Jak si trvalé magnety udržují svůj magnetismus?

Trvalé magnety , známé také jako tvrdé magnety, jsou materiály, které si udržují svůj magnetismus po dlouhou dobu bez potřeby vnějšího magnetického pole. Tato schopnost udržovat magnetismus je výsledkem jejich jedinečné vnitřní struktury a fyzických principů upravujících magnetické materiály. Pochopení toho, jak trvalé magnety udržují svůj magnetismus, vyžaduje zkoumání jejich atomového a doménového chování, jakož i vědy o materiálech za jejich designem.

Magnetismus na atomové úrovni

Na atomové úrovni vzniká magnetismus z pohybu elektronů. Elektrony mají dva typy pohybu: orbitální pohyb kolem jádra a roztočení pohybu kolem jejich vlastní osy. Obě pohyby generují malá magnetická pole, známá jako magnetické momenty. Ve většině materiálů jsou tyto magnetické momenty náhodně orientovány, navzájem se ruší a nevedou k žádnému čistému magnetismu. Ve feromagnetických materiálech (jako je železo, nikl a kobalt) však magnetické momenty sousedních atomů zarovnávají stejným směrem a vytvářejí oblasti s čistým magnetickým polem.

Magnetické domény

Ve feromagnetických materiálech není vyrovnání atomových magnetických momentů v celém materiálu jednotné. Místo toho je materiál rozdělen do malých oblastí zvaných magnetické domény. V každé doméně jsou magnetické momenty vyrovnány stejným směrem, což dává doméně čisté magnetické pole. Avšak v nemagnetizovaném stavu jsou samotné domény náhodně orientovány, takže materiál jako celek nevykazuje čisté magnetické pole.

Když je na feromagnetickém materiálu aplikováno vnější magnetické pole, domény, které jsou zarovnány s pole, rostou velikost, zatímco ty, které nejsou zarovnány, se zmenšují. Tento proces je známý jako pohyb stěny domény. Pokud je vnější pole dostatečně silné, může způsobit, že se všechny domény vyrovná ve stejném směru, což má za následek čisté magnetické pole pro celý materiál. Jakmile je vnější pole odstraněno, domény zůstávají zarovnány kvůli vysoké donucování materiálu, což je odolnost vůči demagnetizovanému. Toto zarovnání dává permanentním magnetům jejich schopnost udržet magnetismus.

Hystereze a donucovací

Schopnost permanentního magnetu udržovat svůj magnetismus úzce souvisí s jeho hysterezní smyčkou, což je graf, který ukazuje vztah mezi pevností magnetického pole (H) a hustotou magnetického toku (B) v materiálu. Hysterezní smyčka ilustruje, jak materiál reaguje na vnější magnetické pole a jak si zachovává magnetizaci po odstranění pole.

Klíčovým rysem smyčky hystereze je donucovací, což je množství reverzního magnetického pole potřebného ke snížení magnetizace materiálu na nulu. Trvalé magnety mají vysokou donucovací, což znamená, že k jejich demagnetizaci vyžadují silné reverzní pole. Tato vysoká koercivita je výsledkem krystalové struktury materiálu a přítomnosti defektů nebo nečistot, které 'pin ' doménové stěny na místě, což jim brání v snadno přehodnocení.

Složení materiálu a mikrostruktura

Schopnost permanentního magnetu udržovat svůj magnetismus je také ovlivněna jeho složením materiálu a mikrostrukturou. Mezi běžné permanentní magnetické materiály patří ferity, alnico (hliník-nickel-cobalt) a magnety vzácných země, jako je neodymium-iron-boor (NDFEB) a samarium-cobalt (SMCO). Tyto materiály mají vysokou magnetickou anizotropii, což znamená, že jejich magnetické momenty upřednostňují vyrovnání specifických krystalografických směrů. Tato anizotropie, kombinovaná s jemnozrnnou mikrostrukturou, pomáhá zamknout domény na místě a zajistit, aby si magnet zachoval svůj magnetismus i v nepřítomnosti vnějšího pole.

Environmentální faktory

Zatímco permanentní magnety jsou navrženy tak, aby udržovaly svůj magnetismus, některé environmentální faktory mohou ovlivnit jejich výkon. Například vysoké teploty mohou způsobit narušení tepelné energie zarovnání magnetických domén, což vede ke ztrátě magnetismu. Tento prahová hodnota teploty je známá jako teplota Curie, nad níž materiál ztrácí své feromagnetické vlastnosti. Mechanický šok, koroze a expozice silným vnějším magnetickým polím mohou také v průběhu času zhoršovat výkon magnetu.

Závěr

Trvalé magnety udržují svůj magnetismus v důsledku zarovnání magnetických domén v jejich struktuře, vysoké donucovací a materiálové vlastnosti, které tyto domény zamknou na místě. Souhra magnetických momentů na atomové úrovni, chování domény a vědy o materiálu zajišťuje, že trvalé magnety si mohou po dlouhou dobu udržet své magnetické pole. Jejich výkon však může být ovlivněn faktory prostředí, což zdůrazňuje důležitost výběru správného materiálu a designu pro konkrétní aplikace. Jak technologie postupuje, vývoj nových magnetických materiálů s ještě vyšší donucovací a tepelnou stabilitou nadále rozšiřuje možnosti trvalých magnetů v různých průmyslových odvětvích.