I livet undrer vi oss ofte over magien med permanente magneter - en liten magnet kan lett absorbere jern negler og jernark som er flere ganger tyngre enn seg selv, noe som gir oss mange bekvemmeligheter. Så hvorfor har permanente magneter slike magiske krefter til å absorbere ting? Hvordan fungerer de? I dag, la oss gå dypt inn i den mikroskopiske verden og utforske hemmelighetene til permanente magneter.
1. Magnetismens mikroskopiske opprinnelse
Magnetismen tilpermanente magneterstammer fra den mikroskopiske mekanismen på atomnivå. Hovedelementene som utgjør permanente magneter, som jern, kobolt og nikkel, har unike atomstrukturer. I atomer beveger elektroner seg rundt kjernen, og elektronene i seg selv har også spinnbevegelse. Begge disse bevegelsene vil generere bittesmå strømmer, som igjen danner magnetiske momenter. Hvert atom er som en liten "magnet."
I de fleste vanlige stoffer er instruksjonene til atommagnetiske momenter kaotiske, og magnetfeltene de genererer avbryter hverandre, noe som gjør stoffene ikke-magnetiske i makroskopisk skala. Imidlertid, i materialene til permanente magneter, på grunn av det spesielle arrangementet av atomstrukturen, kan disse atommagnetiske momentene spontant arrangeres pent i et lite område for å danne små områder, som vi kaller magnetiske domener.
Magnetisk domene er et sentralt konsept for å forstå magnetismen til permanente magneter. Innenfor hvert magnetiske domene er instruksjonene til alle atommagnetiske momenter konsistente, noe som resulterer i et sterkt nettet magnetfelt. I umagnetiserte permanente magnetmaterialer er arrangementet av magnetiske domener forstyrret, magnetfeltene til hvert domene avbryter hverandre, og materialet som helhet er ikke magnetisk på utsiden.
Når en permanent magnet blir utsatt for et eksternt magnetfelt (for eksempel et spesifikt magnetfelt som brukes under produksjonsprosessen), vil magnetiske domener gradvis justere retningen og ha en tendens til å være i samsvar med retningen til det ytre magnetfeltet. Når det ytre magnetfeltet er fjernet, kan de fleste magnetiske domener fortsatt opprettholde dette pene arrangementet, og gi den permanente magneten en varig magnetisme. Dette er som mange små magnetiske nåler som opprinnelig peker tilfeldig, men de er ensartede under veiledning av ytre krefter, og de forblir i orden etter at kraften er fjernet.
3. Tiltrekker seg ferromagnetiske materialer
Permanente magneter kan tiltrekke seg ferromagnetiske materialer som jern, kobolt og nikkel på grunn av samspillet mellom magnetiske felt. Når en permanent magnet er nær et ferromagnetisk materiale, vil det sterke magnetfeltet til den permanente magneten påvirke det atommagnetiske momentet inne i det ferromagnetiske materialet. De atomiske magnetiske momentene i ferromagnetiske materialer er opprinnelig forstyrret. Under "kommandoen" av det permanente magnetens magnetfelt, vil de gradvis justere retningen og ha en tendens til å være i samsvar med retningen på den permanente magnetens magnetfelt, og generere indusert magnetisme.
På dette tidspunktet vil den ene enden av det ferromagnetiske materialet nær den permanente magneten danne en magnetisk stolpe motsatt av den permanente magnetens magnetiske pol. I henhold til grunnloven for "motsatte magnetiske stolper tiltrekker hverandre" mellom magnetiske stolper, vil det bli generert en sterk attraksjon mellom den permanente magneten og det ferromagnetiske materialet, og dermed innse fenomenet at den permanente magneten tiltrekker seg ferromagnetiske materialer.
Kjernen i den permanente magnetens operasjon ligger i det stabile og varige magnetfeltet. I praktiske anvendelser kan magnetfeltet generert av den permanente magneten utøve kraft på magnetiske materialer eller strømbærende ledere i omgivelsene. For eksempel, i en elektrisk motor, er den permanente magneten festet til det ytre skallet for å generere et stabilt magnetfelt. Når strømmen går gjennom den indre spolen, utføres den strømbærende spolen av amperekraften i det permanente magnetens magnetfelt, og genererer dermed en rotasjonsbevegelse, om å konvertere elektrisk energi effektivt til mekanisk energi og drive forskjellige enheter for å operere.
I en høyttaler samhandler magnetfeltet til den permanente magneten med lydstrømmen som passerer gjennom stemmespolen. Lydstrømmen endres med lydsignalet, og genererer en kraft som endres med signalet i magnetfeltet, driver stemmespolen og mellomgulvet koblet til den for å vibrere, og deretter skyve luften, gjenopprette det elektriske signalet til lyden vi hører. I lagringsenheter for harddisk brukes permanente magneter til å generere et stabilt magnetfelt, og harddisken Read-Write Head bruker endringen i magnetfeltet for å lese og skrive data, og realiserer lagring og lesing av informasjon.
Årsaken til at permanente magneter kan tiltrekke seg ting er at de magnetiske domenene dannet av magnetiske momenter av atomene inni dem er ordnet på en ordnet måte under spesifikke forhold, og samspillet mellom magnetfeltet som genereres derved og det ferromagnetiske materialet. Arbeidsprosessen er å oppnå flere funksjoner som energikonvertering, signalbehandling, objektadsorpsjon osv. Gjennom det stabile magnetfeltet og koordinasjonen med andre fysiske elementer i forskjellige applikasjonsscenarier. Fra gamle kompass til moderne høyteknologisk utstyr er permanente magneter overalt, og fortsetter å bidra med magisk kraft til menneskeliv og teknologisk utvikling.
5. Nøkkelrollen til permanente magneter innen grønn energi
På bakgrunn av den globale promoteringen av grønn energitransformasjon spiller permanente magneter en sentral rolle. Innen vindkraftproduksjon har permanent magnetsynkrone generatorer blitt det mainstream valg på grunn av egenskapene til permanente magneter. Tradisjonelle generatorer krever ofte ytterligere eksitasjonssystemer, mens permanente magnetsynkrone generatorer bruker magnetfeltet generert av permanente magneter, uten behov for komplekse eksitasjonsinnretninger, og forenklet strukturen i stor grad. Dette reduserer ikke bare utstyrets feil og vedlikeholdskostnader for utstyret, men forbedrer også kraftproduksjonseffektiviteten. For eksempel, i det tøffe marine miljøet med vindmøller offshore, er permanente magnetsynkrone generatorer avhengige av den stabile magnetismen til permanente magneter for kontinuerlig og effektivt å konvertere vindenergi til elektrisk energi, og gir en garanti for storskala ren energiforsyning.
I den elektriske kjøretøyindustrien er permanente magneter også en av kjernekomponentene. Permanente magnetsynkrone motorer har blitt den foretrukne løsningen for motorer med elektrisk kjøretøy med sin høye krafttetthet, høye effektivitet og god hastighetsregulering. Det sterke magnetfeltet som genereres av permanente magneter gjør det mulig for motoren å sende kraftig kraft i et mindre volum og utvide kjøretøyets cruiseområde. Under bremsingsprosessen til kjøretøyet kan permanent magnetsynkrone motorer også oppnå energigjenvinning, forbedre energiutnyttelsen ytterligere, hjelpe elektriske kjøretøyer til å være mer energieffektiv og miljøvennlig og akselerere den grønne transformasjonsprosessen i transportfeltet.
6. Fremtidig utviklingstrend av permanente magneter
Med kontinuerlig fremgang av vitenskap og teknologi er utviklingsutsiktene til permanente magneter brede, men de står også overfor mange utfordringer. Fra utviklingstrender perspektiv, på den ene siden, vil forskning og utvikling av materialer med høyere magnetiske egenskaper fortsette å avansere. Forskere undersøker stadig nye elementkombinasjoner og forberedelsesprosesser, i håp om å utvikle permanente magnetmaterialer med høyere magnetisk energiprodukt, tvangskraft og temperaturstabilitet for å imøtekomme behovene til banebrytende felt som luftfart og kvantedrift for ekstreme magnetiske egenskaper. På den annen side vil miniatyrisering og integrering være viktige retninger for påføring av permanente magneter. I feltet elektronisk informasjon, ettersom brikketeknologi utvikler seg mot mindre størrelse og høyere ytelse, er miniatyriserte permanente magneter som er kompatible med den nødvendig for å gi presise magnetfelt for mikroelektromekaniske systemer (MEMS), nanoskala sensorer, etc.