כיצד מגנטים קבועים שומרים על המגנטיות שלהם?

מגנטים קבועים , הידועים גם כמגנטים קשים, הם חומרים השומרים על המגנטיות שלהם לאורך תקופות ארוכות ללא צורך בשדה מגנטי חיצוני. יכולת זו לשמור על מגנטיות היא תוצאה של המבנה הפנימי הייחודי שלהם והעקרונות הפיזיים השולטים בחומרים מגנטיים. ההבנה כיצד מגנטים קבועים שומרים על המגנטיות שלהם דורשת בחינה של התנהגותם האטומית והתחום, כמו גם את מדעי החומרים העומדים מאחורי העיצוב שלהם.

מגנטיות ברמה האטומית

ברמה האטומית, המגנטיות נובעת מתנועת האלקטרונים. לאלקטרונים יש שני סוגים של תנועה: תנועה מסלולית סביב הגרעין ותנועת סיבוב סביב צירם שלהם. שתי התנועות מייצרות שדות מגנטיים זעירים, המכונה רגעים מגנטיים. ברוב החומרים, הרגעים המגנטיים הללו מכוונים באופן אקראי, מבטלים זה את זה וכתוצאה מכך לא מגנטיות נטו. עם זאת, בחומרים פרומגנטיים (כמו ברזל, ניקל וקובלט), הרגעים המגנטיים של האטומים השכנים מתיישרים באותו כיוון, ויוצרים אזורים עם שדה מגנטי נטו.

תחומים מגנטיים

בחומרים פרומגנטיים, יישור הרגעים המגנטיים האטומיים אינו אחיד על פני כל החומר. במקום זאת, החומר מחולק לאזורים קטנים הנקראים תחומים מגנטיים. בתוך כל תחום, הרגעים המגנטיים מיושרים באותו כיוון, ומעניקים לתחום שדה מגנטי נטו. עם זאת, במצב שאינו מגנט, התחומים עצמם מכוונים באופן אקראי, כך שהחומר בכללותו אינו מציג שדה מגנטי נטו.

כאשר מיושם שדה מגנטי חיצוני על חומר פרומגנטי, התחומים המתוארים עם השדה צומחים בגודל, ואילו אלה שאינם מיושרים מתכווצים. תהליך זה ידוע בשם תנועת קיר דומיין. אם השדה החיצוני חזק מספיק, הוא יכול לגרום לכל התחומים להתאים לאותו כיוון, וכתוצאה מכך שדה מגנטי נטו עבור החומר כולו. לאחר הסרת השדה החיצוני, התחומים נשארים מיושרים בגלל הכפייה הגבוהה של החומר, שהיא ההתנגדות להתארגנות. יישור זה הוא זה שמעניק למגנטים קבועים את יכולתם לשמור על מגנטיות.

היסטריה וכפייה

היכולת של מגנט קבוע לשמור על המגנטיות שלו קשורה קשר הדוק ללולאת ההיסטריזה שלו, שהיא גרף המראה את הקשר בין חוזק השדה המגנטי (H) לצפיפות השטף המגנטי (B) בחומר. לולאת ההיסטריה ממחישה כיצד החומר מגיב לשדה מגנטי חיצוני וכיצד הוא שומר על מגנטציה לאחר הסרת השדה.

מאפיין מרכזי בלולאת ההיסטריה היא הכפייה, שהיא כמות השדה המגנטי הפוך הנדרש כדי להפחית את המגנטציה של החומר לאפס. למגנטים קבועים יש כפיות גבוהות, כלומר הם דורשים שדה הפוך חזק כדי להגדיר אותם. כפייה גבוהה זו היא תוצאה של מבנה הגביש של החומר ונוכחות של פגמים או זיהומים ש'הסיכה 'קירות התחום במקום, ומונעים מכוונון מחדש בקלות.

הרכב חומרים ומיקרו

היכולת של מגנט קבוע לשמור על המגנטיות שלו מושפעת גם מההרכב החומרי ומיקרו -מבנה. חומרי מגנט קבועים נפוצים כוללים פריטס, אלניקו (אלומיניום-ניקל-קובלט), ומגנטים אדמה נדירים כמו Neodymium-Buron-Boron (NDFEB) וסמריום-קובלט (SMCO). לחומרים אלה יש אניסוטרופיה מגנטית גבוהה, כלומר הרגעים המגנטיים שלהם מעדיפים להתיישר לאורך כיוונים קריסטלוגרפיים ספציפיים. אניסוטרופיה זו, בשילוב עם מיקרו-מבנה דק, מסייעת לנעול את התחומים במקום, ומבטיחה כי המגנט ישמור על המגנטיות שלו אפילו בהיעדר שדה חיצוני.

גורמים סביבתיים

בעוד שמגנטים קבועים נועדו לשמור על המגנטיות שלהם, גורמים סביבתיים מסוימים יכולים להשפיע על ביצועיהם. טמפרטורות גבוהות, למשל, יכולות לגרום לאנרגיה התרמית לשבש את יישור התחומים המגנטיים, מה שמוביל לאובדן מגנטיות. סף טמפרטורה זה ידוע כטמפרטורת הקארי, שמעליו החומר מאבד את תכונותיו הפרומגנטיות. הלם מכני, קורוזיה וחשיפה לשדות מגנטיים חיצוניים חזקים יכולים גם להשפיל את ביצועי המגנט לאורך זמן.

מַסְקָנָה

מגנטים קבועים שומרים על המגנטיות שלהם בגלל יישור תחומים מגנטיים בתוך מבנהם, הכפיות הגבוהות ותכונות החומר הנעילות תחומים אלה במקום. יחסי הגומלין של רגעים מגנטיים ברמה האטומית, התנהגות התחום ומדע החומרים מבטיחה כי מגנטים קבועים יכולים לשמור על השדה המגנטי שלהם לאורך תקופות ארוכות. עם זאת, הביצועים שלהם יכולים להיות מושפעים מגורמים סביבתיים, מה שמדגיש את החשיבות של בחירת החומר והעיצוב הנכון ליישומים ספציפיים. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת, פיתוח חומרים מגנטיים חדשים עם כפייה גבוהה יותר ויציבות תרמית ממשיך להרחיב את האפשרויות למגנטים קבועים בענפים שונים.