Как магниты питают современные электронные устройства?

Магниты бесшумно питают почти все электронные устройства, к которым люди прикасаются каждый день, от динамика телефона до двигателя электромобиля. В этой статье объясняется, как работает магнитная электронная технология, где она используется, чем постоянные магниты отличаются от электромагнитов и какое будущее ждет магнитные компоненты в бытовой и промышленной электронике.

Изучите ключевые области применения магнитных материалов

Как магниты питают современные электронные устройства?

Магниты приводят в действие современные электронные устройства, преобразуя электрическую энергию в движение, преобразуя движение в электрическую энергию или сохраняя и считывая данные посредством изменений в магнитных полях. Эта трехсторонняя связь между электричеством и магнетизмом, известная как электромагнетизм, лежит в основе почти каждого электронного продукта, представленного сегодня на рынке, включая смартфоны, ноутбуки, электромобили, медицинские сканеры и бытовую технику. Без магнит электронный компоненты, такие устройства, как динамики, жесткие диски, датчики и двигатели, просто не будут работать.

Глобальный сдвиг в сторону электрификации только увеличил зависимость от магнитных компонентов. Согласно отраслевым прогнозам, спрос на редкоземельные магниты, особенно неодим-железо-борные типы (NdFeB), будет значительно расти до 2026 года, поскольку производители электромобилей, ветряных турбин, робототехники и бытовой электроники наращивают производство. В этой статье подробно рассказывается, как работает магнитная электронная технология, где она проявляется в повседневных устройствах и как оценить различные типы магнитов, используемые в электронной промышленности.

Что такое магнитный электронный компонент?

Магнитный электронный компонент — это любая часть электронной системы, которая генерирует магнитное поле или реагирует на него для создания определенного электрического или механического эффекта. Эти компоненты делятся на две широкие категории: постоянные магниты, которые удерживают фиксированное магнитное поле без внешней энергии, и электромагниты, которые генерируют магнитное поле только тогда, когда электрический ток течет через спиральный провод, обычно намотанный на железный или ферритовый сердечник.

Оба типа взаимодействуют с электрическим током, создавая силу, управляя потоком сигналов или преобразуя одну форму энергии в другую. Именно это взаимодействие позволяет крошечному магниту внутри динамика телефона вибрировать диафрагму и производить звук, или позволяет гораздо большему магниту внутри электродвигателя вращать ротор с крутящим моментом, достаточным для перемещения двухтонного автомобиля.

Постоянные магниты против электромагнитов в электронике

Постоянные магниты и электромагниты выполняют разные роли в электронном дизайне, поскольку один требует постоянного питания, а другой — нет. В таблице ниже сравниваются эти два критерия, которые инженеры обычно учитывают при выборе типа магнита для конкретного применения.

Таблица 1: Сравнение постоянных магнитов и электромагнитов в электронных приложениях

Инженеры обычно выбирают постоянные магниты, когда устройству требуется постоянное, компактное и энергоэффективное поле, например, в динамике смартфона или жестком диске. Электромагниты выбираются, когда поле необходимо включать и выключать или регулировать его силу, например, в релейном переключателе или сканере МРТ.

Какие повседневные электронные устройства используют магниты?

Для правильной работы почти каждой категории бытовой и промышленной электроники требуется хотя бы один магнитный электронный компонент. В списке ниже представлены наиболее распространенные примеры, с которыми люди ежедневно взаимодействуют.

• Динамики и наушники: Постоянный магнит взаимодействует с катушкой, по которой течет переменный ток, заставляя диафрагму вибрировать и издавать звук. Магниты большего размера обычно обеспечивают более громкий и насыщенный звук.
• Жесткие диски: Данные хранятся магнитно: миллиарды микроскопических магнитных областей на вращающемся диске представляют собой двоичные 0 и 1, которые считывает и записывает головка привода.
• Электродвигатели: Двигатели вентиляторов, блендеров, дронов и электромобилей используют магниты для преобразования электрического тока во вращательное движение посредством взаимодействия магнитных полей.
• Датчики: Магнитные датчики определяют положение, скорость и вращение в самых разных приложениях: от автомобильной антиблокировочной системы тормозов до компасов смартфонов и обнаружения складных экранов.
• Беспроводные зарядные устройства: Индуктивные зарядные площадки используют катушки и магнитные поля для передачи энергии на устройство без физического подключения кабеля.
• Магнитные аксессуары для телефона: В чехлах, креплениях и креплениях для кошельков все чаще используются встроенные магнитные массивы для надежного крепления к совместимым устройствам.

Почему неодимовые магниты доминируют в бытовой электронике

Неодимовые магниты доминируют в бытовой электронике, поскольку они создают самое сильное магнитное поле на единицу размера и веса среди всех коммерчески доступных типов магнитов. Это делает их идеальными для компактных устройств, таких как смартфоны, беспроводные наушники и ноутбуки, где важен каждый кубический миллиметр внутреннего пространства. Производителям бытовой электроники требуются неодимовые магниты, изготовленные с жесткими допусками по точности, поскольку даже небольшие несоответствия могут повлиять на качество звука, точность датчиков или производительность двигателя в миниатюрных устройствах.

Гибкие резиновые магниты также набирают популярность в складных устройствах и магнитных чехлах для телефонов, поскольку им можно придать форму, соответствующую сложным конструктивным характеристикам, оставаясь при этом прочными при многократном изгибании.

Как магнитные датчики улучшают электронные устройства?

Магнитные датчики улучшают электронные устройства, преобразуя изменения магнитного поля в точные электрические сигналы, которые может интерпретировать схема. Эта функция важна в приложениях, где механический контакт со временем изнашивается или где скорость и надежность имеют большее значение, чем может обеспечить физический переключатель.

Обычно магнитные датчики используются в инерциальных навигационных системах, определении положения внутри электродвигателей и системах безопасности, которые отслеживают, открыты или закрыты двери или окна. В транспортных средствах магнитные датчики отслеживают скорость колес для антиблокировочной системы тормозов и определяют положение коленчатого вала для определения фаз газораспределения двигателя. В смартфонах они питают цифровые компасы и определяют, когда открывается или закрывается складной экран или магнитная крышка чехла.

Герконы и датчики Холла

Герконовые переключатели и датчики Холла — два наиболее широко используемых типа магнитных датчиков в электронике. В герконовом переключателе используются два тонких металлических контакта, которые физически замыкаются, когда рядом проходит магнит, что делает его простым и недорогим, но ограничивается механическим износом с течением времени. Датчик Холла, напротив, не имеет движущихся частей и вместо этого измеряет изменения напряжения, вызванные близлежащим магнитным полем, что делает его более надежным для приложений с большим циклом, таких как автомобильные датчики и промышленное оборудование.

Какую роль магниты играют в электромобилях и возобновляемых источниках энергии?

Магниты играют центральную роль в электромобилях и системах возобновляемой энергетики, позволяя использовать высокоэффективные двигатели и генераторы, от которых зависят эти технологии. Тяговые двигатели внутри электромобилей используют высокопроизводительные постоянные магниты для преобразования энергии аккумулятора в крутящий момент, необходимый для движения транспортного средства, и этот спрос является одним из крупнейших факторов роста производства магнитов во всем мире.

Ветровые турбины работают по тому же принципу, но наоборот. Генераторы с постоянными магнитами внутри турбин преобразуют механическую энергию вращающихся лопастей в электричество, и ожидается, что в этом сегменте будет наблюдаться постоянный рост объемов, поскольку страны стремятся к достижению целей по декарбонизации. Эта тенденция подтолкнула производителей к исследованию альтернатив, не содержащих редкоземельных элементов, таких как составы магнитов из нитрида железа, с целью снизить затраты и зависимость от добычи редкоземельных элементов, сохраняя при этом конкурентоспособность.

Сравнение магнитных материалов по применению

Различные магнитные материалы подходят для различных электронных приложений в зависимости от прочности, стоимости, температурной устойчивости и коррозионной стойкости. В таблице ниже представлены четыре материала, наиболее часто используемые в электронике и электромобилях.

Таблица 2. Распространенные магнитные материалы, используемые в электронных устройствах и электромобилях.

Как магнитное экранирование защищает чувствительную электронику?

Магнитное экранирование защищает чувствительную электронику, блокируя или перенаправляя электромагнитные помехи (EMI), которые в противном случае могли бы нарушить работу схемы. Поскольку устройства размещают больше магнитных и электронных компонентов в меньшем пространстве, нежелательные помехи между деталями становятся более серьезной проблемой при проектировании, поэтому производители используют экранирующие материалы для изоляции чувствительных компонентов и поддержания оптимальной производительности.

Экранирование обычно включает в себя слои металла с высокой проницаемостью, которые поглощают рассеянные магнитные поля до того, как они достигнут печатной платы, датчика камеры или беспроводной антенны. Это особенно важно для смартфонов, где динамики, катушки беспроводной зарядки и несколько магнитных датчиков расположены на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга.

Каково будущее магнитной электронной технологии?

Будущее магнитной электронной технологии сосредоточено на меньших по размеру, более эффективных и менее экологически дорогих магнитных материалах. Исследователи в области наномагнетизма и спин-транспорта работают над магнитными устройствами следующего поколения, которые могли бы еще больше уменьшить размеры и требования к мощности датчиков и компонентов памяти. В то же время производственные инновации, такие как холодное спекание ферритовых и композитных магнитов, повышают энергоэффективность самого производства.

Одна примечательная область исследований связана с материалом, который действует как диод магнитного поля, передавая магнитное поле объекту только в одном направлении, а не симметрично. Устройства этого типа имеют потенциальное применение в электродвигателях, трансформаторах и медицинском оборудовании для визуализации, где магнитные элементы с симметричной связью по току являются нормой.

Магниты, не содержащие редкоземельных элементов, набирают обороты

Магниты, не содержащие редкоземельных элементов, набирают обороты, поскольку производители стремятся снизить затраты и риски в цепочке поставок, связанные с добычей редкоземельных металлов. Составы нитрида железа и другие альтернативные композиты разрабатываются, чтобы бросить вызов доминированию традиционных редкоземельных магнитов, и если эти материалы достигнут конкурентоспособного уровня производительности, они могут изменить то, как производители электроники поставляют магнитные компоненты в ближайшие годы.

Часто задаваемые вопросы о магнитных электронных компонентах

Может ли сильный магнит повредить смартфон или ноутбук?

Современные смартфоны и ноутбуки имеют магнитное экранирование и используют твердотельные накопители, а не магнитные жесткие диски, поэтому обычный магнит вряд ли приведет к потере данных. Однако старые устройства с магнитными жесткими дисками, картами с магнитной полосой и некоторые медицинские имплантаты, такие как кардиостимуляторы, все еще могут подвергаться воздействию сильных магнитных полей, поэтому следует соблюдать осторожность при использовании высокопрочных неодимовых магнитов.

Почему магниты динамиков большего размера производят более громкий звук?

Больший магнит создает более сильное магнитное поле, что позволяет звуковой катушке перемещать диафрагму динамика с большей силой для данного электрического входного сигнала, создавая большую громкость и часто улучшая басовые характеристики. Это одна из причин, по которой в динамиках и наушниках премиум-класса обычно используются неодимовые магниты большего или более высокого качества, чем в бюджетных моделях.

Во всех ли электродвигателях используются постоянные магниты?

Нет, не во всех электродвигателях используются постоянные магниты. Некоторые двигатели, известные как асинхронные двигатели, генерируют свое магнитное поле исключительно за счет электромагнетизма без какого-либо постоянного магнита, в то время как двигатели с постоянными магнитами используют встроенные магниты для достижения более высокой эффективности и плотности крутящего момента, поэтому их предпочитают в электромобилях и точной робототехнике.

Как беспроводная зарядка использует вместе магниты и электричество?

В беспроводных зарядных устройствах используется катушка, генерирующая переменное магнитное поле, которое индуцирует ток в согласующей катушке внутри приемного устройства, передавая мощность без физического подключения кабеля. Многие беспроводные зарядные устройства также оснащены выравнивающим магнитом, который помогает правильно расположить устройство над зарядной катушкой для максимальной эффективности.

Используются ли магниты в твердотельных накопителях (SSD)?

Нет, твердотельные накопители не используют магниты для хранения данных. В отличие от традиционных жестких дисков, которые хранят данные магнитным способом на вращающейся пластине, твердотельные накопители хранят данные в электронном виде в микросхемах флэш-памяти, что является одной из причин, по которым твердотельные накопители более устойчивы к магнитным помехам и физическим ударам, чем старые магнитные жесткие диски.

Ключевые выводы о магнитной электронной технологии

Магнитные электронные компоненты вплетены практически в каждое устройство, на которое полагаются люди: от динамика, воспроизводящего звук в наушниках, до тягового двигателя, приводящего в движение электромобиль по шоссе. Постоянные магниты создают компактные, энергоэффективные поля для таких приложений, как динамики и датчики, а электромагниты создают регулируемые, переключаемые поля для таких приложений, как реле и медицинская визуализация. По мере роста спроса на электромобили и возобновляемые источники энергии, а также по мере того, как исследователи разрабатывают альтернативы, не содержащие редкоземельных элементов, и магнитные материалы следующего поколения, магнитная электронная технология станет еще более важной в том, как проектируются и производятся электронные устройства в предстоящие годы.