通过使永磁体同极相对进而提高磁场强度的研究

通过使永磁体同极相对进而提高磁场强度 的研究 钟华 1 白武帅1 侯志坚2 1 北京科技大学 工程师学院 北京 100083 2 北京科技大学 自然科学基础实验中心 北京 100083 摘要 外力促使磁体同极对接可以获得接近单个磁极二倍的磁场强度 通过实验获得同极对接磁体的磁感 线分布状态及磁体周围场强分布情况 分析否定了磁极对接可能使磁体产生消磁现象 探讨了通过对接磁 极获得高强磁场的具体应用及未来发展趋势和方向 关键词 钕铁硼永磁材料 高强磁场 磁体同极对接 磁场分布 复合磁场 Research of increasing the magnetic field strength by connecting the same pole together Zhong hua1 bai wushua1 hou zhijian2 1 School of advanced engineer University of Science and Technology Beijing 100083 China 2 Basic Exp erimental Center for Natural Science University of Science and Technology Beijing 100083 China Abstract take external force to press the same pole together can get close to twice the magnetic field strength of a single pole through experiments Obtained the distribution of same pole butted magnet magnetic field lines and the distribution state of magnetic field strength around the magnet Through the Analysis negated the possible that same pole butted will degaussing the magnet discuss the specific applications and future development trends and direction of the high strength magnetic field which obtained from same pole butted magnet Keywords Nd Fe B permanent magnet materials high strength magnetic field magnet same pole butted magnetic field distribution complex magnetic field 在信息 通讯 交通与自动化这些发展速度最快 对社会影响最大的领域中 磁性材料 都发挥着不可替代的重要作用 永磁材料作为当今工业社会最重要的功能材料之一 已广 泛应用于计算机 扬声器 家用电器 仪器仪表 磁力机械 各种电机 医疗器械等仪器 设备中 我国是稀土王国和永磁材料生产大国 是被誉为 永磁王 的钕铁硼的发明国之 一 现代高技术对永磁体的性能与质量提出了更高的要求 而第三代永磁体 NdFeB 满足不 了这些要求 目前第四代永磁体的研制尚未取得重大突破 因此 在现有条件下 通过磁 铁同极相对获得高强磁场的方法具有实际意义 2收稿日期 2012 12 27 基金项目 教育教学改革项目 2011 重点 研究型和创新型基础实验教学体系建设 JG2011Z14 通讯作者简介 侯志坚 1960 男 北京 学士 高级工程师 主要从事物理实验教学 及其方法研究 E mail zhijianhou 1 问题提出 我们都知道两块永磁体同极相对及异极相对放置于同一平面时磁感线分布分别如图 图 所示 磁场强度的叠加为矢量相加 于是我们可以猜想两块永磁体磁极对接应该 为如图 图 情况 图 同名磁极相对磁感线分布 图 异名磁极相对磁感线分布 对于异名磁极接触来说与正常单块磁体没有分别 而同名磁极对接磁感线分布如图 相对两极间磁感线呈相互排斥状向外部放射分布 近似认为两磁极产生磁场方向相同 同 向叠加 场强为单个磁体磁极部分产生场强的二倍 图 两异名磁极相接触形成磁感线 图 两同名磁极相接触形成磁感线 2 实验验证 2 12 1 实验设备实验设备 钕铁硼永磁体 410 型高斯计 有机玻璃 铁屑 直尺 其中钕铁硼永磁体技术参数见表 表 钕铁磁永磁体技术参数 项目 剩磁 Br T 内禀矫顽力 Hcj kA m 1 矫顽力 Hcb kA m 1 最大磁能积 BH A m 3 数值 1 2231052849269 2 22 2 关于磁感线分布的验证关于磁感线分布的验证 取金属加工所磨细铁屑置于厚度为 10mm 的有机玻璃上 敲震玻璃使其形成均匀的一层 覆盖于玻璃表面 在下面放两块分别由 N S 极相吸成为一体的钕铁硼永磁体 轻敲有机玻 璃使铁屑在磁场作用下分布 得到复合磁场作用下的铁屑分布如图 所示 我们可以清楚 的发现实验得到的图像与猜想的磁感线分布情况 图 相同 图 铁屑在异极对接磁体磁场中的分布 再取金属加工所磨细铁屑置于厚度为 10mm 的有机玻璃上 敲震玻璃使其形成均匀的一 层覆盖于玻璃表面 在下面放两块 N 极相对固定于一铜棍上的钕铁硼永磁体 实物图见图 轻敲有机玻璃使铁屑在磁场作用下分布 得到复合磁场作用下的铁屑分布如图 所 示 我们可以清楚的看到实验得到的图像与猜想的磁感线分布情况 图 高度吻合 这 有力的证明了上面提出猜想的正确性 图 铁屑在同极对接磁体磁场中的分布 图 两块同极对接的钕铁硼永磁体材料 2 32 3 关于磁场强度的验证关于磁场强度的验证 对于是否如前面猜想所言 在磁体同极对接处会产生一个二倍的场强的问题 我们可 以用高斯计通过测量对接磁体各处磁场强度大小来证实 如图所示 沿对接的两块永磁体 侧面以不同需要分成若干段 分别测量每一段上的磁场强度并记录到表 表 中 最后 再以横向放置的两块对接钕铁硼永磁体为横轴 磁场强度大小为纵轴做出测量曲线 结果 如图 所示 表 钕铁硼磁体异极对接磁场强度分布表 B mT 25 20 15 10 7 5 5 2 50 X mm20 652 1146 24232831876924 4 X mm2 557 510152025 B mT 12 4 89 5 184 380 185 52 4 20 3 表 钕铁硼磁体同极对接磁场强度分布表 B mT 25 20 15 10 7 5 6 35 5 2 50 X mm 18 552 2185418108 80 2 115 2 375 843 X mm 2 556 557 510152025 B mT 399 133 10 4382 7397175 651 719 4 图 钕铁磁永磁体同极对接磁场强度分布图 由这个曲线我们可以清楚的发现对异名磁极对接而言中间处磁场近似为 0 两极处最 大 而同名磁极对接部分的磁场强度要明显大于其它部分 共出现三个波峰分别分布于中 间两 N 极对接处及左右 S 极处 且中间波峰值近似等于两极波峰值的二倍 于是可以证明 在较近范围内对接磁体两侧产生的磁场方向相同 场强大小为两磁极磁场强度大小的同向 叠加 这表明通过磁体同极对接理论上可以获得二倍的磁场强度 磁场方向与对接的磁极 方向相同 且此理论能得到实验支持 理论猜想符合实际 通过实验得到了二倍磁场强度 3 关于可能发生退磁现象的分析 实验中所有的钕铁磁永磁体相关参数如下 剩磁 Br 1 223 T 内禀矫顽力 Hcj 1052 kA m 矫顽力 Hcb 849 kA m 最大 磁能积 BH 269 A m3 使磁化至技术饱和的永磁体的 B 磁感应强度 降低至零所需要的反向磁场强度称为 磁感矫顽力 此实验所用的永磁体其矫顽力 Hcb 为 849 kA m 实验测得单个磁体磁极处磁 场强度为 300mT 即 239 kA m 显然单个磁体磁场强度远小于永磁体的矫顽力 不会发生退磁现象 4 结束语 本文主要研究通过两块钕铁磁永磁体材料同名磁极对接产生磁场增幅情况 且通过 实验结果已经证实加倍磁场强度的正确性 同样可以利用多个磁体同名对接进而成倍 提高区域性磁场强度 本文主要针对永磁铁进行研究 但这并不代表此研究不能应用 于电磁铁设备 电磁铁工作原理遵循永磁体磁场理论 所以此研究用于电磁铁设备在同样 情况下一样可以大幅度提高磁场强度且更加节能 随着社会发展和技术的进步 越来越多 的设备需要在高磁环境下工作 比如发电 军事 航天 航海 探测 磁悬浮系统 等 因 此 此研究课题结论具有实际意义 参考文献 1 刘宏娟 矩形永磁体三维磁场空间分布研究 J 北京工业大学 2006 5 10 11 2 克里斯朵夫 库珀 磁学 M 山东教育出版社 2009 4