Kako trajni magneti održavaju svoj magnetizam?

Stalni magneti , poznati i kao tvrdi magneti, su materijali koji zadržavaju svoj magnetizam u dugim razdobljima bez potrebe za vanjskim magnetskim poljem. Ova sposobnost održavanja magnetizma rezultat je njihove jedinstvene unutarnje strukture i fizičkih principa koji reguliraju magnetske materijale. Razumijevanje kako trajni magneti čuvaju svoj magnetizam zahtijeva istraživanje njihovog atomskog i ponašanja na razini domena, kao i znanosti o materijalima koji stoje iza njihovog dizajna.

Magnetizam na atomskoj razini

Na atomskoj razini magnetizam proizlazi iz kretanja elektrona. Elektroni imaju dvije vrste pokreta: orbitalno kretanje oko jezgre i vrte se kretanje oko vlastite osi. Oba prijedloga stvaraju sićušna magnetska polja, poznata kao magnetski trenuci. U većini materijala ovi su magnetski trenuci nasumično orijentirani, otkazuju jedni druge i rezultirajući neto magnetizmom. Međutim, u feromagnetskim materijalima (poput željeza, nikla i kobalta), magnetski trenuci susjednih atoma poravnavaju se u istom smjeru, stvarajući regije s neto magnetskim poljem.

Magnetske domene

U feromagnetskim materijalima poravnavanje atomskih magnetskih trenutaka nije ujednačeno u cijelom materijalu. Umjesto toga, materijal je podijeljen u male regije koje se nazivaju magnetske domene. Unutar svake domene magnetski trenuci poravnavaju se u istom smjeru, dajući domeni neto magnetsko polje. Međutim, u negnetiziranom stanju, same domene su nasumično orijentirane, tako da materijal u cjelini ne pokazuje neto magnetsko polje.

Kad se vanjsko magnetsko polje primijeni na feromagnetski materijal, domene koje su usklađene s poljem rastu u veličini, dok one koje nisu poravnate. Ovaj je postupak poznat kao pokret zida domene. Ako je vanjsko polje dovoljno jak, može uzrokovati da se sve domene poravnaju u istom smjeru, što rezultira neto magnetskim poljem za cijeli materijal. Jednom kada se vanjsko polje ukloni, domene ostaju usklađene zbog visoke koerciznosti materijala, što je otpor da postane demagnetizirano. Ovo usklađivanje je ono što stalnim magnetima daje njihovu sposobnost zadržavanja magnetizma.

Histereza i koercivnost

Sposobnost trajnog magneta da održava svoj magnetizam usko je povezana s njegovom petljom histereze, što je graf koji pokazuje odnos između čvrstoće magnetskog polja (H) i gustoće magnetskog toka (B) u materijalu. Petlje histereze ilustrira kako materijal reagira na vanjsko magnetsko polje i kako zadržava magnetizaciju nakon uklanjanja polja.

Ključna značajka petlje histereze je koercivnost, što je količina obrnutog magnetskog polja potrebnog za smanjenje magnetizacije materijala na nulu. Stalni magneti imaju visoku koercivnost, što znači da im je potrebno snažno obrnuto polje da bi ih demagnetizirali. Ova visoka koercivnost rezultat je kristalne strukture materijala i prisutnosti oštećenja ili nečistoća koje su 'pin ' zidove domene na mjestu, sprečavajući ih da se lako preusmjeravaju.

Sastav materijala i mikrostruktura

Na sposobnost trajnog magneta da zadržava svoj magnetizam također utječe njegov materijalni sastav i mikrostruktura. Uobičajeni materijali za stalni magnet uključuju ferite, alnico (aluminij-nickel-kobalt) i magnete rijetke zemlje poput neodimij-željezovog-borona (NDFEB) i Samarium-Cobalt (SMCO). Ovi materijali imaju visoku magnetsku anizotropiju, što znači da se njihovi magnetski trenuci radije usklađuju u određenim kristalografskim smjerovima. Ova anizotropija, u kombinaciji s finozrnatom mikrostrukturom, pomaže u zaključavanju domena na mjestu, osiguravajući da magnet zadržava svoj magnetizam čak i u nedostatku vanjskog polja.

Okolišni čimbenici

Iako su trajni magneti dizajnirani za održavanje svog magnetizma, određeni čimbenici okoliša mogu utjecati na njihovu izvedbu. Visoke temperature, na primjer, mogu uzrokovati da toplinska energija poremeti poravnavanje magnetskih domena, što dovodi do gubitka magnetizma. Ovaj temperaturni prag poznat je kao temperatura Curie, iznad koje materijal gubi ferromagnetska svojstva. Mehanički šok, korozija i izloženost jakim vanjskim magnetskim poljima također mogu degradirati performanse magneta tijekom vremena.

Zaključak

Stalni magneti održavaju svoj magnetizam zbog poravnanja magnetskih domena unutar svoje strukture, visoke koercivnosti i svojstava materijala koji ove domene zaključavaju na mjestu. Međusobna interakcija magnetskih trenutaka na atomskoj razini, ponašanja domena i znanosti o materijalima osigurava da trajni magneti mogu zadržati svoje magnetsko polje u dugim razdobljima. Međutim, na njihovu izvedbu mogu utjecati čimbenici okoliša, ističući važnost odabira pravog materijala i dizajna za specifične primjene. Kako tehnologija napreduje, razvoj novih magnetskih materijala s još većom koerciktivnošću i toplinskom stabilnošću i dalje proširuje mogućnosti za trajne magnete u raznim industrijama.