Hogyan tartják fenn az állandó mágnesek mágnesességüket?

Az állandó mágnesek , más néven kemény mágnesek, olyan anyagok, amelyek hosszú ideig megőrzik mágnesességüket, anélkül, hogy külső mágneses mezőre lenne szükség. Ez a mágnesesség fenntartásának képessége egyedi belső struktúrájuk és a mágneses anyagokat szabályozó fizikai alapelvek eredménye. Annak megértése, hogy az állandó mágnesek miként tartják meg mágnesességüket, megköveteli az atomi és domainszintű viselkedésük, valamint a tervezés mögött meghúzódó anyagtudomány feltárását.

Atomszintű mágnesesség

Atomi szinten a mágnesesség az elektronok mozgásából származik. Az elektronok kétféle mozgással rendelkeznek: az orbitális mozgás a mag körül, és a centrifugálás a saját tengelyük körül. Mindkét mozgás apró mágneses tereket generál, mágneses momentumok néven. A legtöbb anyagban ezek a mágneses momentumok véletlenszerűen orientálódnak, megszüntetve egymást, és nettó mágnesességet eredményeznek. A ferromágneses anyagokban (például vas, nikkel és kobalt) azonban a szomszédos atomok mágneses momentumai ugyanabba az irányba igazodnak, és a nettó mágneses mezővel rendelkező régiókat hoznak létre.

Mágneses tartományok

A ferromágneses anyagokban az atommágneses momentumok igazítása nem egységes az egész anyagban. Ehelyett az anyagot mágneses doméneknek nevezett kis régiókra osztják. Az egyes tartományokon belül a mágneses momentumok ugyanabba az irányba vannak igazítva, így a domainnek nettó mágneses mezőt adnak. Ugyanakkor egy nem mágnesezett állapotban a domainek véletlenszerűen orientálódnak, tehát az anyag egésze nem mutat nettó mágneses mezőt.

Ha egy külső mágneses mezőt alkalmaznak egy ferromágneses anyagra, akkor a mezőhöz igazodó domének méretükben növekednek, míg azok, amelyek nem igazodnak, zsugorodnak. Ezt a folyamatot domain falmozgásnak nevezik. Ha a külső mező elég erős, akkor az összes domain ugyanabba az irányba igazodhat, ami a teljes anyag nettó mágneses mezőjét eredményezheti. Miután a külső mezőt eltávolították, a domének az anyag magas erőteljes képességének köszönhetően továbbra is igazodnak, ami ellenállást jelent a mágnesessé. Ez az igazítás adja az állandó mágnesek képességét a mágnesesség megőrzésére.

Hiszterézis és kényszeríthetőség

Az állandó mágnes képessége mágnesességének fenntartására szorosan kapcsolódik a hiszterézishurokhoz, amely egy grafikon, amely megmutatja a mágneses mező szilárdságának (H) és az anyag mágneses fluxussűrűségének (B) közötti kapcsolatát. A hiszterézis hurok szemlélteti, hogy az anyag hogyan reagál a külső mágneses mezőre, és hogyan tartja meg a mágnesezést a mező eltávolítása után.

A hiszterézis hurok egyik legfontosabb jellemzője a kényszerítő képesség, amely az anyag mágnesezésének nullára történő csökkentéséhez szükséges fordított mágneses mező mennyisége. Az állandó mágnesek magas erővel bírnak, vagyis erős fordított mezőre van szükségük a demagnetizáláshoz. Ez a magas erőteljesség az anyag kristályszerkezetének és azoknak a hibáknak vagy szennyeződéseknek a következménye, amelyek a domain falai a helyükön vannak, megakadályozva őket, hogy könnyen átgondolják őket.

Anyagösszetétel és mikroszerkezet

Az állandó mágnes azon képességét, hogy megőrizze mágnesességét, az anyagösszetétel és a mikroszerkezet is befolyásolja. Általános állandó mágneses anyagok közé tartozik a ferritek, az alinikó (alumínium-nickel-kobalt) és a ritka föld mágnesek, például a neodímium-vas-boron (NDFEB) és a Samarium-Cobalt (SMCO). Ezeknek az anyagoknak a mágneses anizotrópiája van, azaz mágneses momentumaik inkább a meghatározott kristálylográfiai irányokhoz igazodnak. Ez az anizotropia és a finom szemcsés mikroszerkezet kombinálva elősegíti a domainek rögzítését, biztosítva, hogy a mágnes még külső mező hiányában is megőrizze mágnesességét.

Környezeti tényezők

Míg az állandó mágneseket úgy tervezték, hogy megőrizzék mágnesességüket, bizonyos környezeti tényezők befolyásolhatják teljesítményüket. Például a magas hőmérsékletek miatt a hőtörvény megzavarhatja a mágneses domének igazítását, ami a mágnesesség elvesztéséhez vezethet. Ezt a hőmérsékleti küszöböt Curie -hőmérsékletnek nevezik, amely felett az anyag elveszíti a ferromágneses tulajdonságait. A mechanikai sokk, a korrózió és az erős külső mágneses mezőknek való kitettség szintén ronthatja a mágnes teljesítményét az idő múlásával.

Következtetés

Az állandó mágnesek megőrzik mágnesességüket, mivel a mágneses domének szerkezetükön belül igazodnak, a nagy hangsúlyosság és az anyagtulajdonságok, amelyek ezeket a domaineket rögzítik. Az atomszintű mágneses momentumok, a domén viselkedése és az anyagtudomány kölcsönhatása biztosítja, hogy az állandó mágnesek hosszú ideig megőrizhessék mágneses mezőt. Teljesítményüket azonban a környezeti tényezők befolyásolhatják, kiemelve annak fontosságát, hogy a megfelelő anyagot és a kialakítást meghatározzák az egyes alkalmazásokhoz. A technológia fejlődésével az új mágneses anyagok fejlesztése, amelyek még magasabb erőstabilitással és hőstabilitással rendelkeznek, továbbra is bővíti a különféle iparágakban az állandó mágnesek lehetőségeit.