W jaki sposób magnesy trwałe utrzymują swój magnetyzm?

Magnesy stałe , znane również jako twarde magnesy, to materiały, które zachowują swój magnetyzm przez długi czas bez potrzeby zewnętrznego pola magnetycznego. Ta zdolność do utrzymania magnetyzmu jest wynikiem ich unikalnej struktury wewnętrznej i fizycznych zasad zarządzających materiałami magnetycznymi. Zrozumienie, w jaki sposób stałe magnesy zachowują swój magnetyzm, wymaga eksploracji ich zachowań atomowych i domeny, a także materiałów materiałowych stojących za ich projektem.

Magnetyzm na poziomie atomowym

Na poziomie atomowym magnetyzm wynika z ruchu elektronów. Elektrony mają dwa rodzaje ruchu: ruch orbitalny wokół jądra i ruch obrotowy wokół własnej osi. Oba ruchy generują małe pola magnetyczne, znane jako momenty magnetyczne. W większości materiałów te magnetyczne momenty są losowo zorientowane, anulując się nawzajem i powodując nie ma magnetyzm netto. Jednak w materiałach ferromagnetycznych (takich jak żelazo, nikiel i kobalt) momenty magnetyczne sąsiednich atomów wyrównają się w tym samym kierunku, tworząc regiony z netto polem magnetycznym.

Domeny magnetyczne

W materiałach ferromagnetycznych wyrównanie atomowych momentów magnetycznych nie jest jednolite w całym materiale. Zamiast tego materiał jest podzielony na małe regiony zwane domenami magnetycznymi. W każdej dziedzinie momenty magnetyczne są wyrównane w tym samym kierunku, nadając domenę netto magnetyczne. Jednak w stanie niezmagnetyzowanym same domeny są losowo zorientowane, więc materiał jako całość nie wykazuje netto pola magnetycznego.

Gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest nakładane do materiału ferromagnetycznego, domeny, które są wyrównane z polem, rosną, podczas gdy te, które nie są wyrównane. Proces ten jest znany jako ruch ściany domeny. Jeśli pole zewnętrzne jest wystarczająco silne, może spowodować wyrównanie wszystkich domen w tym samym kierunku, co powoduje pole magnetyczne netto dla całego materiału. Po usunięciu pola zewnętrznego domeny pozostają wyrównane ze względu na wysoką przymus materiału, co stanowi odporność na demagnetyzowanie. To wyrównanie jest tym, co daje stałe magnesy ich zdolności do zachowania magnetyzmu.

Histereza i przymus

Zdolność stałego magnesu do utrzymania jego magnetyzmu jest ściśle powiązana z pętlą histerezy, która jest wykresem, który pokazuje związek między wytrzymałością pola magnetycznego (H) a gęstością strumienia magnetycznego (B) w materiale. Pętla histerezy ilustruje, w jaki sposób materiał reaguje na zewnętrzne pole magnetyczne i jak zachowuje magnesowanie po usunięciu pola.

Kluczową cechą pętli histerezy jest przymus, czyli ilość odwrotnego pola magnetycznego wymagana do zmniejszenia magnetyzacji materiału do zera. Magnesy stałe mają wysoką przymus, co oznacza, że ​​wymagają silnego pola odwrotnego, aby je demagnetyzować. Ta wysoka przymus jest wynikiem struktury krystalicznej materiału i obecności defektów lub zanieczyszczeń, które „przypinają ściany domeny na miejscu, uniemożliwiając im łatwe reorientowanie.

Skład materiału i mikrostruktura

Na zdolność magnesu stałego do zachowania jego magnetyzmu ma również wpływ jego skład materiału i mikrostruktura. Wspólne materiały na stałe magnes obejmują ferryty, Alnico (aluminium-nickel-cobalt) i magnesy rzadkie, takie jak neodymu-żelazo-boron (NDFEB) i samarium-cobalt (SMCO). Materiały te mają wysoką anizotropię magnetyczną, co oznacza, że ​​ich momenty magnetyczne wolą wyrównać określone kierunki krystalograficzne. Ta anizotropia, w połączeniu z drobnoziarnistą mikrostrukturą, pomaga zablokować domeny na miejscu, zapewniając, że magnes zachowuje swój magnetyzm nawet przy braku pola zewnętrznego.

Czynniki środowiskowe

Podczas gdy magnesy stałe są zaprojektowane w celu utrzymania ich magnetyzmu, niektóre czynniki środowiskowe mogą wpływać na ich wydajność. Na przykład wysokie temperatury mogą spowodować, że energia cieplna zakłóca wyrównanie domen magnetycznych, co prowadzi do utraty magnetyzmu. Ten próg temperatury jest znany jako temperatura curie, powyżej której materiał traci właściwości ferromagnetyczne. Wstrząs mechaniczny, korozja i ekspozycja na silne zewnętrzne pola magnetyczne mogą również z czasem degradować wydajność magnesu.

Wniosek

Magnesy stałe utrzymują swój magnetyzm ze względu na wyrównanie domen magnetycznych w ich strukturze, wysokiej pomocy i właściwości materiału, które blokują te domeny na miejscu. Wspraczeniowe momenty magnetyczne na poziomie atomowym, zachowanie domen i nauki materialne zapewnia, że ​​magnesy stałe mogą zachować pole magnetyczne przez długi czas. Jednak na ich wydajność mogą mieć wpływ czynniki środowiskowe, podkreślając znaczenie wyboru odpowiedniego materiału i projektu dla określonych zastosowań. Wraz z postępem technologii rozwój nowych materiałów magnetycznych o jeszcze wyższej pomocy i stabilności termicznej nadal rozszerza możliwości magnesów stałych w różnych branżach.