meter), [Si] alebo Oe (oersted) [CGS].

Ireverzibilná zmena - čiastočná alebo úplná strata magnetizácie. Môže sa vyskytnúť, ak je magnet vystavený vysokým teplotám alebo demagnetizačnému poľu. Magnetizácia nemôže byť obnovená samovoľne, ale opätovným magnetizovaním, pokiaľ nedošlo k zmenám v štruktúre materiálu.

Izotropia - magnetické vlastnosti sú rovnakú vo všetkých smeroch. Materiály s kubickou symetriou sú magneticky izotropné. Izotropné materiály majú nižšiu kopercivitu ako anizotropné a preto majú tiež nižší energetický súčin.

Koercivita Tiež sa nazýva koercívna sila. Je to schopnosť permanentného magnetu odolávať demagnetizácii externým magnetickým poľom a tiež vlastným demagnetizačným poľom. Existujú dva typy koercivity: 1. "skutočná" koercivita, jednoducho nazývaná koercivita - znamená magnetické pole pri ktorom je celková indukcia v magnete nulová. 2. "vnútorná" koercivita - znamená pole, pri ktorom je celková polarizácia nulová (vektory polarizácie individuálnych magnetických domén sa vzájomne rušia).

Magnetická indukcia (hustota magnetického toku) - reprezentácia magnetického poľam vyjadrená v jednotkách T (tesla) [SI] alebo G (gauss) [CGS]. 1 T = 1 Wb/m².

Magnetický obvod otvorený Obvod, v ktorého časti sa magnetický tok uzatvára vzduchom.

Magnetický obvod uzatvorený Obvod, ktorým prechádza magnetický tok po uzatvorenej ceste, napríklad magnetickou oceľou.

Magnetický tok - tok magnetického poľa plochou. Jednotkou magnetického toku je Wb (Weber).

Magnetizácia Celkový magnetický moment materiálu. Po aplikovaní dostatočne silného magnetického poľa už magnetizácia ďalej nerastie, pretože všetky momenty sú už orientované do rovnakého smeru. Magnetizácia korešponduje s polarizáciou.

Magnetizačná krivka Charakteristika materiálu v závislosti na magnetizujúcom poli zobrazená podobným spôsobom ako hysterézna slučka. Magnetizačná krivka je zreteľne nelineárna pre materiály s nelineárnou permeabilitou. Pre mäkké magnetické materiály je dôležitá takzvaná krivka prvotnej magnetizácie permanentných magnetov, ale pre prevádzku permanentných magnetov je dôležitý druhý kvadrant, t.j. demagnetizačná krivka.

Magnetoplast Magnet v ktorom je magnetický materiál (ferit alebo Re/Co) rozptýlený v plastickej matrici. Účelom je vytvoriť ohybné magnety, ktoré je možno jednoduch obrábať.

Maximálny enenrgetický súčin Bod maximálneho súčinu B a H na magnetizačnej krivke, určuje optimálny pracovný bod permanentného magnetu. Magnet, ktorý pracuje v tomto bode, poskytuje najväčší výkon na jedotku objemu.

Oersted (Oe) Jednotka zo systému CGS pre intenzitu magnetického poľa. 1 kOe = 79,5 kA/m.

Permeabilita Pomer magnetickej indukcie a intenzity magnetického poľa. Dá sa povedať, že je to schopnosť materiálu "viesť" magnetický tok (magnetická vodivosť). Celková permeabilita je vztiahnutá k permeabilite vákua pomocou relatívnej permeability. Hodnota permeability vákua v systéme Si je: mí0 = 4.pí.10-7 T/A.m-1.

Permeancia Sklon pracovnej priamky. Je určený geometriou magnetického obvodu, inými slovami celkovou demagnetizáciou v magnetickom obvode.

Pracovný bod Je definovaný na demagnetizačnej krivke pracovnou priamkou.

Pracovná priamka Priamka s negatívnym sklonom s počiatkom v (0,0) súradnicového systému demagnetizačnej krivky, pretínajúca demagnetizačnú krivku v pracovnom bode magnetického obvodu. Eklon priamky je určený tvarom magnetu alebo magnetického obvodu.

L/D - pomer priemeru a dĺžky magnetu.

Ba, Ha - hodnoty magnetickej indukcie B a koercitívnej sily H v pracovnom bode magnetu.

Polarizácia Na všetky praktické účely je ekvivalentná magnetizácia. Polarizácia J je termín z Kennellyho systému jednotiek a meria sa v [T], pričom magnetizácia M patrí do Sommerfeldovho systému a meria sa v [A/m] (obidva systémy patria do SI). Polarizácia je takmer vždy použitá v technických aplikáciach, pričom magnetizácia je častejšie používaná vo vedeckých kruhoch. Zámena týchto dvoch termínov sa nepovažuje za chybu.

Remanencia Zvyšková magnetizácia po odstránení magnetizujúceho poľa. Korešponduje s pomerom doménových momentov, ktoré zostali orientované v jednom smere. Saturačná magnetizácia/polarizácia - maximálna možná hodnota magnetizácie pre určitý materiál.

Stabilita Odolnosť magnetov proti zmene magnetického momentu s časom (viď stárnutie) alebo proti vplyvu zmien teploty. Magnety sú niekedy umelo "vystárnuté" tým, že sa vystavujú pôsobeniu teplotných cyklov alebo demagnetizačných cyklov.

Stárnutie Úbytok magnetického momentu s časom, obyčajne ide o zlomky percenta počas niekoľkých rokov.

Tekutý magnet - koloidná zmes zložená z magnetického prášku (väčšinou magnetit) zomletého na jemný prach (v priemere 10 nm) a tekutého nosiča, ktorý obsahuje navyše činidlo zabraňujúce zhlukovaniu magnetických častíc. Tekuté magnety sa skladajú približne z 5 % magnetických častíc, 10 % činidla a 85 % kvapaliny (na vodnej ale organickej báze).

Tesla (T) Jednotka systému SI pre magnetickú indukciu 1 T = 10 000 G.

Vnútorná koercitívna sila Demagnetizačné magnetické pole, pri ktorom magnetizácia/polarizácia klesne na nulu.

Weber (Wb) Jednotka zo systému SI pre magnetický tok.

Stratený tok Magnetický tok, ktorý uniká mimo obvod. Na rozdiel od elektrických obodov, je v magnetických obvodoch strata bežná, pretože neexistuje izolácia (materiál s nulovou magnetickou vodivosťou) pre jednosmerné magnetické pole. Magnetické pole je schopný blokovať len ideálny supravodič.

3.10. Otázky na opakovanie

1. Nakreslite tyčový magnet, vyznačte magnetické póly, siločiary magnetického poľa a ich smer.
2. Nakreslite elektromagnet, vyznačte smer prúdu v cievke, magnetické póly, siločiary magnetického poľa a ich smer.
3. Napíšte názov a značku jednotky pre veličiny: intenzita magnetického poľa a magnetická indukcia.
4. Nakreslite hysteréznu slučku.
5. Čo je to remanencia a koercivita feromagnetického materiálu?
6. Ako sa konštrukčne znižujú straty vírivými prúdmi a hysterézne straty v transformátoroch, elektromotoroch a generátoroch?
7. Napíšte 3 magneticky mäkké materiály.
8. Napíšte názvy 3 materiálov používaných na trvalé magnety.
9. Vodič s dĺžkou 2 mestre je umiestnený v magnetickom poli s indukciou 2 Tesla a tečie ním prúd 1 A. Vypočítajte veľkosť sily, ktorá pôsobí na vodič.
10. Vodič s dĺžkou 4 metre sa pohybuje v magnetickom poli s indukciou 5 Tesla rýchlosťou 2 m/s. Vypočítajte veľkosť indukovaného napätia vo vodiči.