Hoe behouden permanente magneten hun magnetisme?

Permanente magneten , ook bekend als harde magneten, zijn materialen die hun magnetisme gedurende lange periodes behouden zonder een extern magnetisch veld. Dit vermogen om magnetisme te handhaven is het gevolg van hun unieke interne structuur en de fysieke principes die magnetische materialen regelen. Inzicht in hoe permanente magneten hun magnetisme behouden, vereist een verkenning van hun atoom- en domeinniveau-gedrag, evenals de materiaalwetenschap achter hun ontwerp.

Atomisch niveau magnetisme

Op atoomniveau komt magnetisme voort uit de beweging van elektronen. Elektronen hebben twee soorten beweging: orbitale beweging rond de kern en spinbeweging rond hun eigen as. Beide bewegingen genereren kleine magnetische velden, bekend als magnetische momenten. In de meeste materialen zijn deze magnetische momenten willekeurig georiënteerd, waardoor elkaar wordt geannuleerd en resulterend in geen netto magnetisme. In ferromagnetische materialen (zoals ijzer, nikkel en kobalt) komen echter de magnetische momenten van aangrenzende atomen in dezelfde richting uit, waardoor gebieden met een netto magnetisch veld worden gecreëerd.

Magnetische domeinen

In ferromagnetische materialen is de uitlijning van atomaire magnetische momenten niet uniform over het gehele materiaal. In plaats daarvan is het materiaal verdeeld in kleine gebieden die magnetische domeinen worden genoemd. Binnen elk domein worden de magnetische momenten in dezelfde richting uitgelijnd, waardoor het domein een netto magnetisch veld krijgt. In een niet -geagnetiseerde toestand zijn de domeinen zelf echter willekeurig georiënteerd, dus het materiaal als geheel vertoont geen netto magnetisch veld.

Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangebracht op een ferromagnetisch materiaal, groeien de domeinen die zijn uitgelijnd met het veld in grootte, terwijl die die niet zijn uitgelijnd krimpen. Dit proces staat bekend als domeinwandbeweging. Als het externe veld sterk genoeg is, kan het ervoor zorgen dat alle domeinen in dezelfde richting worden uitgelijnd, wat resulteert in een netto magnetisch veld voor het gehele materiaal. Zodra het externe veld is verwijderd, blijven de domeinen uitgelijnd vanwege de hoge dwang van het materiaal, wat de weerstand is om gedemagnetiseerd te worden. Deze afstemming geeft permanente magneten hun vermogen om magnetisme te behouden.

Hysterese en dwangmatigheid

Het vermogen van een permanente magneet om zijn magnetisme te behouden is nauw verwant aan zijn hysteresislus, een grafiek die de relatie toont tussen de magnetische veldsterkte (H) en de magnetische fluxdichtheid (B) in het materiaal. De hysteresislus illustreert hoe het materiaal reageert op een extern magnetisch veld en hoe het magnetisatie behoudt nadat het veld is verwijderd.

Een belangrijk kenmerk van de hysteresislus is de dwang, de hoeveelheid omgekeerd magnetisch veld dat nodig is om de magnetisatie van het materiaal tot nul te verminderen. Permanente magneten hebben een hoge dwang, wat betekent dat ze een sterk omgekeerd veld nodig hebben om ze te demagnetiseren. Deze hoge coërciviteit is het gevolg van de kristalstructuur van het materiaal en de aanwezigheid van defecten of onzuiverheden die 'pin ' de domeinwanden op hun plaats spelen, waardoor ze niet gemakkelijk kunnen heroriënteren.

Materiaalsamenstelling en microstructuur

Het vermogen van een permanente magneet om zijn magnetisme te behouden, wordt ook beïnvloed door zijn materiaalsamenstelling en microstructuur. Gemeenschappelijke permanente magneetmaterialen omvatten ferrieten, Alnico (aluminium-nickel-cobalt) en zeldzame aarde magneten zoals Neodymium-ijzer-boron (NDFEB) en Samarium-Cobalt (SMCO). Deze materialen hebben een hoge magnetische anisotropie, wat betekent dat hun magnetische momenten de voorkeur geven aan overeenkomst langs specifieke kristallografische richtingen. Deze anisotropie, gecombineerd met een fijnkorrelige microstructuur, helpt de domeinen op hun plaats te vergrendelen, waardoor de magneet zijn magnetisme behoudt, zelfs in afwezigheid van een extern veld.

Omgevingsfactoren

Hoewel permanente magneten zijn ontworpen om hun magnetisme te behouden, kunnen bepaalde omgevingsfactoren hun prestaties beïnvloeden. Hoge temperaturen kunnen bijvoorbeeld ervoor zorgen dat de thermische energie de uitlijning van magnetische domeinen verstoort, wat leidt tot een verlies van magnetisme. Deze temperatuurdrempel staat bekend als de Curie -temperatuur, waarboven het materiaal zijn ferromagnetische eigenschappen verliest. Mechanische schok, corrosie en blootstelling aan sterke externe magnetische velden kunnen ook de prestaties van een magneet in de loop van de tijd afbreken.

Conclusie

Permanente magneten handhaven hun magnetisme vanwege de uitlijning van magnetische domeinen in hun structuur, hoge dwang en materiaaleigenschappen die deze domeinen op hun plaats vergrendelen. Het samenspel van magnetische momenten op atoomniveau, domeingedrag en materiaalwetenschap zorgt ervoor dat permanente magneten hun magnetische veld gedurende lange periodes kunnen behouden. Hun prestaties kunnen echter worden beïnvloed door omgevingsfactoren, wat het belang benadrukt van het selecteren van het juiste materiaal en het ontwerp voor specifieke toepassingen. Naarmate de technologie vordert, blijft de ontwikkeling van nieuwe magnetische materialen met een nog hogere dwang en thermische stabiliteit de mogelijkheden voor permanente magneten in verschillende industrieën uitbreiden.