Kuidas püsivad magnetid oma magnetismi säilitavad?

Püsimagnetid , tuntud ka kui kõvade magnetite, on materjalid, mis säilitavad oma magnetilisuse pika aja jooksul ilma välise magnetvälja vajaduseta. See magnetismi säilitamisvõime on nende ainulaadse sisemise struktuuri ja magnetiliste materjale reguleerivate füüsiliste põhimõtete tulemus. Püsivate magnetiliste magnetilisuse mõistmine nõuab nende aatom- ja domeeni taseme käitumise uurimist, aga ka nende disaini taga olevat materjaliteadust.

Aatomitaseme magnetism

Aatomitasandil tuleneb magnetism elektronide liikumisest. Elektronitel on kahte tüüpi liikumine: orbitaalliikumine ümber tuuma ja keerutus liikumine ümber oma telje. Mõlemad liikumised tekitavad pisikesi magnetvälju, mida tuntakse kui magnetmomente. Enamikus materjalides on need magnetilised hetked juhuslikult orienteeritud, tühistades üksteist ja mille tulemuseks pole netomagnetismi. Ferromagnetilistes materjalides (näiteks rauda, ​​nikkel ja koobalt) jooksevad naabruses asuvate aatomite magnetmomendid samas suunas, luues piirkonnad, millel on neto magnetvälja.

Magnetilised domeenid

Ferromagnetilistes materjalides ei ole aatommagnetmomentide joondamine kogu materjali jooksul ühtlane. Selle asemel jaguneb materjal väikesteks piirkondadeks, mida nimetatakse magnetilisteks domeenideks. Igas domeenis joondatakse magnetmomendid samas suunas, andes domeenile võrgumagnetvälja. Kuid vaieldamatu olekus on domeenid ise juhuslikult orienteeritud, nii et materjal tervikuna ei esine neto magnetvälja.

Kui ferromagnetilisele materjalile rakendatakse välist magnetvälja, kasvavad väljaga joondatud domeenid, samas kui need, mis ei ole joondatud. Seda protsessi nimetatakse domeeni seina liikumiseks. Kui väline väli on piisavalt tugev, võib see põhjustada kõigi domeenide samas suunas joondamise, mille tulemuseks on kogu materjali neto magnetväli. Kui väline väli on eemaldatud, jäävad domeenid materjali kõrge sunniviisi tõttu joondatud, mis on vastupanu demagnetiseerimisele. See joondamine annab püsimagnetidele nende võime säilitada magnetismi.

Hüsterees ja sunniviisilisus

Püsiva magneti võime säilitada oma magnetismi on tihedalt seotud selle hüstereesisilmusega, mis on graafik, mis näitab seost materjali magnetvälja tugevuse (H) ja magnetvoo tiheduse (B) vahel. Hüstereesisilm illustreerib, kuidas materjal reageerib välisele magnetväljale ja kuidas see säilitab magnetiseerimise pärast välja eemaldamist.

Hüstereesisilmuse põhiomadus on sunniviisiline, mis on vastupidise magnetvälja kogus, mis on vajalik materjali magnetiseerimise vähendamiseks nullini. Püsimagnetitel on kõrge sunniviisiline, mis tähendab, et need vajavad nende demagnetiseerimiseks tugevat tagurpidi. See kõrge sunniviisilisus on tingitud materjali kristallstruktuurist ja defektide või lisandite olemasolust, mis 'pin' domeeni seinad paigas, takistades neil hõlpsasti ümberkorraldamist.

Materiaalne koostis ja mikrostruktuur

Püsiva magneti võimet säilitada oma magnetismi mõjutab ka selle materjal koostis ja mikrostruktuur. Levinumad püsimagnetimaterjalid hõlmavad ferriidid, alnico (alumiinium-nikkel-cobalt) ja haruldaste maamagnetite nagu neodüüm-rad-booron (NDFEB) ja Samarium-Cobalt (SMCO). Nendel materjalidel on kõrge magnetiline anisotroopia, mis tähendab, et nende magnetmomendid eelistavad joondada konkreetseid kristallograafilisi suunda. See anisotroopia koos peeneteralise mikrostruktuuriga aitab domeenid oma kohale lukustada, tagades, et magnet säilitab oma magnetismi isegi välise välja puudumisel.

Keskkonnategurid

Kuigi püsimagnetid on loodud oma magnetismi säilitamiseks, võivad teatud keskkonnategurid mõjutada nende jõudlust. Näiteks kõrge temperatuur võib põhjustada soojusenergiat magnetiliste domeenide joondamise häirimise, põhjustades magnetismi kadu. Seda temperatuuriläve on tuntud kui kurie temperatuur, mille kohal materjal kaotab oma ferromagnetilised omadused. Mehaaniline šokk, korrosioon ja kokkupuude tugevate väliste magnetväljadega võivad ka magneti jõudlust aja jooksul halvendada.

Järeldus

Püsimagnetid säilitavad oma magnetismi magnetiliste domeenide joondamise tõttu nende struktuuris, kõrge sunniviisilisuse ja materjali omaduste piires, mis lukustavad need domeenid paika. Aatomitasemel magnetmomentide, domeeni käitumise ja materiaalse teaduse koosmõju tagab, et püsimagnetid suudavad oma magnetvälja pikka aega säilitada. Nende jõudlust võivad siiski mõjutada keskkonnategurid, rõhutades konkreetsete rakenduste jaoks sobiva materjali ja disaini valimise olulisust. Tehnoloogia edenedes jätkub uute magnetiliste materjalide arendamine ja termiline stabiilsus jätkuvalt püsimagnetite võimaluste laiendamist erinevates tööstusharudes.