磁石で世界に電力を供給する

自然界の最も驚くべき現象の 1 つは、一部の物質における磁気の発現です。 永久磁石は古くから知られています。 電気の分野で偉大な発見がなされる前、永久磁石は医師によって積極的に使用されていました。 時間が経つにつれて、人々は鉄合金製品を磁場に置くことによって人工磁石を作成することを学びました。 永久磁石は、電気工学、コンピュータ技術、輸送、ナビゲーション、医学、生物学、天文学などのさまざまな分野の産業で頻繁に使用されています。磁石の主な用途は、電気工学、無線工学、計装、オートメーション、およびテレです。力学。 例えば、発電には発電機や送電用の変圧器、電気モーターや電話、ラジオ、テレビのスピーカーなどが使われるため、磁性材料がなければ電化は不可能です。

人間の活動領域への永久磁石の積極的な導入は、磁気特性が改善された新しい強磁性合金の発明と作成を刺激します。

純粋な磁性金属

鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウム – これら 4 つの金属だけが、周囲温度で純粋で磁性を持ちます。 この性質を強磁性といいます。 永久磁石に工業的に使用されているすべての希土類合金には、これらの金属が含まれています。

しかし、強い磁気特性を持ち、磁石に引き寄せられ、それ自体が磁石になることができる金属が 9 種類あります。鉄、コバルト、ニッケルだけでなく、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムも含まれます。 アルミニウム、プラチナ、クロム、チタン、バナジウム、マンガンは磁石に非常に弱く吸着されます。 磁化が非常に少ないため、特別なツールがなければ磁気特性を検出することは不可能です。

強磁性金属

強磁性金属は磁場のある物体に強く引き付けられるため、磁石を取り除いた後も磁気特性を維持できます。 永久磁石を作るために使用されます。 主な強磁性金属は、鉄、ニッケル、コバルト、ガドリニウム、ジスプロシウムです。 強磁性金属片を磁石の隣に置くと、十分に強い吸引力が感じられます。

強磁性合金

強磁性合金は、強磁性金属を含む鋼などの材料です。 鋼は鉄と他のいくつかの金属を組み合わせたもので、鉄よりも硬いです。 この硬度により、鋼は鉄よりも長く磁性を保持できます。 高温で加熱すると、鋼は磁気特性を失います。 これはニッケルなどの強磁性金属でも起こります。

フェリ磁性材料

フェリ磁性材料は、フェライト、マグネタイト、マグネシウムです。 これらはすべて、主成分として酸化鉄と他の金属の酸化物を含んでいます。 ロードストーンは自然に磁化された磁鉄鉱です。 マグネタイトは磁場に引き寄せられますが、通常はそれ自体が磁化することはありません。 フェリ磁性材料は強磁性体に似ていますが、磁気吸引力がより小さくなります。

常磁性金属

常磁性金属は磁石に弱く引き付けられるため、磁石から外すと磁気特性を保持しません。 これらには、銅、アルミニウム、プラチナが含まれます。 常磁性金属の磁気特性は温度に依存し、アルミニウム、ウラン、プラチナは非常に低温になると磁場にとってより魅力的になります。 常磁性物質は強磁性物質よりも磁石に対する引力がはるかに小さいため、磁気引力を測定するには非常に敏感な機器が必要です。

ステンレスは磁性を持ちますか?

ステンレスの種類は120種類以上！ 合金に少なくとも 12% のクロムが含まれている場合、それは錆びにくいステンレス鋼とみなされます。 ほとんどのステンレス鋼はオーステナイト合金でできており、磁性はわずかです。 フェライトまたはマルテンサイト構造の鋼は磁性を持っています。 ある種の鋼がフェライトとオーステナイトの混合構造を含む場合、フェライトの割合が鋼の磁気特性を決定します。

ステンレス鋼の磁気的挙動については広く広まっている俗説があります。 多くの人は、あらゆる種類のステンレス鋼が磁石を引き付けることができると考えています。 それは全く真実ではありません。 実際、磁石はいくつかの種類のステンレス鋼で機能します。 ステンレス鋼には多くの種類がありますが、オーステナイト系とフェライト系の 2 つの主要なカテゴリに分類できます。 各分類には独自の原子配列があります。 このため、非磁性のステンレス鋼と磁性を有するステンレス鋼が混在することがよくあります。 フェライト構造を持つ基本的なステンレス鋼は、より一般的なオーステナイト系タイプとは異なり、磁石を引き付けます。 フェライト系ステンレス鋼は、その構造と高い鉄濃度により磁性を持ちます。

ステンレス鋼は、鉄、炭素、クロムの合金です。 耐食性に優れ、非常に丈夫です。 ただし、磁性はありません。 では、磁石はどのように使われるのでしょうか？

答えは物理法則の中にあります。 金属の分子構造には、微小磁場を生成する原子がいくつか存在します。 原子の自由で無秩序な集合体では、異なる磁場は共通の力を形成せず、互いに打ち消し合います。 この場合、磁場は存在しません。 一方、原子が同じ方向に集まっていると、磁場は互いに打ち消し合わずに調整して集まり、強い磁場が発生します。 鉄などの一部の金属は、その微小磁場が同じ方向に整列して磁化金属の磁場を形成するため、別の磁化金属から引き付けられるのはこのためです。

ステンレス鋼を認識する

臭いがしたらステンレスではありません。 研磨または塗装することもできますが、他の要素も含まれます。 メーカーによっては、磁石を引き寄せるためにステンレス鋼に少量のニッケル (または別の金属) を加えている場合があります。 本物のステンレス鋼ではなく、ステンレス鋼とニッケル合金を組み合わせたものです。 錆びないステンレス鋼の場合、「304」または「316」のグレードが必要です。

ステンレス鋼の種類

他のタイプのステンレス鋼、フェライト系およびマルテンサイト系は、弱い磁化を発生します。 具体的には、ステンレス鋼の堅牢性、ステンレスの性質、耐衝撃性は、磁性があるという事実とは関係がありません。 それらの使用に関しては、フェライト系ステンレス鋼への溶接は分子構造に修復不可能な影響を与え、問題を引き起こす可能性があることに注意する必要があります。 一方、オーステナイト系ステンレス鋼は完全に溶接します。 フェライト系ステンレス鋼は錆びません。耐食性は化学組成の問題であり、磁気容量とは関係ありません。

磁性鋼、電気モーターのあまり知られていない部分

シリコンをドープして薄いシート状に丸めた磁性鋼は、電気モーターの心臓部の製造に不可欠です。 欧州の鉄鋼メーカーの生産能力が増加しているにもかかわらず、需要が供給を上回る可能性がある。 ニッケルとコバルトに関連する懸念の影で、磁性鋼はより個別の合金であるため、電気自動車の普及が遅れる可能性があり、メーカーはその能力を早急に適応させる必要があります。 今年3月中旬、鉄鋼大手アルセロールミタルは、マルディックの自社敷地に電気（または磁気）圧延機を設置するために3億ユーロ以上を投資すると発表した。 この許可は一般には知られていませんが、この発表は業界では予想されていました。 電気モーターのローターとステーター、および変圧器では、磁場の循環を最適化し、自動車の優れた性能を保証するために、シリコンをドープして薄いスライスに積み重ねたこの鋼が不可欠です。

金の磁性

純金は磁石に引き寄せられません。 不純な金片は、大きな磁場の下ではわずかに磁性を帯びます。 金は反磁性と常磁性があり、その効果は互いに打ち消し合う可能性があります。 したがって、金は磁石に引き寄せられることも反発することもありません。 18 カラットや 22 カラットのゴールド ジュエリーなど、不純な形状の金は強磁性体で構成されています。 これらの材料は、金をより硬く、耐摩耗性を高めるために添加されます。

このような場合、金の磁性はそれに溶け込む金属に依存します。 たとえば、生産者が金と鉄を混合すると、非常に磁性の高い合金が生成されます。 銀と混ぜると非磁性のホワイトゴールドになります。

磁石は金貨や延べ棒の検査に役立ちます。 金貨の純度が 99% 以上であれば、磁石の影響を受けることはありません。

金は熱を加えると磁化することができます

2016年、日本の東北大学の研究チームは、温度勾配によって発生する熱の下で金が磁化する可能性があることを発見しました。 この研究は、スピン注入によって変化する電子輸送特性にも焦点を当てており、したがって、通常の金属における非平衡磁化の生成と検出のための多用途なアプローチを提供します。

永久磁石

永久磁石は「硬質」磁性材料、つまり、一度磁化されると使用温度で磁化を保持する材料です。 それらの磁気特性は主に、それらを構成する化合物の特性によって決まります。 また、製造プロセスを通じて得られる材料の微細構造にも大きく依存します。

永久磁石用の 4 種類の材料が市場のほとんどの用途に使用されています。 これらは、アルニコ、ハードフェライト、サマリウムコバルト、およびネオジム鉄ボロンです。 他の材料もありますが、その用途は非常に限られています。 これらは、延性合金、マンガン - アルミニウム - 炭素合金、硬質マルテンサイト鋼、または微粉末ベースの磁石です。

永久磁石という用語は、着磁器から取り外した後も誘導された磁荷を保持する磁石の能力に由来しています。 永久磁石は、コンパス、無線送信機、さまざまな電気測定器などを作るために必要です。通常、永久磁石は炭素含有量の高い鋼で作られています。 永久磁石は、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウム、鉄で構成されるマグニコと呼ばれる新しい高磁性合金で使用され始めています。

磁気回路に使用するのに最適な金属

経済的な観点から、静電界装置では通常、固体鋼が最良の選択です。 可能であれば、低炭素鋼 (ASME 1006 – 1018) をポール部品に使用し、処理後に水素を濃縮する必要があります。 400 シリーズのステンレス鋼も使用できますが、磁気的には低炭素鋼ほど優れていないため、それを補うために部品を大きくする必要がある場合があります。

AlNiCo、SmCo、NdFeB磁性材料の違い

アルニコは古い磁性材料ですが、今でも重要な用途があります。 最大エネルギー積はSmCo材の約1/5ですが、高温特性に優れ、耐食性にも優れています。 アルニコは、磁性の向きが異なるさまざまな形状に鋳造できます。 アルニコ磁石は、当初は軍事用電子用途で、後に自動車や航空機のセンサー用途などの民間バージョンで広く使用されてきました。 アルニコ磁石の開発は、製造された複数の相を含む複合材料が個々のコンポーネントの材料よりも優れているという、磁性材料に関する新しい考え方の始まりとなりました。

ネオジム鉄ホウ素 (NdFeB) 磁石への関心は、1970 年代後半の SmCo 磁石の重要な成分である Co のコスト上昇の結果でした。

SmCo および NdFeB 希土類磁石は保磁力が高いため、回路内で磁化する必要がなく、低い透磁率係数 (つまり、薄いディスク) で使用できます。 これらの材料は通常の直線曲線のため、ヘルムホルツ コイルのテストにも適しています。 このため、レアアースはエンジンや高磁場双極子にも最適です。 SmCo は熱減磁に対して優れた耐性を持っていますが、壊れやすいです。 NdFeB は脆性が低く、熱特性が悪く、腐食しやすいです。

電磁石と比較した永久磁石の利点

一般に、作業空間が小さい場合、特定の静磁場を生成するのに必要な空間体積は永久磁石の方が小さくなります。 より大きなデバイスでは電磁石が有利です。 電磁石の制限要因は、巻線、電源、動作中に発生する熱によって消費されるスペースです。 永久磁石は電源を必要としないため、スペースとエネルギーを節約します。 調整可能な電源を使用すると、入力電流を調整するだけで電磁石の磁場を簡単に調整できます。 ただし、フィールドを頻繁に調整する必要がない場合は、調整可能な永久磁石を使用できます。

希土類磁石はなぜあんなに高価なのですか?

希土類磁石の場合、磁気特性を向上させるために使用される金属の抽出が困難です。 磁石に関連する元素は採掘されるランタニドのほんの一部であるため、材料を大量に生産することはできません。 微粉末は自然発火性であるため、製造条件を非常に厳密に制御する必要があり、必要な圧力により形成できるブロックのサイズに制限があります。 その後の磁石の加工によりコストが増加します。 磁石は通常非常に硬いため、研削および加工作業には時間がかかります。

グリーンエネルギーにおける磁石の役割

磁性材料、特に永久磁石は、多くの再生可能エネルギー技術の効率的なパフォーマンスにとって重要です。 再生可能エネルギー源への依存の高まりにより、世界中でエネルギー関連技術の研究が加速しています。 永久磁石におけるレアアース金属の使用は、地球上の埋蔵量の減少と相まって、レアアースの供給が限られているため、引き続き大きな懸念の原因となっています。

永久磁石の開発の原動力は、より少ない体積の磁石で高磁気エネルギー生成物を得る必要性から生じており、これはクリーンエネルギー技術 (風力タービン発電機やハイブリッド回生モーター)、輸送部品などのいくつかの技術的用途に利用できる可能性があります。 、および消費者向け製品。 磁性材料は、次のようないくつかのタスクを実行する独自の能力により、現代社会において極めて重要な役割を果たしています。 機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。 電力を送配電する。 マイクロ波通信を促進する。 データストレージシステムの基礎を提供します (Wallace Matizamhuka – 再生可能エネルギーにおける磁性材料の影響)。

NdFeB 永久磁石を使用すると、風力タービンの機械式ギアボックスを直接駆動永久磁石発電機に置き換えることができるため、タービン全体の重量、重いギアボックスを支えるために必要なコンクリートや鋼などの他のコンポーネントのコストが削減され、可動部品の数が削減されます。これにより、基本的に信頼性と効率が向上します。 永久磁石同期発電機は、強力な希土類磁石の磁場を使用して、回転ブレードからのエネルギーを電気に変換します。 これらの発電機は低速で動作できるため、タービン シャフトから直接電力を供給できるため、ギアボックスが不要になります。 これにより、風車ナセルの重量が軽減されます。 ギアボックスの廃止により、信頼性が向上し、メンテナンスコストが削減され、効率が向上します。 設計者が風力タービンから機械式ギアボックスを排除できる磁石の特性は、現代の風力タービンの運用上および経済上の問題を解決するために磁石をどのように革新的に使用できるかを示しています。

今日、電気自動車/ハイブリッド電気自動車は、ガソリン内燃機関車に代わる現実的な選択肢として再び台頭しています。 EV の成功は、EV のパワートレインの駆動に使用される高効率の永久磁石モーターのおかげです。 硬磁性材料である NdFeB の使用には非常に大きな利点があり、他の技術では不可能な高効率のトラクション モーターの開発が可能になりました。

風力でタービンを回転させる代わりに、水力発電は流水を利用します。 水力発電技術は、ダムや分水構造によって作られた水の一方から流入し、はるか下方からもう一方から流出する高低差を利用して発電します。 ダムの中を水が流れ、タービンと呼ばれる大きな車輪を回転させます。 タービンはシャフトを回転させ、銅コイルと発電機を通過する一連の磁石を回転させ、クリーンで再生可能な電気を生成します。

太陽光発電は、太陽電池パネルを使用して太陽からのエネルギーを熱エネルギーまたは電気エネルギーに変換します。 これらのソーラー パネルの製造では、「スパッタリング」または PVD ​​(物理蒸着) と呼ばれるプロセスを通じて薄膜が複数の層に堆積されます。 このプロセスを最適化するために、永久磁石アセンブリにより、堆積される材料の利用率が向上します。

磁石は、地熱プロセスで電流を生成するために使用されます。 高温の流体が膨張してタービンブレードを回転させるのに必要な機械エネルギーを生成すると、タービンは大きなコイル内の磁石を回転させ、電流を生成します。

発電および送電網の変換用の変圧器における軟磁性材料の使用は、発電において極めて重要な役割を果たします。 軟磁石の性能は材料に固有であり、低い保磁力と鉄損、高い飽和磁化、抵抗率、透磁率などの特性によって支配され、これらの材料は電力の効率的な伝送と配電にとってより魅力的なものとなっています。

石油・ガス分野向けの磁石

石油およびガス産業には、磁石および磁気アセンブリに対して最も困難な環境と要求の厳しい用途がいくつかあります。 この業界では、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石などの希土類磁石の使用をお勧めします。 これは、高い保磁力や高温安定性などの非常に望ましい特性によるものです。 サマリウムコバルト磁石には耐食性がありますが、ネオジム磁石にはありません。 さらに、希土類磁石は、老朽化し​​た石油設備、パイプ、不要な鉄材料によって生成されるスケールを除去するために使用されます。

結論から言えば、磁石の性質はさまざまな分野で広く利用されており、人類にとって有益です。