Как получить энергию из постоянного магнита: Электричество из постоянного магнита. Электричество из магнита

Содержание

Страница не найдена | Кафедра физики твердого тела ПетрГУ

http://secretary.rid.go.th/ http://rtlabs.nitk.ac.in/ http://www.ei.ksue.edu.ua/ http://www.unajma.edu.pe/ http://www.drbrambedkarcollege.ac.in/

Home Page – Revised
https://www.hsri.or.th/ https://www.agrft.uni-lj.si/ http://www4.fe.usp.br/ https://www.cnba.uba.ar/
Home
bak hocam 2yildir kullandigim siteye gelip kod ekliyorsun not yazip kodlarini siliyorum (insan olan utanir kusura bakma hocam diyip giderdi) kendine dusmanmi ariyorsun? belliki sen disli birine denk gelmemissin hayatin boyunca ama ben cok ugrastim cokta denk geldim bu sekilde tanimadigin birini tehtit etmen ya deli oldugunu gosterir yada tecrubesizligini sen bana isimi ogretecegine once baskalarina ait olan sitelere girmemeyi ogren ondan sonra bana isimi ogretirsin ben cok takintili bir adamim beni kotu bir insan olmaya zorlama rica ediyorum bak lutfen birbirimizi uzmeyelim emin ol bu site felan umrumdami saniyorsun? olay tamamen prensip meselesi sen benim yatakodama gelip beraber yatacagiz diyorsun oyle bir olay yok isine bak oldu 10 kisi daha cagir 500 kod eklesin herkes yorumbacklink isimi yapiyorsun? sacmalamissin daha fazla beni muatap etme kendinle yaptigin terbiyesizligin farkina var illa darbe yiyincemi aklin basina gelecek anlamiyorum ki o kadar yaziyorum ki birbirimize kotuluk yapmayalim kalp kirmayalim birbirimizi uzmeyelim sana daha once boyle notlar yazan bir linkci gordun mu Allah askina ben bazen goruyorum ana baci duymadigim kufurler yaziyor adamlar birbirine sen benim gibi bir insani uzuyorsun ama lutfen.
. 8yildir ben kimseyle ortak site kullanmadim babam gelse onunlada kullanmam en hassas oldugum konudur bu bir daha kod eklememeni siddetle tavsiye ediyorum yoksa farkli seyler olur ve kendine nur topu gibi manyak bir dusman edinirsin bos yere bu polemigi uzatiyorsun haksiz olan sensin kod disinde birsey yazmak istersen yazabilirsin ama rica ediyorum isi inada bindirme senden ERDEMLİ DÜRÜST VE OLGUN bir davranis bekliyorum beni anladigini umuyorum ve tekrar inşAllah kod eklemeyecegini umuyorum olumlu olumsuz notunu buraya yazablirsin bende bir daha bu siteyi kullanmiyacagim sanada kullandirmam tabiki is site isi degil prensip isi.. ihtiyacin olabilir site sayin azdir bunlar dogal seyler ben gerekirse kendim eklerim senin kodlarini oyle bir durumda kendi kodlarimida silerim sadece senin olur ama o son not garip bir insan oldugunu dusunduruyor bana ve inan ugrasacak vaktim de kafamda yok kendine sardirma hepimiz ekmek davasindayiz senle isim yok benden sana kotulukte gelmez ama beni zorlama lutfen.
. zaten kafamda bir dunya sorun var hayat acimasiz hayat zor benim derdim bana yetiyor butun ictenligim ve iyi niyetim ile sana bu notu yaziyorum bu kadar sozden sonra kod ekleyecegini sanmiyorum birde seninle ugrasmayayim guzel kardesim arkadasim lutfen rica ediyorum LUTFEN barış her zaman erdemli insanlarin isidir lutfen ayni olgunluk ile senden olumlu donusunu bekliyorum eger yazdiklarimda kalp kirici yada incitici birsey varsa lutfen kusura bakma 1-2defa kontrol ettim ama belki gozumden kacmis olabilir hakkini helal et ve en iyisi ikimiz icinde helallesip bu isi noktalamaktir inan kotu biri degilim selam ve sevgiyle..

Найден способ усилить магниты и увеличить их эффективность

Благодаря этому эффекту авторы определили необходимый размер наноцастиц, при котором достигается максимальная магнитная жесткость. Жесткость, а также величина намагниченности насыщения в конечном счете и определяют магнитную энергию. Чем выше магнитная энергия, тем больше этот материал подходит для использования в качестве постоянного магнита. Таким образом, если в обычные магниты добавлять разработанные авторами наночастицы или формировать их в процессе высокоскоростной закалки, то можно получить материал с максимальной магнитной энергией.

В ходе работы ученые после обработки порошков бариевых магнитов BaFe12O19 плазмой совершили их высокоскоростную закалку (~ 107 град/сек), тем самым создав в материалах барий-ферритные наночастицы и повысив магнитную энергию вещества. Оказалось, что, регулируя технологические параметры плазменного распыления и последующей закалки можно управлять размерами наночастиц и, следовательно, величиной коэрцитивной силы. Ученые отмечают, что такой метод улучшения эксплуатационных свойств подходит не только для бариевых магнитов. Наночастицы можно формировать не только при высокоскоростной закалке, но и внедрять их, например, при спекании, обеспечивая при этом высокий уровень магнитной жесткости.

Поскольку такие наночастицы могут нагреваться в электромагнитных полях или вращаться в переменном магнитном поле, то их можно использовать для проведения таргетных операций.

«Мы сравнили полученные характеристики с зарубежными аналогами и установили, что наши результаты соответствуют, а по некоторым показателям превышают зарубежные», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Красноярского научного центра СО РАН.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected]

постоянный магнит — это… Что такое постоянный магнит?

изделие определенной формы (например, в виде подковы, полосы, стержня) из предварительно намагниченного материала, способного сохранять значительную магнитную индукцию после устранения намагничивающего поля. Применяется как источник постоянного магнитного поля в электротехнических, радиотехнических и электронных устройствах.

ПОСТОЯ́ННЫЙ МАГНИ́Т, изделие из магнитотвердого материала, автономный источник постоянного магнитного поля.
Магниты [греч. magnetis, от Magnetis Lithos, — камень из Магнесии (древний город в Малой Азии)] бывают естественные и искусственные. Естественным магнитом является кусок железной руды, обладающий способностью притягивать к себе находящиеся вблизи небольшие железные предметы. Гигантскими естественными магнитами являются Земля и другие планеты(см. Магнитосфера (см. МАГНИТОСФЕРА)), так как они обладают магнитным полем. Искусственные магниты представляют собой предметы и изделия, получившие магнитные свойства в результате контакта с естественным магнитом или намагниченные в магнитном поле. Постоянный магнит является искусственным магнитом.
В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.), прошедшее соответствующую термическую обработку и предварительно намагниченное до насыщения. Постоянный магнит обычно входит как составная часть в магнитную систему, предназначенную для формирования магнитного поля. Напряженность магнитного поля, формируемого постоянным магнитом, может быть как постоянная, так и регулируемая.
Различные части постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Концы магнита, где притяжение максимальное, называются полюсами магнита, а средняя часть, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита. Искусственные магниты в виде полосы или подковы всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно намагнитить кусок стали таким образом, что он будет иметь 4, 6 и более полюсов, разделенных нейтральными зонами, при этом число полюсов всегда остается четным. Невозможно получить магнит с одним полюсом.. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы.
Уединенный магнит в виде длинного и тонкого стержня называют магнитной стрелкой. Конец укрепленной на острие или подвешенной магнитной стрелки — простейший компас, указывает географический север Земли, и называется северным полюсом (N) магнита, противоположный полюс магнита, указывает на юг, и называется южным полюсом (S).

Области применения постоянных магнитов весьма разнообразны. Их применяют в электродвигателях, в автоматике, робототехнике, для магнитных муфт магнитных подшипников, в часовой промышленности, в бытовой технике, как автономные источники постоянного магнитного поля в электротехнике и радиотехнике.
Магнитные цепи, включающие постоянные магниты, должны быть разомкнутыми, т. е. иметь воздушный зазор. Если постоянный магнит изготовлен в виде кольцевого сердечника, то он практически не отдает энергию во внешнее пространство, так как почти все магнитные силовые линии замыкаются внутри него. В этом случае магнитное поле вне сердечника практически отсутствует. Чтобы использовать магнитную энергию постоянных магнитов, нужно в замкнутом магнитопроводе создать воздушный зазор определенного размера.
Когда постоянный магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например между полюсами подковообразного магнита, воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) постоянного магнита. При наличии зазора за счет свободных полюсов создается внутренне размагничивающее поле H
d
, которое уменьшает индукцию внутри магнита до значения Bd. Величина Bd определяет напряженность создаваемого магнитного поля в воздушном зазоре постоянного магнита. Она зависит от формы постоянного магнита, коэрцитивной силы (см. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА) Нс материала и формы кривой размагничивания. Положение рабочей точки, характеризующей состояние магнитного материала, зависит от величины зазора и определяется конфигурацией постоянного магнита.
Таким образом, характеристики постоянного магнита определяются его формой и свойствами материала, из которого он изготовлен. В свою очередь, свойства магнитотвердых материалов характеризуются кривой размагничивания, которая является участком предельной гистерезисной петли. Чем больше коэрцитивная сила H
c
и остаточная магнитная индукция Br материала, то есть чем более магнитотвердым (см. МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ) является материал, тем лучше он подходит для постоянного магнита. Индукция в постоянном магните может равняться наибольшей остаточной индукции Br лишь в том случае, если он представляет собой замкнутый магнитопровод.
Важнейшее требование к постоянному магниту состоит в том, чтобы получить максимальную магнитную энергию Эо в рабочем зазоре, которая равна:
Эо = Bd
.
Hd.Vd/2, где Vd — объем магнита.
Удельная (отнесенная к единице объема магнита) магнитная энергия в воздушном зазоре определяется положением рабочей точки на кривой размагничивания:
Эd = Bd.Hd/2.
Чем меньше длина магнита и относительно больше зазор, тем больше размагничивающее поле полюсов и меньше Bd. При замкнутом магните энергия равна нулю, так как в этом случае Hd = 0. Если зазор между полюсами магнита очень велик, то энергия также стремится к нулю, потому что в этом случае Bd = 0.
Действие постоянного магнита наиболее эффективно, т. е. внешнее поле, создаваемое постоянным магнитом, обладает наибольшей магнитной энергией, если рабочая точка магнита имеет координаты Bd и Hd, и состояние магнита соответствует точке кривой размагничивания, где максимально значение (BH)max. В этом случае магнитная энергия единицы объема материала достигает своего максимального значения Wм. Максимальная энергия Wм в воздушном зазоре тем больше, чем больше остаточная индукция, коэрцитивная сила и коэффициент выпуклости кривой размагничивания материала g (g = (BH)max. /2Br Hc.
Важным условием для достижения наивысших магнитных характеристик постоянного магнита является его предварительное намагничивание до состояния магнитного насыщения (см. МАГНИТНОЕ НАСЫЩЕНИЕ). Однако со временем магнитные характеристики постоянных магнитов ухудшаются в результате структурного и магнитного старения. В результате остаточная магнитная индукция Bd уменьшается. Помимо магнитного старения в постоянных магнитах имеют место обратимые температурные изменения Bd, связанные с температурной зависимостью спонтанной намагниченности магнитного материала.

Закон Фарадея или как магнит застревает в медной трубе / Хабр


Изображение взято с сайта «Популярная механика»

Многие видели опыт с постоянным магнитом, который как бы застревает внутри толстостенной медной трубки. В этой статье будем разбираться в физике процесса.
Сначала запишем формулу магнитного поля постоянного магнита, и посчитаем, какой магнитный поток проходит через поперечное сечение трубы, потом заставим магнитик двигаться и узнаем, какой возникает индуцированный электрический ток в металле, какова рассеиваемая электрическая мощность, запишем и решим уравнение движения постоянного магнита.

И если вы дочитали до этого места и не испугались, добро пожаловать под кат — дальше будет интереснее!

Сам я давно подумывал над тем, чтобы хорошенько разобраться в этом вопросе. И вот недавно зашёл разговор с коллегой по работе. Его ребёнку задали сделать научную демонстрацию в школе, на что папа раздобыл кусок медной трубы и неодим-железо-борный магнит. Ребёнок разобрался, произвёл демонстрацию опыта перед классом, дал пояснения, но ни класс ни учитель особо не впечатлились. На конкурсе научных опытов победил вулкан (!) из соды и лимонной кислоты =) Мы с коллегой прикинули на словах и поняли, что дело ясное, что дело тёмное. Да и в литературе не особо много написано по данной тематике. Этот разговор и сподвиг меня попробовать продраться сквозь дебри. В этой статье пишу, что у меня получилось.

Описание эксперимента


Начнём с просмотра видео с демонстрацией опыта. Прежде чем углубиться в теорию, будет полезно представить картину происходящего в общем. В интернете этот опыт был объяснён и продемонстрирован на видео много раз. Но мне тоже нужно его здесь описать, чтобы далее было понятно, от чего мы отталкиваемся.

Экспериментатор помещает постоянный магнит в виде небольшого шарика в медную трубу, которую он держит вертикально. Вопреки ожиданиям, шарик не падает сквозь трубу с ускорением свободного падения, а движется внутри трубы гораздо медленнее.

Итак, в опыте мы наблюдаем, как постоянный магнит движется внутри полой медной трубы с постоянной скоростью. Зафиксируем произвольную точку в теле медной трубки и мысленно проведем поперечное сечение. Через данное сечение медной трубы проходит магнитный поток, создаваемый постоянным магнитом. Из-за того, что магнит движется вдоль трубы, в сечении проводника возникает переменный магнитный поток, то ли нарастающий, то ли убывающий в зависимости от того, приближается или отдаляется магнит от точки, где мы мысленно провели сечение. Переменный магнитный поток, согласно уравнениям Максвелла, порождает вихревое электрическое поле, вообще говоря, во всём пространстве. Однако, только там, где есть проводник, это электрическое поле приводит в движение свободные заряды, находящиеся в проводнике — возникает круговой электрический ток, который создает уже своё собственное магнитное поле и взаимодействует с магнитным полем движущегося постоянного магнита. Проще говоря, круговой электрический ток создает магнитное поле того же знака, что и постоянный магнит, и на магнит действует некая диссипативная сила, а если конкретно — сила трения. Читатель может справедливо задать вопрос: «Трение чего обо что?» Трение возникает между магнитным полем диполя и проводником. Да, это трение не механическое. Вернее сказать, тела не соприкасаются. Ну и пусть! Трение всё равно есть!

В целом, на словах всё выглядит более или менее складно, а можно ли это описать на языке математики? Приступим…

Математическое описание


Перво-наперво, нам понадобится математическая модель постоянного магнита. На мой взгляд, будет удобно представить постоянный магнит как магнитный диполь.

Здесь приняты обозначения

— радиус-вектор из центра диполя в точку наблюдения,

— вектор дипольного момента.

Далее, нам нужно записать -компоненту вектора магнитной индукции для вычисления магнитного потока, захваченного в поперечном сечении металла медной трубы. Выпишем -компоненту магнитного поля здесь

Теперь запишем выражение для магнитного потока через площадь, охватываемую окружностью радиуса

на расстоянии

от диполя.

Вы не поверите, но этот интеграл берётся. Не буду утомлять. В ответе получается очень красиво

Из-за того, что диполь движется вдоль оси

со скоростью

, нужно также сделать стандартную подстановку

Похоже, пора призвать на помощь одно из великих уравнений Максвелла, а именно, то самое уравнение, которое описывает

закон Фарадея

:


Изменение потока магнитной индукции, проходящего через незамкнутую поверхность , взятое с обратным знаком, пропорционально циркуляции электрического поля на замкнутом контуре , который является границей поверхности

Или, что то же самое,

Здесь мы воспользовались аксиальной симметрией задачи по отношению к оси

, а также учли, что индуцированное электрическое поле имеет только азимутальную компоненту

.

Отсюда можно найти азимутальную компоненту электрического поля, индуцированного магнитом.

Теперь, когда у нас есть выражение для электрического поля, можно вспомнить и о трубе. Как показано на рисунке выше, внутренний радиус трубы равен

, а внешний —

. Материал трубы — медь. В данный момент нам будет нужна только электрическая проводимость меди. Обозначим проводимость за

.

Электрическое поле внутри проводника вызывает электрический ток. Поэтому можем записать закон Ома в дифференциальной форме

Электрический ток, в свою очередь вызывает омические потери внутри проводника. Иными словами, энергия рассеивается внутри проводника и переходит в форму тепла, строго говоря, в нашем случае во всём объёме проводника.

Объёмная плотность мощности омических потерь по определению равна

С другой стороны, при движении магнита сверху вниз потенциальная энергия магнита в поле тяжести Земли уменьшается, однако, скорость движения при этом остаётся постоянной, то есть

не растёт

, как это бывает при свободном падении. Это означает только одно: потенциальная энергия магнита рассеивается внутри проводника. А с точки зрения сил, действующих на магнит, на него действует сила трения, которая его тормозит и рассеивает потенциальную энергию магнита в тепло.

Запишем теперь баланс мощности в задаче: скорость убывания потенциальной энергии равна мощности омических потерь в проводнике.

Здесь необходимо заметить, что потенциальная энергия в координатах, изображенных на рисунке выше будет равна

, а чтобы найти полную мощность омических потерь, следует проинтегрировать

по всему объёму проводника. Длину трубы считаем бесконечной. Это не так далеко от истины, если учесть, что в опыте из видеоролика диаметр магнитика много меньше длины трубы.

Последний тройной интеграл выглядит очень сложным. И так оно и есть! Но, во-первых, интегрирование по азимутальному углу можно заменить просто домножением на в силу аксиальной симметрии задачи. Во-вторых, порядок интегрирования в данном конкретном интеграле можно изменить и сначала проинтегрировать по , а уж потом по . В-третьих, при интегрировании по по бесконечным пределам можно смело отбросить слагаемое . Оставшийся интеграл берется машиной.

В итоге получается ответ для полной мощности омических потерь

Здесь после второго знака равенства мы обозначили коэффициент трения

Отметим что, коэффициент трения

зависит только от намагниченности магнита

, свойств материала проводника

и геометрических размеров трубы

и

— то есть зависит исключительно от параметров магнита и трубы и не зависит от, например, скорости или времени. Это хороший знак для нас и маленький зачётик в копилку найденных формул! Отсюда же становится понятно, почему для демонстрации опыта выбрана именно медная труба, а не, скажем, стальная. Трение зависит от проводимости линейно

, а у стали проводимость меньше на порядок.

А что если труба сделана из сверхпроводника?

Это же обстоятельство объясняет и почему магнит левитирует над поверхностью сверхпроводника. Когда мы подносим постоянный магнит к сверхпроводнику, в последнем индуцируются незатухающие внутренние токи, которые создают своё магнитное поле и отталкивают магнитик.

Теперь можно записать

И внезапно (!), перед нами третий закон Ньютона! Сила действия равна силе противодействия. Можем найти установившуюся скорость движения магнита

Уравнение движения

Настал черёд уравнения движения. С помощью второго закона Ньютона его будет записать очень просто

Решать уравнение для

неинтересно, потому что ну просто координата меняется с постоянной скоростью. Гораздо полезнее знать, как быстро стабилизируется падение, чему равна установившаяся скорость падения. В общем, надо решать это уравнение для скорости

А решение будет такое

Здесь

— коэффициент затухания. Характерное время выхода на установившийся режим падения —

. Начальная скорость —

, установившаяся скорость —

.

А вообще, это уравнение парашютиста. Вот, наверное, почему статья Популярной Механики называется «Магнитный парашют».

Численный эксперимент

А теперь будет то, ради чего всё это затевалось. Навели тут, понимаешь, теорию. А на что она способна? Вдруг это всего лишь как тень на плетень? Или вообще не работает…

Для начала нужно разобраться с геометрией задачи. Видео у нас из MIT, стало быть, американское. Попробую угадать размеры их демонстрационной установки в дюймах (они же в дюймах любят всё измерять). Размер магнитика похож на дюйма в диаметре. Это из тех какие есть в продаже. Тогда масса такого магнитика будет равна примерно г. Размер медной трубы в длину похож на дюймов (1 фут), а внутренний и внешний диаметры трубы, скорее всего, дюйма, дюйма.

С геометрией, вроде разобрались. Теперь физические свойства. Проводимость меди См/м.

Ранее здесь было написано, что я не смог увязать остаточную намагниченность неодимового магнита с его эквивалентным магнитным моментом. Но нашлись добрые люди в комментариях. Пользователь DenisHW подсказал источник (см. п. 5 в списке литературы), где можно прочитать, помог сделать необходимые расчёты и даже проверил их на симуляторе FEMM.


Расчёт магнитного поля шарика из NdFeB на симуляторе FEMM. Изображение предоставлено пользователем DenisHW

Итак, что удалось выяснить. NdFeB магнит относится к классу парамагнетиков, поскольку под воздействием внешнего поля, внутреннее поле усиливается. Более того, сплав NdFeB способен сохранять внутреннее поле после прекращения воздействия внешнего поля. Этот факт классифицирует NdFeB как ферромагнетик. Если обозначить индукцию внутреннего поля магнетика за , а напряжённость внешнего магнитного поля за , то выполняется равенство

Здесь

— магнитная восприимчивость вещества, а

— вектор намагниченности вещества.

Когда магнит изготавливают на фабрике, его замагничивают внешним полем , а затем внешнее поле отключают, причём магнит сохраняет некоторую остаточную намагниченность . Известно, что для неодимовых магнитов остаточная намагниченность равна примерно Т. Теперь, если исключить внешнее поле из предыдущего уравнения, получится

Откуда находим магнитный момент, приходящийся на единицу объёма материала

как

Чтобы найти магнитный момент магнита в целом, нужно умножить

на объём шарика

Для остаточной намагниченности

Т получается

Ам².

Ниже построен график

-компоненты магнитного поля в зависимости от радиальной координаты в нашей задаче на расстоянии половины диаметра шарика.


-компонента магнитного поля рядом с поверхностью постоянного магнита

Когда-то доводилось измерять прибором. Поля прямо на поверхности таких магнитов обычно оказываются меньше остаточной намагниченности и составляют порядка нескольких тысяч гаусс. То, что я измерял для прямоугольного магнита, было около 4500 Гс. Поэтому у нас на графике магнитного поля получился вполне реалистичный результат.

Теперь воспользуемся решением уравнения движения, чтобы построить график скорости магнита. Для всех выбранных выше параметров коэффициент трения получается равным Н/(м/с), установившаяся скорость — см/с — как раз примерно 3 дюйма в секунду! На видео шарик проходит через трубу длиной в 12 дюймов примерно за 4 секунды.


График решения уравнения движения магнитика в медной трубе

ЭТО ЗАЧОТ!

Знаю, что правильно «зачёт» писать через «ё», но в данном случае правильнее будет через «о» 😉

А мы продолжаем. Рассеиваемая мощность оказывается равной примерно

мВт, а характерное время выхода на установившийся режим —

мс. Ниже построены графики

для двух разных начальных скоростей: нулевой, и

см/с.

И вдобавок, пользователь vashu1 справедливо заметил, что неплохо бы было узнать ток, наведённый в медной трубке. Что ж, и это можно. Проинтегрируем

Интегрировать по

нужно именно по полубесконечным пределам, поскольку в другой половине трубы ток течёт в обратном направлении. У меня в ответе получилось

А. Честно говоря, я не ожидал, что получится такой большой ток. У пользователя

vashu1

получилось 50 А, что, по-видимому, тоже недалеко от действительности. Думаю,

vashu1

посчитал сумму токов во всей трубе, что из соображений мощности, тоже разумно.

Вот такое вот получилось исследование. Надеюсь, что было интересно. Оставляйте ваши комментарии. Постараюсь ответить всем. Если вам понравилась статья, поддержите автора лайком или плюсиком в карму. Спасибо, что прочитали.

Литература


  1. Джексон, Дж. Классическая электродинамика: Пер. с англ. Мир, 1965.
  2. Ландау, Л. Д., & Лифшиц, Е. М. (1941). Теория поля. Москва; Ленинград: Государственное издательство технико-теоретической литературы.
  3. Сивухин, Д. В. «Общий курс физики. Том 3. Электричество.» Москва, издательство “Наука”, главная редакция физико-математической литературы (1977).
  4. Яворский, Б. М., and А. А. Детлаф. «Справочник по физике. » (1990).
  5. Кириченко Н.А. Электричество и магнетизм. Учебное пособие. — М.: МФТИ, 2011. — 420 с.

Использование неодимовых магнитов в устройстве альтернативной энергетики

Магнитный материал, является древним функциональным материалом. Магнитные свойств веществ, были признанными еще 3000 лет назад. Природные магниты как компасы использовали в древнем Китае, зная о свойстве металла.

Энергосбережение превратилось в одну из важнейших общечеловеческих проблем. одним из путей решения этой проблемы видится использование возобновляемых источников энергии. Главным преимуществом использования возобновляемых источников энергии является их неисчерпаемость и экологическая чистота. К возобновляемым источникам принадлежит энергия текучей воды и ветра, океанских приливов и отливов, тепла земных недр и энергия солнца. Но всегда существуют как преимущества, так и недостатки при использовании тех или иных способов получения энергии. Так использование энергии течения требует определенного фиксированного размещение у реки и создание системы передачи энергии к потребителю. Использование тепла земных недр требует использования дорогих технологий. Главной проблемой при использовании энергии ветра и солнечного света является зависимость как от географического положения, так и от погодных условий.

Разработана на кружке действующая модель устройства, в котором использовались неодимовые магниты диски, позволяет получить дополнительную энергию в виде подъема груза массой 7 г на высоту 4,5 мм. Принцип работы устройства подобный магнитному двигателю «Калинина», который работает за счет отталкивания магнитов. Как известно, магниты ориентированы одинаковыми полюсами друг к другу отталкиваются. Если между такими магнитами разместить шторку из магнитопроводного материала, то магниты притянутся. Когда же вытянуть шторку, то магниты снова начнут отталкиваться. Предполагается, что работа, полученная в результате отталкивания магнитов будет больше работы затрачиваемой на перемещение шторки. Но не следует считать, что при этом нарушается закон сохранения энергии. Идет речь о коэффициенте преобразования энергии и получения дополнительной энергии. Есть предположение, что дополнительная энергия образуется за счет медленного размагничивания магнитов.

Устройство состоит из одного неподвижного магнита и второго подвижного, который закреплен на коромысле. Магниты сориентированы одинаковыми полюсами друг к другу. Между магнитами установлена металлическая шторка, которая может перемещаться в горизонтальной плоскости.

Главная цель: провести собственное исследование и определить энергетический выход данного устройства.

Для расчета магнитных взаимодействий использовали так называемый «механический» способ.

Полученные результаты: соотношение полученной работы к затраченной составляет 1,43, то есть имеем 43% дополнительной энергии. Если учесть погрешности измерений, составляющих не более 5% и расходы на трение, то есть более 25% дополнительной энергии, что составляет 0,0003 Дж.

Важно, что действительно был зафиксирован факт незначительного размагничивания магнитов при длительном их нахождении в положении отталкивания. Но самым важным, было зафиксировано явление полного восстановления намагниченности в процессе работы механизма, когда магнитное поле периодически перекрывалось шторкой. Существует предположение, что восстановление намагниченности происходит за счет магнитного поля земли, а если рассматривать более широко, то за счет магнитного поля системы Солнце-Земля. Если предположение верно, то магнит можно рассматривать как перспективный материал для использования в возобновляемой энергетике. Причем работа таких устройств на постоянных магнитах не будет зависеть от погодных условий в отличие от использования энергии ветра и солнечного света.

Выводы. Зафиксированное явление восстановления намагниченности постоянного магнита позволяет рассматривать магнит, как перспективный материал для использования в нетрадиционной восстановительной энергетике. Устройства на постоянных магнитах не получили распространения по причине низкого энергетического выхода. Для повышения энергетического выхода видим повышение рабочей частоты перенаправления магнитного потока, которое можно реализовать немеханическим способом. При рабочей частоте перенаправления магнитного потока 10000 Гц считаем возможным увеличение выходной мощности устройства до нескольких ватт. Это будет большое значение для питания маломощных устройств и как один из шагов для решения проблем по энергосбережению.



Изготовление постоянного магнита | IOPSpark

Электромагнит

Электричество и магнетизм

Изготовление постоянного магнита

Практическая деятельность для 14–16

Класс практический

Использование катушки с токоведущей проволокой для изготовления постоянного магнита из стального стержня.

Аппаратура и материалы

Примечания по охране труда и технике безопасности

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Стальной стержень может представлять собой вязальную спицу или кусок часовой пружины. В качестве плохой замены можно использовать короткие отрезки толстой фортепианной проволоки.

Убедитесь, что образцы из твердой стали не намагничены. Если есть, размагнитите их, медленно пропуская их через катушку переменного тока: для 300-витковой катушки используйте около 6 В переменного тока; для 2400-витковой катушки используйте около 20 В переменного тока.

Процедура

  1. Используйте железные опилки или чертежный компас, чтобы убедиться, что стальной стержень не намагничен, прежде чем продолжить.
  2. Намотайте несколько десятков витков изолированной проволоки вокруг стального стержня. (Оставьте достаточно свободного места с обоих концов для подключения к источнику питания.)
  3. Подключите концы провода к низковольтному источнику постоянного тока, чтобы через катушку протекал большой ток.
  4. Отключить ток.Еще раз проверьте стальной стержень, чтобы убедиться, что он не намагничен.
  5. Определите, где находятся магнитные полюса стержня.
  6. Придумайте способ намагничивания стержня в другом направлении.

Учебные заметки

  • Как работает наука Дополнительный модуль: Студенты могут сделать магнит (этим методом или методом поглаживания), а затем проверить его силу. Это требует от них разработки и оценки подхода к измерению силы магнита.Вот несколько предложений:
    • Определите, сколько булавок, кнопок или канцелярских скрепок встанет встык с магнита.
    • Положите булавку на стол. Постепенно приближайте к нему магнит. Измерьте расстояние, на котором штифт начинает двигаться.
    • Поместите компас для черчения на стол. Поднесите к нему магнит сбоку (восток или запад). Измерьте расстояние, на котором стрелка компаса указывает под углом 45 ° к исходному направлению.
  • Студенты должны уметь думать и о других идеях.Испробовав несколько, они могут оценить чувствительность каждого.

Этот эксперимент был проверен на безопасность в июле 2007 г.

Чистая энергия работает на магнитах

Несмотря на все разговоры о аккумуляторной батарее, я подумал, что стоит упомянуть, что экологически чистые технологии работают не только на литии, но и на неодиме и диспрозии.Это самые важные элементы на рынке постоянных магнитов.

Магниты? Но как они связаны с чистой энергией?

Как показывает практика, всякий раз, когда вы слышите или читаете «электродвигатель» или «электрический генератор», вы должны думать «содержит магниты». Постоянные магниты — это один из лучших способов преобразования механической и электрической энергии туда и обратно, потому что после создания выровненного магнита вы можете использовать его магнитное поле бесконечно: вам не нужно «перезаряжать» «Постоянный магнит, как аккумулятор, и он не требует постоянных затрат энергии, как электромагнит или двигатель внутреннего сгорания.

Благодаря этому магниты позволяют турбинам преобразовывать потоки ветра и воды в полезную электроэнергию и использовать эту чистую энергию для вращения электродвигателей в автомобилях, агрегатах переменного тока и других устройствах. Поскольку нам также нужны жесткие диски из магнитных материалов для хранения данных и программного обеспечения, которые имеют решающее значение для управления энергосистемой и энергопотреблением, нетрудно утверждать, что магниты лежат в основе чистой энергии.

Итак, давайте посмотрим, насколько важны магниты для рынков чистых технологий и возобновляемых источников энергии:

Производство энергии

SBC Energy Institute

Энергия ветра:

На каждый МВт, производимый более новыми и более эффективными ветряными турбинами, приходится ~ 500 кг постоянных магнитов. Это 2,75 тонны магнитов на турбину мощностью 5 МВт, которая устанавливается сегодня. Также есть планы удвоить и в четыре раза увеличить производственные мощности 5 для будущих наземных и морских турбин, соответственно, что также увеличит потребление магнитных материалов.

Приливная сила:

Существует несколько различных типов приливной энергии с разной степенью реальных испытаний и рыночного потенциала, но большинство по-прежнему полагаются на вращающиеся турбины (как в классической гидроэнергетике), которые приводят в действие содержащие магниты электрические генераторы.Поскольку технология и рынок все еще находятся в стадии становления (хотя есть несколько проектов на разных стадиях завершения 7 ), данные об использовании магнитных материалов по единице и рынку ограничены. Если вам что-то известно, дайте мне знать!

Транспорт

Гибридные и электрические автомобили / грузовики:

Типичный электромобиль использует ~ 0,7 кг постоянных магнитов в своем двигателе (за заметным исключением асинхронных двигателей переменного тока Tesla). Хотя это звучит не так уж и много, особенно по сравнению с ветряными турбинами, общий размер рынка огромен: по оценкам, в 2015 году для этой отрасли было использовано 7000 тонн редкоземельных магнитов, и ожидается, что этот показатель вырастет до 17000 тонн. к 2020 г. 6

Электровелосипеды:

Здесь я просто процитирую статью Стива Константинидеса 6 , потому что этот рынок удивил даже меня, и он очень хорошо подводит итог:

Это скрытое приложение, которое быстро росло без особого внимания, по крайней мере, на западе, пока не превратилось в большой рынок.В 2009 году китайский рынок электровелосипедов составил 20 миллионов единиц. Основным рынком в настоящее время является Китай и Юго-Восточная Азия, но рынок Индии растет, и прогнозируется, что в 2018 году мировое производство составит 60 миллионов единиц. Потребление магнита на велосипед сильно различается, начиная от велосипедов с педалями и заканчивая мощными спортивными велосипедами, которые конкурируют с обычными мотоциклами. Использование магнитов в 2015 году составило 6000 тонн и, как ожидается, к 2018 году вырастет до более чем 15000 тонн в год.

Здания / Эффективность

ОВК:

Традиционные кондиционеры могут иметь внутри 3-4 электродвигателя.Как я уже упоминал выше, каждый раз, когда вы видите «электродвигатель» или «электрический генератор», вы должны думать: «вероятно, содержит магниты». Согласно оценкам Константинидеса и Арнольда Магнитик, 6 доля рынка постоянных магнитов, направляемая на блоки HVAC, лишь немного отстает от доли гибридных / электрических транспортных средств. Кроме того, системы HVAC могут стать намного более эффективными, если использовать еще больше магнитов, как описано ниже.

Холодильное оборудование:

Существует большой потенциал для магнитного охлаждения, использующего магнитокалорический эффект.Franco et al. очень хорошо резюмирует преимущества в обзорном документе 2012 года:

Магнитное охлаждение […] более энергетически эффективно, чем процесс, основанный на сжатии / расширении газов (прототипы магнитных холодильников могут достигать 60% идеальной (по Карно) эффективности, тогда как лучшие коммерческие традиционные холодильные агрегаты могут достигать только 40%) . Более того, поскольку для магнитного охлаждения не требуются газы-хладагенты, нет никаких опасений по поводу разрушения озонового слоя или парникового эффекта, что еще больше способствует его экологической безопасности.

Или другими словами: это потенциально повышение эффективности на 50% по сравнению с существующей технологией. GE, которая занимается этой технологией, сообщает, что они уже достигли улучшения примерно на 20% [см. Видео: https://youtu.be/WlKKKMTA7XM]. Это число будет расти по мере развития технологии, и приложения для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и холодоснабжения получат еще больше магнитов!

Я думаю, что это действительно интересный рынок с большим потенциалом.

Магнитные пары / приводы:

В промышленности есть много мест (горнодобывающая промышленность, традиционная электроэнергетика, водоснабжение / сточные воды), где большие двигатели используются для вращения вентиляторов, насосов и конвейеров.Эти большие двигатели потребляют много энергии, поэтому их максимальная эффективность очень важна для получения прибыли.

Эти двигатели имеют оптимальную скорость вращения для наиболее эффективной работы. Отклонение от оптимальной скорости, которое часто случается, если вентилятор / насос / конвейер необходимо замедлить или ускорить, требует затрат энергии и снижает срок службы оборудования. Однако, если можно поддерживать работу двигателя на оптимальной скорости, при этом снижая нагрузку до необходимого уровня, эксплуатационные расходы останутся низкими, а срок службы оборудования продлен.

Это достижимо с помощью магнитных пар, которые создают физический воздушный зазор между двигателем и приводом (и если этот воздушный зазор регулируется, можно также получить контроль скорости). Эти магнитные пары и приводы (как следует из названия) являются крупными пользователями магнитов, но могут привести к экономии энергии до 70%.

Накопитель энергии

Орегонский университет

Маховики:

Маховик — это, по сути, механическая (а не электрохимическая) батарея: вы можете вращать большой тяжелый ротор, который имеет большую инерцию, когда у вас есть дополнительная энергия, а затем возвращать эту энергию, раскручивая ротор позже.Магниты используются как в электродвигателе / ​​генераторе, который раскручивает нагрузку вверх и вниз, так и как способ уменьшить трение нагрузки через магнитные подшипники.

Однако маховики так и не получили широкого распространения в качестве масштабируемого и экономичного варианта накопления энергии, поэтому я в основном включаю их сюда для полноты картины. Если кто-то взломает код возможного / масштабируемого маховика, будьте уверены, он будет интенсивно магнитом.

Магниты и чистые технологии идут рука об руку

Итак, хотя солнечные батареи и батареи (по праву) привлекают большое внимание в мире чистых технологий, не забывайте, что лежит в основе большинства остальных технологий, которые являются частью этого сектора.Магниты сделали возможной информационную революцию. Они могут просто сделать возможной энергетическую революцию.

Люк Г. Маршалл Ph.D. — исследователь Северо-Восточного университета в Бостоне, Массачусетс, изучает методы синтеза и обработки для создания новых и устойчивых магнитных материалов. Выпускник Уитмен-колледжа и Техасского университета в Остине со степенью доктора материаловедения и инженерии, Люк увлекается энергетикой и чистыми технологиями с акцентом на бизнес-решениях для перевода передовых научных достижений из лабораторных исследований в реальный мир.Следуйте за ним в LinkedIn (https://linkedin.com/in/lukegmarshall) и в Twitter @lukegmarshall.

Артикул:

  1. Стрингер, Г. и Ричи, М. «Аккумуляторная стрела нагревает добычу лития, поскольку запасы горнодобывающих предприятий в глубинке растут». Bloomberg Business, 17 февраля 2016 г. Получено с http://www.bloomberg.com/news/articles/2016-02-17/battery-boom-heats-lithium-gains-as-outback-mining-stocks-soar (Дата обращения: 29 февраля 2016 г.).
  2. Маршалл, Л. Г. «Постоянные магниты: почему мы ищем новые материалы.LinkedIn, 12 мая 2015 г. Получено с https://www.linkedin.com/pulse/permanent-magnets-why-were-looking-new-materials-luke-marshall (дата обращения: 29 февраля 2016 г.).
  3. GTM Editors. «Grid Edge 20: ведущие компании, разрушающие рынок электроэнергии США». Greentech Media, 23 апреля 2015 г. Получено с http://www.greentechmedia.com/articles/read/Grid-Edge-20-The-Top-Companies-Disrupting-The-US-Electric-Market (дата обращения: 29). Февраль 2016 г.).
  4. Трабиш, Х.К., «Сеть будущего»: как одна программа Министерства энергетики раздвигает границы агрегированных DER.”Utility Drive, 4 февраля 2016 г. Получено с http://www.utilitydive.com/news/the-future-grid-how-one-doe-program-is-pushing-the-boundaries-of-aggrega/413023 / (Дата обращения: 29 февраля 2016 г.).
  5. «Лидерство в переходе к энергетике: ветроэнергетика». Ветряная электростанция SBC . SBC Energy Institute, май 2013 г. Получено с https://www.sbc.slb.com/SBCInstitute/Publications/Wind.aspx (дата обращения: 29 февраля 2016 г.)
  6. Константинидес, С. «Постоянные магниты на меняющемся мировом рынке». Журнал Magnetics, 14 фев.2016. Получено с http://www.magneticsmagazine.com/main/articles/permanent-magnets-in-a-changing-world-market/ (дата обращения: 29 февраля 2016 г.).
  7. «Приливная сила». Википедия. Получено с https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_power (дата обращения: 29 февраля 2016 г.)
  8. Кэмпбелл П. «Оценка производительности и стоимости двигателей с использованием альтернативных редкоземельных магнитов». Magnetics Magazine, январь 2013 г. Получено с http://www.magneticsmagazine.com/conferences/wp-content/uploads/2013/01/Dr.PeterCampbell.pdf (дата обращения: 29 февраля 2016 г.).
  9. Франко В., Бласкес Дж. С., Ингейл Б. и Конде А. «Магнитокалорический эффект и магнитное охлаждение при комнатной температуре: материалы и модели». Ежегодный обзор исследований материалов . 42 305-342 (2012).
  10. Bothum, G. «Хранение энергии: почему важно хранить энергию?» Накопитель энергии . Университет Орегона. Получено с http://zebu.uoregon.edu/disted/ph262/l8.html (дата обращения: 29 фев., 2016).
  11. Нелдер, К. «Включи сок: новый маховик вселяет надежды на прорыв в области хранения энергии». Scientific American, 10 апреля 2013 г. Получено с http://www.scientificamerican.com/article/new-flywheel-design/ (дата обращения: 29 февраля 2016 г.).

Магнит — Energy Education

Рис. 1: Стержневой магнит с обозначенными северным и южным полюсами. [1] Рисунок 1: Магнитное поле стержневого магнита с направлением поля с севера на юг, как показано стрелкой компаса. [2]

Магнит — это материал, создающий магнитное поле. Создаваемое магнитное поле невидимо, но его эффекты очень легко ощущаются при контакте с другими магнитными материалами.

Магниты важны для электрических генераторов, потому что вращение магнита рядом с катушкой с проволокой производит электричество. Например, ветряная турбина использует ветер для вращения магнита, гидроэлектростанция делает то же самое, но с силой движущейся воды.

Магнит характеризуется двумя полюсами; Север и юг.Эти полюса создают магнитное поле, которое течет от северного полюса к южному, и может быть изображено стрелкой компаса, как показано на рисунке 2. Стрелка компаса на самом деле является постоянным магнитом и, естественно, ориентируется для выравнивания с любым магнитным полем. [2]

Изменяющиеся магнитные поля движутся, создавая электрический ток около петель из проволоки.

Способность материала реагировать на магнитное поле более подробно обсуждается в гиперфизике.

Типы магнитов

Есть 3 типа магнитов: [3]

  • Постоянные магниты , обычно называемые ферромагнитными, представляют собой материалы, которые нелегко теряют свой магнетизм после намагничивания.Материалы могут намагничиваться при контакте с внешним магнитным полем. Этот процесс можно ускорить, сначала нагревая, а затем охлаждая материал. Такие материалы также называются твердыми магнитами . [4] Постоянные магниты часто используются в ветряных турбинах.
  • Временные магниты очень легко намагничиваются (внешним полем), но со временем постепенно теряют свой магнетизм. Эти магниты также называются мягкими магнитами и . [4]
  • Электромагниты — очень сильные магниты, используемые в таких устройствах, как компьютеры, телевизоры и двигатели. Их делают, помещая металлический сердечник в катушку с проволокой, по которой проходит электрический ток. Электричество, проходящее через провод, создает магнитное поле. Во время прохождения электрического тока сердечник действует как сильный магнит. [3] Электромагниты используются во многих генераторах и электростанциях.

Phet Simulation

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующую симуляцию Фета.Это моделирование показывает, как изменение магнитного поля создает ток. Переместите магнит и посмотрите, что происходит с током.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

University of Delaware (UD) | arpa-e.energy.gov

• 1366 Technologies — экономичные кремниевые пластины для солнечных элементов
• Agrivida — инженерные ферменты в энергетических культурах
• Algaeventure Systems (AVS) — Топливо из водорослей
• Университет штата Аризона (ASU) — Металло-воздушный аккумулятор для электромобилей
• Университет штата Аризона (ASU) — превращение бактерий в топливо
• Лаборатория биоархитектуры — бутанол макроводорослей
• Церера — повышение урожайности биомассы
• Delphi Automotive Systems — более эффективное преобразование энергии для электромобилей.
• EaglePicher Technologies — натриевые бета-батареи для хранения данных в сетевом масштабе
• Envia Systems — Аккумуляторы для электромобилей дальнего действия
• Exelus — высокооктановое топливо из выхлопных газов нефтеперерабатывающих заводов
• FastCAP Systems — ультраконденсаторы с высокой плотностью энергии
• Ветряная турбина FloDesign — ветряная турбина со смесителем-эжектором
• Foro Energy — лазерно-механическое бурение для геотермальной энергии
• Глобальные исследования General Electric (GE) — Нанокомпозитные магниты
• General Motors (GM) — Система утилизации отработанного тепла
• Специалисты в области неорганики — литий-ионные аккумуляторы большой емкости для электромобилей.
• Университет штата Айова (ISU) — Оптимизированное разведение микроводорослей для получения биотоплива
• ITN Energy Systems — Электрохромная пленка для более эффективных окон
• Kohana Technologies — динамически регулируемые лопасти ветряных турбин
• Университет Лихай — Улавливание CO2 с помощью электрических полей
• Makani Power — воздушная ветряная турбина
• Массачусетский технологический институт (MIT) — Электровиль: сетевые батареи
• Университет штата Мичиган (МГУ) — Ударно-волновой двигатель
• Nalco — Использование ферментов для улавливания CO2 в дымовых трубах
• Технологии NanOasis — Использование углеродных нанотрубок для эффективного обратного осмоса
• Государственный университет Пенсильвании (штат Пенсильвания) — Солнечная конверсия CO2 и водяного пара в углеводородное топливо
• Фононные устройства — улучшенные термоэлектрические устройства
• Porifera — мембраны из углеродных нанотрубок
• Исследовательский институт треугольника (RTI) — биотопливо от пиролиза
• Soraa — Аммонотермический рост подложек из GaN для светодиодов
• Стэнфордский университет — Поведенческие инициативы по энергоэффективности
• Sun Catalytix — энергия воды и солнечного света
• Teledyne Scientific & Imaging — эффективные солнечные концентраторы
• Государственный университет Огайо — синтез-газ в топливо
• Исследовательский центр United Technologies (UTRC) — Использование синтетических ферментов для улавливания углерода
• Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (UCLA) — экономичное накопление солнечной тепловой энергии
• Университет Делавэра (UD) — Доступные автомобили на водородных топливных элементах
• Университет штата Делавэр (UD) — высокоэнергетические композитные постоянные магниты
• Университет Иллинойса, Урбана-Шампейн (UIUC) — Термоэлектрики на основе кремния
• Университет Миннесоты (UMN) — Биотопливо из бактерий и солнечного света

Постоянные магниты, намного более сильные, чем те, что на дверцах холодильников, могут быть решением для передачи энергии термоядерного синтеза

Newswise — Постоянные магниты, подобные тем, которые используются в холодильниках, могут ускорить выработку термоядерной энергии — такой же энергии, производимой солнцем и звездами.

В принципе, такие магниты могут значительно упростить проектирование и производство извилистых термоядерных устройств, называемых стеллараторами, по словам ученых из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и Института физики плазмы Макса Планка в Грайфсвальде. , Германия. Основатель PPPL Лайман Спитцер-младший изобрел стелларатор в начале 1950-х годов.

В большинстве стеллараторов используется набор сложных скрученных катушек, которые закручиваются, как полосы на леденце, для создания магнитных полей, которые формируют и контролируют плазму, которая питает термоядерные реакции.По словам исследователей, постоянные магниты, похожие на холодильник, могут создавать твердую часть этих важных полей, позволяя простым, нескрученным катушкам производить оставшуюся часть вместо сложных катушек.

Самые дорогие витые катушки

«Скрученные катушки — самая дорогая и сложная часть стелларатора, и они должны изготавливаться с очень высокой точностью в очень сложной форме», — сказал физик Пер Хеландер, глава отдела теории стелларатора. Отделение в Max Planck и ведущий автор статьи с описанием исследования (внешняя ссылка) в Physical Review Letters (PRL).«Мы пытаемся снизить требования к катушкам, используя постоянные магниты».

Упрощающие стеллараторы, которые работают без риска разрушительных сбоев, с которыми сталкиваются более широко используемые термоядерные устройства на токамаках, могут иметь большую привлекательность. «Я очень рад использованию постоянных магнитов для формирования плазмы в стеллараторах», — сказал Стив Коули, директор PPPL и соавтор статьи. «Это приводит к гораздо более простому инженерному проектированию».

Синтез, энергия, приводящая в движение солнце и звезды, объединяет легкие элементы в виде плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — которое генерирует огромное количество энергии.Ученые всего мира используют токамаки, стеллараторы и другие объекты, пытаясь создать на Земле термоядерный синтез и управлять им, чтобы обеспечить практически неисчерпаемый запас безопасной и чистой энергии для выработки электроэнергии.

Новая идея постоянных магнитов является ответвлением проекта научной ярмарки, который Джонатан Зарнсторфф, сын главного ученого PPPL Майкла Зарнсторфа, соавтора статьи, организовал в средней школе. Джонатан хотел построить рельсовую пушку, устройство, которое обычно использует ток высокого напряжения для создания магнитного поля, которое может стрелять снарядом.Но ток высокого напряжения было бы опасно использовать в классе.

Решение для отца и сына

Решение, к которому пришли отец и сын, заключалось в использовании неодимовых или редкоземельных постоянных магнитов для безопасного создания магнитного поля. Магниты из редкоземельных металлов обладают удивительными и полезными свойствами. Они генерируют довольно мощные поля для магнитов небольшого размера, и это «жесткие» поля, на которые почти не влияют другие поля поблизости. Эти магниты, таким образом, могут обеспечить то, что физики называют «полоидальной» частью спиралевидного стеллараторного поля, в то время как простые круглые катушки могут обеспечить «тороидальную» часть, составляющую остальную часть поля.«Я думал об этом на протяжении многих лет, но у меня не было времени развивать эту идею», — сказал Царнсторфф. Идея, наконец, была реализована во время обсуждений с Коули и физиком Кэри Форестом из Университета Висконсин-Мэдисон.

Постоянные магниты всегда включены, что резко контрастирует со стандартными электромагнитными катушками, которые используются в стеллараторах и токамаках. Такие катушки создают магнитные поля, когда через них проходит электрический ток — ток, который требует источников питания, в которых постоянные магниты не нуждаются.К другим преимуществам использования постоянных магнитов для упрощения катушек стелларатора относятся:

• Более низкая стоимость, чем у электромагнитов ручной работы;

• Создание достаточного пространства между упрощенными змеевиками для облегчения обслуживания;

• Возможность изменения положения магнитов для создания разнообразных форм магнитных полей;

• Снижение инженерных и производственных рисков.

У постоянных магнитов тоже есть недостатки. «Вы не можете выключить их», — сказал Хеландер, что означает, что они могут притягивать все, что могут привлечь в пределах досягаемости.По его словам, они также производят ограниченную максимальную напряженность поля. Тем не менее, такие магниты «могут быть хорошими для проведения экспериментов на пути к реактору, — добавил он, — и могут появиться более сильные постоянные магниты».

Новый набор инструментов

Для Zarnstorff постоянные магниты — это «стратегия и новый набор инструментов, и мы должны придумать, как их использовать». Теперь он планирует несколько применений. Сначала будет построен настольный стелларатор с установленными постоянными магнитами.В дальнейшем он надеется, что PPPL сможет создать первый в мире простой оптимизированный стелларатор, разработанный для достижения конкретных целей по производительности. Этот объект может быть модернизирован для увеличения напряженности поля в рамках подготовки к продолжению разработки упрощенной машины. В конце концов, стелларатор, включающий постоянные магниты, сможет производить энергию для выработки электричества для всего человечества.

Соавторы статьи PRL — физик Майкл Древлак из отдела теории стелларатора Макса Планка, который выполнил численную оптимизацию.Поддержку этой работе оказывают Управление науки Министерства энергетики США (FES), Фонд Саймонса и Общество Макса Планка.

PPPL, расположенный в Кампусе Форрестол Принстонского университета в Плейнсборо, штат Нью-Джерси, посвящен созданию новых знаний о физике плазмы — сверхгорячих заряженных газов — и разработке практических решений для создания термоядерной энергии. Лабораторией управляет Управление науки Университета Министерства энергетики США, которое является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и ​​работает над решением некоторых из наиболее актуальных проблем современности.Для получения дополнительной информации посетите energy.gov/science (внешняя ссылка).

Постоянный магнит — Вселенная сегодня

[/ caption]
Постоянный магнит — это магнит, который не теряет своего магнитного поля. Однако что делает магнит постоянным? Чтобы понять это, нам нужно знать, как работают магниты. Магнетизм — это аспект явления, известного как электромагнитная сила, фундаментальная сила физической вселенной. Магнетизм, как и другой его аспект, электричество проявляет себя как поле.Что делает магнит, так это когда определенные вещества и элементы индуцируются сильным магнитным полем. В случае постоянных магнитов это поле остается с течением времени без ослабления.

Постоянный магнит — это магнит из-за ориентации его доменов. Домены — это небольшое магнитное поле, присущее кристаллической структуре ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы — единственные вещества, которые могут быть превращены в магниты. Обычно это железо, никель, сплавы или редкоземельные металлы.Магнит создается, когда при определенных условиях отдельные домены в ферромагнитном элементе выравниваются в одном направлении. Однако метод, используемый в большинстве случаев, можно сделать только с помощью слабых магнитов. Обычно это происходит при прямом контакте с естественно магнитным материалом или пропускании через него электрического тока. Однако в случае, если поле, создаваемое трением о сильный магнит, будет слишком слабым и со временем исчезнет, ​​когда домены вернутся в исходное положение.

Основной способ создания постоянных магнитов — нагрев ферромагнитного материала до очень высокой температуры.Температура индивидуальна для каждого вида металла, но она способствует выравниванию и «фиксации» доменов магнита в постоянном положении. Предполагается, что именно этот процесс внутри Земли создает естественные постоянные магниты.

Постоянные магниты важны для их промышленного использования, особенно когда речь идет о производстве электроэнергии и электродвигателях. Индукционный процесс для турбин и генераторов требует постоянных магнитов, чтобы превратить механическое движение в энергию. Они также важны для электродвигателей во многих электронных устройствах, использующих обратную индукцию электрического тока для получения механической энергии.Как видите, без постоянного магнита мы не смогли бы в полной мере использовать возможности электричества в современных устройствах.

Мы написали много статей о постоянных магнитах для Universe Today. Вот статья о стержневых магнитах и ​​статья о супермагнитах.

Если вам нужна дополнительная информация о постоянных магнитах, ознакомьтесь со статьями журнала Hyperphysics and Practical Physics.

Мы также записали целый эпизод Astronomy Cast, посвященный магнетизму.Послушайте, Серия 42: Магнетизм повсюду.

Ссылки:
Гиперфизика
Как работают магниты

Нравится:

Нравится Загрузка …

Жесткий постоянный магнит посредством молекулярной конструкции

  • 1.

    Кришнан, К. М. Основы и применение магнитных материалов (Oxford University Press, 2016).

    Книга Google ученый

  • 2.

    Томпсон, Д. А. и Бест, Дж.С. Будущее технологии магнитного хранения данных. IBM J. Res. Dev. 44 , 311–322 (2000).

    CAS Статья Google ученый

  • 3.

    Gutfleisch, O. et al. Магнитные материалы и устройства 21 века: прочнее, легче и энергоэффективнее. Adv. Матер. 23 , 821–842 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 4.

    Хорват, Дж. Дж., Хербст, Дж. Ф., Ли, Р. В. и Пинкертон, Ф. Е. Материалы на основе Pr-Fe и Nd-Fe: новый класс высокоэффективных постоянных магнитов. J. Appl. Phys. 55 , 2078–2082 (1984).

    CAS Статья Google ученый

  • 5.

    Sagawa, M. et al. Новый материал для постоянных магнитов на основе Nd и Fe. J. Appl. Phys. 55 , 2083–2087 (1984).

    CAS Статья Google ученый

  • 6.

    Миллер, Дж. С. Магнитоупорядоченные материалы. Chem. Soc. Ред. 40 , 3266–3296 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 7.

    Канески М.А., Гаттески Д. и Рей П. Химия и магнитные свойства комплексов нитронилнитроксила металлов. Прог. Неорг. Chem. 39 , 331–429 (1991).

    Google ученый

  • 8.

    Манрикес, Дж. М., Йи, Г. Т., Маклин, Р. С., Эпштейн, А. Дж. И Миллер, Дж. С. Магнит, работающий при комнатной температуре на молекулярной / органической основе. Наука 252 , 1415–1417 (1991).

    CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Verdaguer, M. et al. Молекулы для создания твердых тел: высокий T C Магниты на основе молекул по дизайну и недавнее возрождение химии цианокомплексов. Coord. Chem. Ред. 190−192 , 1023–1047 (1999).

    Артикул Google ученый

  • 10.

    Holmes, SM & Girolami, GS Золь-гель синтез KV II [Cr III (CN) 6 ] · 2H 2 O: магнит на основе кристаллических молекул с магнитным температура заказа выше 100 ° C. J. Am. Chem. Soc. 121 , 5593–5594 (1999).

    CAS Статья Google ученый

  • 11.

    Динка, М. и Лонг, Дж. Р. Введение: химия пористого каркаса. Chem. Ред. 120 , 8037–8038 (2020).

    Артикул Google ученый

  • 12.

    Фурукава, Х., Кордова, К. Э., О’Киф, М., Яги, О. М. Химия и применение металлоорганических каркасов. Наука 341 , 1230444 (2013).

    Артикул Google ученый

  • 13.

    Rouxel, J., Tournoux, M. & Brec, R. Мягкие химические пути к новым материалам: chimie douce. in Труды международного симпозиума, проходившего в Нанте, Франция, 6–10 сентября 1993 г. (Trans Tech Publications, 1994).

  • 14.

    Коэн, С. М. Постсинтетический ренессанс в пористых твердых телах. J. Am. Chem. Soc. 139 , 2855–2863 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 15.

    Тораринсдоттир, А. Э. и Харрис, Т. Д. Металлоорганические каркасные магниты. Chem. Ред. 120 , 8716–8789 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 16.

    Perlepe, P. et al. Металлоорганические магниты с большой коэрцитивной силой и температурой упорядочения до 242 ° C. Наука 370 , 587–592 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 17.

    Коттон, Ф. А. и др. Экспериментальное и теоретическое исследование парадигмы молекулы Яна – Теллера, полностью транс-CrCl 2 (H 2 O) 2 (пиридин) 2 и родственного транс-CrCl 2 (пиридин) 4 · ацетон. Inorg. Чим. Acta 235 , 21–28 (1995).

    CAS Статья Google ученый

  • 18.

    Pedersen, K. S. et al. Формирование слоистого проводящего магнита CrCl 2 (пиразин) 2 посредством окислительно-восстановительной координационной химии. Nat. Chem. 10 , 1056–1061 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 19.

    Фидлер Дж., Шрефл Т., Хёфингер С. и Хайдуга М. Последние разработки в области твердых магнитных сыпучих материалов. J. Phys .: Condens. Дело 16 , S455 – S470 (2004).

    CAS Google ученый

  • 20.

    Райнхарт, Дж. Д. и Лонг, Дж.R. Использование одноионной анизотропии в конструкции одномолекулярных магнитов с f-элементом. Chem. Sci. 2 , 2078–2085 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 21.

    Dechambenoit, P. & Long, J. R. Микропористые магниты. Chem. Soc. Ред. 40 , 3249–3265 (2011).

    CAS Статья Google ученый

  • 22.

    Huang, B. et al. Слоистый ферромагнетизм в кристалле Ван-дер-Ваальса вплоть до монослойного предела. Природа 546 , 270–273 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 23.

    Li, H., Ruan, S. & Zeng, Y.-J. Внутренние магнитные материалы Ван-дер-Ваальса — от объема до предела 2D: новые рубежи спинтроники. Adv. Матер. 31 , 1

    5 (2019).

    Артикул Google ученый

  • 24.

    Creutz, C. & Taube, H. Прямой подход к измерению барьера Франка-Кондона для переноса электронов между ионами металлов. J. Am. Chem. Soc. 91 , 3988–3989 (1969).

    CAS Статья Google ученый

  • 25.
  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.