Magnesy stałe

Co to jest magnes stały, trwały?

Magnes stały, inaczej magnes trwały, jest to obiekt z materiału charakteryzującego się tak zwaną szeroką pętlą histerezy magnetycznej. Oznacza to, że po całkowitym nasyceniu tego materiału przyłożonym zewnętrznym, odpowiednio dużym polem magnetycznym, zostaną uporządkowane obszary atomów nazywane domenami magnetycznymi i po odjęciu tego pola to uporządkowanie w znacznym stopniu pozostanie. Czyli jest to materiał, który można namagnesować trwale, ponieważ pozwala na to jego specyficzna budowa strukturalna.
Magnetyzm takiego ciała charakteryzuje się m.in. koercją H_cJ wynoszącą minimalnie 24 kA/m. Większe wartości koercji będą zapewniały większą odporność na odmagnesowanie przeciwnym polem magnetycznym, np. podczas pracy magnesu w silnikach lub innych urządzeniach i maszynach elektrycznych, lub zapewnią odporność na rozmagnesowanie termiczne, zazwyczaj możliwe w wysokiej, lub bardzo wysokiej temperaturze.

Jakie są rodzaje magnesów stałych?

Istnieją cztery podstawowe rodzaje nowoczesnych magnesów stałych, z których każdy jest wykonany z innych materiałów i ma trochę inne cechy i właściwości. Obecnie najsilniejsze magnesy jakie są produkowane zawierają tzw. pierwiastki ziem rzadkich. Do tej grupy należą magnesy neodymowe (NdFeB), do produkcji których stosuje się głównie żelazo, neodym i bor oraz magnesy samarowo-kobaltowe (SmCo), które wykonuje się wykorzystując samar i kobalt oraz domieszki żelaza i miedzi. Oprócz tego popularne są tanie magnesy ferrytowe wytwarzane z ferrytu baru i ferrytu strontu jako ceramiczne materiały niemetaliczne. Ostatnia grupa to najstarszy typ magnesów czyli alnico. Są one stopem aluminium, niklu i kobaltu.

Co wyróżnia poszczególne typy magnesów stałych?

Porównanie indukcji remanencji B_r
Najwyższą indukcję remanencji B_r i jednocześnie gęstość energii magnetycznej (BH)_max mają magnesy neodymowe. Za nimi plasują się samarowo-kobaltowe, dalej anizotropowe ferrytowe i na końcu alnico.

Porównanie koercji
Jeżeli będziemy z kolei mówili o koercji, która wiąże się z tzw. twardością magnetyczną, czyli z tym jak dany magnes jest odporny na rozmagnesowanie np. przeciwnym polem, to zdecydowanym zwycięzcą będzie magnes samarowo-kobaltowy, jeśli oczywiście spojrzymy na typowe materiały magnetyczne. Magnesy neodymowe wykonane z popularnych materiałów będą miały niższą koercję od typowych materiałów SmCo, ale już nietypowe materiały magnetyczne wykonane z wykorzystaniem neodymu osiągają równie wysokie wartości koercji jak materiały magnetyczne samarowo-kobaltowe. I również w tym przypadku na najniższym szczeblu podium znajdą się magnesy ferrytowe, a wdając się w szczegóły, wyższą koercję będą miały magnesy uformowane z ferrytu strontu niż z ferrytu baru. No i całkowicie poza klasyfikacją medalową, a w zasadzie poza jakąkolwiek klasyfikacją, znajdą się w tym zestawieniu magnesy alnico, ponieważ mają skrajnie niskie wartości koercji. Są one tak małe, że magnes alnico jest bardzo łatwo zarówno rozmagnesować jak i namagnesować za pomocą pola magnetycznego, a sposobem na uzyskanie przyzwoitych użytkowych własności magnesów alnico jest magnesowanie i użytkowanie ich w specjalnych obwodach magnetycznych zapobiegających rozmagnesowaniu magnesu polem zewnętrznym lub nawet własnym polem wytworzonym przez magnes; lub też, w tym samym celu, wykorzystywanie tylko korzystnych kształtów magnesów takich jak wysokie pręty lub podkowy.

Odporność na rozmagnesowanie temperaturowe
No, ale żeby już tak do końca nie dyskredytować wartości magnesów alnico trzeba przyjrzeć się odporności poszczególnych typów magnesów na wysokie temperatury. Tutaj triumfatorem zostaje właśnie magnes alnico. Maksymalna temperatura pracy nawet 550^oC oraz temperatura Curie nawet 860^oC czynią z magnesu alnico ciekawą propozycję dla tych osób, które muszą wykorzystać pole magnetyczne magnesu stałego w bardzo wysokiej temperaturze. Ex aequo uplasują sie stopień niżej magnesy ferrytowe razem z samarowo-kobaltowymi z taką samą maksymalną temperaturą pracy 250^oC (niektóre samarowo-kobaltowe nawet 350^oC). W tym miejscy trudno jest określić czy magnesy neodymowe znajdą się jedną nogą na podium czy też nie ponieważ ich odporność temperaturowa jest dosyć specyficzna. Istnieje cała gama różnych neodymowych materiałów magnetycznych i dla nich maksymalne temperatury wynoszą nie więcej niż 80^oC, 100^oC, 120^oC itd., aż do ponad 200^oC dla najnowocześniejszych materiałów. Okazuje się jednak, że podobnie jak z magnesami alnico, gdzie trzeba zwracać uwagę na kształt magnesu, żeby magnes nie był podatny na rozmagnesowanie przeciwnym polem, tak w przypadku magnesów neodymowych kształt magnesu ma wpływ na rozmagnesowanie w wyniku wysokiej temperatury i to jednocześnie w powiązaniu z zastosowanym materiałem magnetycznym. Przykładowo dla materiału magnetycznego N38 określa się maksymalną temperaturę pracy prawidłowo na ≤80^oC ponieważ magnes "wytrzyma" 80^oC jeżeli stosunek wysokości magnesu do jego średnicy będzie wynosił minimum 0,7. Czyli magnes walcowy ꬾ10 x 7 mm będzie spełniał te kryteria a magnes ꬾ10 x 6 już nie, i może się okazać, że zacznie się rozmagnesowywać w temperaturze np. 79^oC. W związku z tym jeżeli chcemy mieć pewność, żeby magnes neodymowy o średnicy 10 mm i wysokości 6 mm nie rozmagnesował się (częściowo) w temperaturze 80^oC, to magnes o takich proporcjach powinien zostać wykonany np. z materiału N38M. Tabelka z pełną listą neodymowych materiałów magnetycznych jest dostępna na stronie https://magnesy.pl/magnesy-neodymowe. Oczywiście, tak jak w przypadku magnesów alnico, tak i tutaj, zastosowanie obwodu magnetycznego niejako "przedłużającego" magnes zgodnie z kierunkiem jego magnesowania, zwiększy odporność magnesu na rozmagnesowanie.

Stabilność temperaturowa
Wszystkie popularne materiały magnetyczne posiadają ujemny współczynnik temperaturowy indukcji remanencji TK(B_r) czyli podgrzewane będą coraz słabsze, ale jeśli nie przegrzejemy ich (chodzi o maksymalna temp. pracy) a za to w pewnym momencie zaczniemy studzić to wszystkie ich parametry wrócą idealnie do tych pierwotnych, mierzonych w temperaturze pokojowej. Najbardziej korzystną stabilność temperaturową (czyli najmniej osłabną podgrzane) mają magnesy alnico, dalej w kolejności będą samarowo-kobaltowe, neodymowe i na końcu ferrytowe.

Zastosowanie magnesów

Magnesy stałe są wykorzystywane tam, gdzie potrzebne jest stałe pole magnetyczne. Za pomocą magnesu albo coś zamykamy, albo dociskamy, albo przytrzymujemy. Tutaj jako przykłady zastosowań można wymienić np. drzwiczki od szafki, wieczko od szkatułki, damską torebkę posiadającą zapięcie magnetyczne. Za pomocą magnesu możemy też coś zawiesić, podwiesić, chwycić i przenieść. Zawiesimy szyld reklamowy na regale w sklepie i noże w kuchni na listwie magnetycznej. Przeniesiemy żelazne elementy w hurtowni stali i konserwę na linii produkcyjnej mając udział w automatyzacji procesów produkcji. Można też pokusić się o wykorzystanie magnesów np. w silniku niskoprądowym; w prądnicy w elektrowni wiatrowej; w układzie zliczania obrotów we współpracy z czujnikiem hallotronowy; we współpracy z kontaktronem, co często ma miejsce w systemach alarmowych; w separatorach magnetycznych wykorzystywanych np. przy segregacji śmieci.

W każdym współcześnie produkowanym samochodzie znajduje się kilka kilogramów magnesów. Najogólniej rzecz ujmując, magnes jest wykorzystywany w wielu branżach takich jak: reklama, meblarstwo, sprzęt AGD, przemysł samochodowy, do złomu i wszelkiego recyklingu. Będą to także drony, zabawki, elektronika, telefony komórkowe, robotyka i automatyka, farmy wiatrowe, głośniki i słuchawki, pomoce i magnesy spawalnicze i wiele innych.