چگونه آهنرباهای دائمی مغناطیس خود را حفظ می کنند؟

آهنرباهای دائمی ، همچنین به عنوان آهنرباهای سخت شناخته می شوند ، موادی هستند که مغناطیس خود را در دوره های طولانی و بدون نیاز به میدان مغناطیسی خارجی حفظ می کنند. این توانایی برای حفظ مغناطیس نتیجه ساختار داخلی منحصر به فرد آنها و اصول فیزیکی حاکم بر مواد مغناطیسی است. دانستن اینکه چگونه آهنرباهای دائمی باعث حفظ مغناطیس خود می شوند ، نیاز به کاوش در رفتار اتمی و دامنه آنها و همچنین علم مواد در پشت طراحی آنها دارد.

مغناطیسی در سطح اتمی

در سطح اتمی ، مغناطیس از حرکت الکترون ها ناشی می شود. الکترون ها دو نوع حرکت دارند: حرکت مداری در اطراف هسته و حرکت چرخش در اطراف محور خود. هر دو حرکات میدان های مغناطیسی ریز و درشت ایجاد می کنند ، معروف به لحظات مغناطیسی. در بیشتر مواد ، این لحظه های مغناطیسی به طور تصادفی گرا هستند و یکدیگر را لغو می کنند و منجر به هیچ مغناطیسی خالص نمی شوند. با این حال ، در مواد فرومغناطیسی (مانند آهن ، نیکل و کبالت) ، لحظات مغناطیسی اتم های همسایه در همان جهت تراز می شوند و مناطقی را با میدان مغناطیسی خالص ایجاد می کنند.

دامنه های مغناطیسی

در مواد فرومغناطیسی ، تراز لحظه های مغناطیسی اتمی در کل مواد یکنواخت نیست. در عوض ، این مواد به مناطق کوچکی به نام دامنه های مغناطیسی تقسیم می شوند. در هر دامنه ، لحظات مغناطیسی در همان جهت تراز می شوند و به دامنه میدان مغناطیسی خالص می دهند. با این حال ، در یک حالت غیرمترقبه ، خود دامنه ها به طور تصادفی گرا هستند ، بنابراین مواد به عنوان یک کل یک میدان مغناطیسی خالص را نشان نمی دهند.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی روی یک ماده فرومغناطیسی اعمال می شود ، دامنه هایی که با میدان هماهنگ هستند در اندازه رشد می کنند ، در حالی که آنهایی که تراز نشده اند. این فرایند به عنوان حرکت دیوار دامنه شناخته می شود. اگر میدان خارجی به اندازه کافی قوی باشد ، می تواند باعث شود همه دامنه ها در یک جهت تراز شوند و در نتیجه یک میدان مغناطیسی خالص برای کل مواد ایجاد شود. پس از برداشتن میدان خارجی ، دامنه ها به دلیل فشار زیاد مواد ، که مقاومت در برابر دفع عوام است ، تراز می شوند. این تراز همان چیزی است که به آهنرباهای دائمی توانایی خود را برای حفظ مغناطیس می دهد.

هیسترزیس و اجبار

توانایی یک آهنربای دائمی برای حفظ مغناطیس آن از نزدیک با حلقه هیسترزیس آن ارتباط دارد ، که نمودار است که رابطه بین قدرت میدان مغناطیسی (H) و چگالی شار مغناطیسی (B) را در مواد نشان می دهد. حلقه هیسترزیس نشان می دهد که چگونه مواد به یک میدان مغناطیسی خارجی پاسخ می دهند و چگونه می توان مغناطیس را پس از برداشتن میدان حفظ کرد.

یکی از ویژگی های اصلی حلقه هیسترزیس ، اجبار است که مقدار میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز برای کاهش مغناطش مواد به صفر است. آهنرباهای دائمی دارای قدرت بالایی هستند ، به این معنی که برای عواملی برای عوامل معکوس به یک میدان معکوس قوی نیاز دارند. این فشار زیاد نتیجه ساختار کریستالی مواد و وجود نقص یا ناخالصی است که 'پین' دیوارهای دامنه موجود در آن ، مانع از تغییر مکان مجدد آنها می شود.

ترکیب مواد و ریزساختار

توانایی یک آهنربای دائمی برای حفظ مغناطیس آن نیز تحت تأثیر ترکیب مواد و ریزساختار آن است. مواد آهنربای دائمی متداول شامل فریت ها ، آلنیکو (آلومینیوم-نیکل-کبالت) و آهنرباهای دارای زمین نادر مانند نئودیمیوم-آهن-بورون (NDFEB) و ساماریوم-کبالت (SMCO) است. این مواد دارای ناهمسانگردی مغناطیسی بالایی هستند ، به این معنی که لحظات مغناطیسی آنها ترجیح می دهند در جهت های کریستالوگرافی خاص تراز شوند. این ناهمسانگردی ، همراه با ریزساختار ریز دانه ، به قفل کردن دامنه ها در محل کمک می کند و اطمینان می دهد که آهنربا حتی در صورت عدم وجود یک میدان خارجی ، مغناطیس خود را حفظ می کند.

عوامل محیطی

در حالی که آهنرباهای دائمی برای حفظ مغناطیس خود طراحی شده اند ، برخی از عوامل محیطی می توانند بر عملکرد آنها تأثیر بگذارند. به عنوان مثال ، درجه حرارت بالا می تواند باعث ایجاد انرژی حرارتی در تراز دامنه های مغناطیسی شود و منجر به از بین رفتن مغناطیس شود. این آستانه دما به عنوان دمای کوری شناخته می شود که در بالای آن ماده خواص فرومغناطیسی خود را از دست می دهد. شوک مکانیکی ، خوردگی و قرار گرفتن در معرض میدان های مغناطیسی خارجی قوی همچنین می تواند عملکرد آهنربا را با گذشت زمان کاهش دهد.

پایان

آهنرباهای دائمی به دلیل تراز دامنه های مغناطیسی در ساختار ، سرپرستی زیاد و خاصیت مواد که این دامنه ها را در جای خود قفل می کنند ، مغناطیس خود را حفظ می کنند. تعامل لحظات مغناطیسی در سطح اتمی ، رفتار دامنه و علم مواد تضمین می کند که آهنرباهای دائمی می توانند میدان مغناطیسی خود را در دوره های طولانی حفظ کنند. با این حال ، عملکرد آنها می تواند تحت تأثیر عوامل محیطی باشد ، و اهمیت انتخاب مواد مناسب و طراحی برای برنامه های خاص را برجسته می کند. با پیشرفت فناوری ، توسعه مواد مغناطیسی جدید با فشار حتی بالاتر و ثبات حرارتی همچنان به گسترش امکانات آهنرباهای دائمی در صنایع مختلف ادامه می دهد.