Kuinka pysyvät magneetit säilyttävät magneettiansa?

Pysyvät magneetit , jotka tunnetaan myös nimellä kovamagneetti, ovat materiaaleja, jotka säilyttävät magneettiansa pitkään ilman ulkoista magneettikenttää. Tämä kyky ylläpitää magnetismia on seurausta heidän ainutlaatuisesta sisäisestä rakenteestaan ​​ja magneettisia materiaaleja koskevista fyysisistä periaatteista. Ymmärtäminen, kuinka pysyvät magneettit pitävät heidän magneettiansa, vaatii heidän atomi- ja verkkotunnuksen tason käyttäytymisensä sekä suunnittelun takana olevan materiaalitieteen.

Atomitason magnetismi

Atomitasolla magnetismi johtuu elektronien liikkeestä. Elektroneilla on kahta liiketyyppiä: kiertoradan liike ytimen ympärillä ja spin -liikkeen oman akselinsa ympärillä. Molemmat liikkeet tuottavat pieniä magneettikenttiä, jotka tunnetaan nimellä magneettiset momentit. Useimmissa materiaaleissa nämä magneettiset momentit ovat satunnaisesti suuntautuneita, peruuttavat toiset ja johtavat nettomagnetismiin. Kuitenkin ferromagneettisissa materiaaleissa (kuten rauta, nikkeli ja koboltti) naapuriatomien magneettiset momentit kohdistuvat kuitenkin samaan suuntaan luomalla alueet nettomagneettikentällä.

Magneettiset domeenit

Ferromagneettisissa materiaaleissa atomien magneettisten momenttien kohdistus ei ole tasainen koko materiaalissa. Sen sijaan materiaali on jaettu pieniin alueisiin, joita kutsutaan magneettisiin domeeneihin. Jokaisella alueella magneettiset momentit kohdistuvat samaan suuntaan, mikä antaa verkkotunnuksen nettomagneettikentän. Magnetoimattomassa tilassa domeenit ovat kuitenkin satunnaisesti suuntautuneita, joten kokonaisuutena materiaalilla ei ole nettomagneettikenttää.

Kun ulkoinen magneettikenttä levitetään ferromagneettiseen materiaaliin, kentän kanssa kohdistetut domeenit kasvavat kooltaan, kun taas ne, jotka eivät ole linjassa kutistuneet. Tätä prosessia kutsutaan verkkotunnuksen seinämäliikkeeksi. Jos ulkoinen kenttä on riittävän vahva, se voi aiheuttaa kaikkien domeenien kohdistamisen samaan suuntaan, mikä johtaa koko materiaalin nettomagneettikentään. Kun ulkoinen kenttä on poistettu, domeenit pysyvät linjassa materiaalin korkean pakkollisuuden vuoksi, mikä on vastus demagnetoida. Tämä kohdistus antaa pysyvälle magneetteille niiden kyvyn säilyttää magneettisuus.

Hystereesi ja pakkollisuus

Pysyvän magneetin kyky ylläpitää sen magnetismia liittyy läheisesti sen hystereesisilmukkaan, joka on kuvaaja, joka näyttää magneettikentän lujuuden (H) ja magneettisen vuon tiheyden (b) välisen suhteen materiaalissa. Hystereesin silmukka kuvaa kuinka materiaali reagoi ulkoiseen magneettikenttään ja miten se säilyttää magnetoinnin kentän poistamisen jälkeen.

Hystereesin silmukan keskeinen piirre on pakkollisuus, joka on käänteisen magneettikentän määrä, jota tarvitaan materiaalin magnetoinnin vähentämiseksi nollaan. Pysyvillä magneeteilla on korkea pakkollisuus, mikä tarkoittaa, että ne vaativat vahvan käänteisen kentän niiden demagnetisoimiseksi. Tämä korkea pakkollisuus on seurausta materiaalin kiderakenteesta ja vikojen tai epäpuhtauksien esiintymisestä, jotka 'nasta' verkkotunnuksen seinät ovat paikoillaan, estäen niitä helposti uudelleensuuntaamasta.

Materiaalikoostumus ja mikrorakenne

Pysyvän magneetin kykyä säilyttää sen magneettisuus vaikuttaa myös sen materiaalikoostumus ja mikrorakenne. Yleisiä pysyviä magneettimateriaaleja ovat ferriitit, alnico (alumiini-nickel-cobalt) ja harvinaisten maametallien magneetit, kuten neodyymi-rauta-boori (NDFEB) ja samarium-cobalt (SMCO). Näillä materiaaleilla on korkea magneettinen anisotropia, mikä tarkoittaa heidän magneettisia momentteja mieluummin tiettyjen kristallografisten suuntien mukaisesti. Tämä anisotropia yhdistettynä hienorakeiseen mikrorakenteeseen auttaa lukitsemaan domeenit paikoilleen varmistaen, että magneetti säilyttää magnetisminsa edes ulkoisen kentän puuttuessa.

Ympäristötekijät

Vaikka pysyvät magneetit on suunniteltu ylläpitämään magneettisuuttaan, tietyt ympäristötekijät voivat vaikuttaa niiden suorituskykyyn. Esimerkiksi korkeat lämpötilat voivat aiheuttaa lämpöenergian häiritsemään magneettisten domeenien kohdistusta, mikä johtaa magneettisuuden menetykseen. Tämä lämpötilakynnys tunnetaan Curien lämpötilana, jonka yläpuolella materiaali menettää ferromagneettiset ominaisuutensa. Mekaaninen isku, korroosio ja altistuminen vahvoille ulkoisille magneettikentälle voivat myös heikentää magneetin suorituskykyä ajan myötä.

Johtopäätös

Pysyvät magneetit ylläpitävät magneettisuuttaan johtuen magneettisten domeenien kohdistamisesta niiden rakenteessa, suuressa pakkoutumisessa ja materiaaliominaisuuksissa, jotka lukitsevat nämä domeenit paikoilleen. Atomitason magneettisten momenttien, verkkotunnuksen käyttäytymisen ja materiaalitieteen vuorovaikutus varmistaa, että pysyvät magneettit voivat säilyttää magneettikentänsä pitkään. Ympäristötekijät voivat kuitenkin vaikuttaa niiden suorituskykyyn, mikä korostaa oikean materiaalin ja suunnittelun valitsemisen merkitystä tietyille sovelluksille. Teknologian edistyessä uusien magneettisten materiaalien kehittäminen, joilla on vielä korkeampi pakkollisuus ja lämpöstabiilisuus, laajentaa edelleen pysyvien magneettien mahdollisuuksia eri toimialoilla.