Cum își mențin magneții permanenți magnetismul?

Magneții permanenți , cunoscuți și sub numele de magneți dure, sunt materiale care își păstrează magnetismul pe perioade lungi, fără a fi nevoie de un câmp magnetic extern. Această abilitate de a menține magnetismul este rezultatul structurii lor interne unice și a principiilor fizice care guvernează materialele magnetice. Înțelegerea modului în care magneții permanenți își păstrează magnetismul necesită o explorare a comportamentului lor atomic și la nivel de domeniu, precum și a științei materialelor din spatele designului lor.

Magnetism la nivel atomic

La nivel atomic, magnetismul apare din mișcarea electronilor. Electronii au două tipuri de mișcare: mișcare orbitală în jurul nucleului și mișcare de rotire în jurul propriei axe. Ambele mișcări generează câmpuri magnetice minuscule, cunoscute sub numele de momente magnetice. În majoritatea materialelor, aceste momente magnetice sunt orientate aleatoriu, anulându -se reciproc și rezultând fără magnetism net. Cu toate acestea, în materialele ferromagnetice (cum ar fi fier, nichel și cobalt), momentele magnetice ale atomilor vecini se aliniază în aceeași direcție, creând regiuni cu un câmp magnetic net.

Domeniile magnetice

În materialele ferromagnetice, alinierea momentelor magnetice atomice nu este uniformă pe întregul material. În schimb, materialul este împărțit în regiuni mici numite domenii magnetice. În cadrul fiecărui domeniu, momentele magnetice sunt aliniate în aceeași direcție, oferind domeniului un câmp magnetic net. Cu toate acestea, într -o stare nemagnetizată, domeniile în sine sunt orientate aleatoriu, astfel încât materialul în ansamblu nu prezintă un câmp magnetic net.

Când un câmp magnetic extern este aplicat pe un material ferromagnetic, domeniile care sunt aliniate cu câmpul cresc ca mărime, în timp ce cele care nu sunt aliniate se micșorează. Acest proces este cunoscut sub numele de mișcare a peretelui de domeniu. Dacă câmpul extern este suficient de puternic, acesta poate determina toate domeniile să se alinieze în aceeași direcție, rezultând un câmp magnetic net pentru întregul material. Odată ce câmpul extern este îndepărtat, domeniile rămân aliniate din cauza coercitivității ridicate a materialului, care este rezistența de a deveni demagnetizată. Această aliniere este ceea ce oferă magneților permanenți capacitatea lor de a păstra magnetismul.

Histereză și coercitivitate

Capacitatea unui magnet permanent de a -și menține magnetismul este strâns legată de bucla sa de histereză, care este un grafic care arată relația dintre rezistența câmpului magnetic (H) și densitatea fluxului magnetic (B) din material. Bucla de histereză ilustrează modul în care materialul răspunde la un câmp magnetic extern și cum păstrează magnetizarea după eliminarea câmpului.

O caracteristică cheie a buclei de histereză este coercitivitatea, care este cantitatea de câmp magnetic invers necesar pentru a reduce magnetizarea materialului la zero. Magneții permanenți au o coercitivitate ridicată, ceea ce înseamnă că necesită un câmp invers puternic pentru a -i demagnetiza. Această coercitivitate ridicată este rezultatul structurii cristaline a materialului și a prezenței defectelor sau a impurităților care 'fixează' pereții domeniului în loc, împiedicându -le să se reorienteze cu ușurință.

Compoziția materialelor și microstructura

Capacitatea unui magnet permanent de a -și păstra magnetismul este influențată și de compoziția și microstructura materială a acestuia. Materialele de magnet permanente comune includ ferite, Alnico (aluminiu-nickel-cobalt) și magneți de pământ rar, cum ar fi neodim-fier-boron (NDFEB) și samarium-cobalt (SMCO). Aceste materiale au o anisotropie magnetică ridicată, ceea ce înseamnă că momentele lor magnetice preferă să se alinieze pe direcții cristalografice specifice. Această anisotropie, combinată cu o microstructura cu granulație fină, ajută la blocarea domeniilor în loc, asigurându-se că magnetul își păstrează magnetismul chiar și în absența unui câmp extern.

Factorii de mediu

În timp ce magneții permanenți sunt concepuți pentru a -și menține magnetismul, anumiți factori de mediu le pot afecta performanța. Temperaturile ridicate, de exemplu, pot determina energia termică să perturbe alinierea domeniilor magnetice, ceea ce duce la pierderea magnetismului. Acest prag de temperatură este cunoscut sub numele de temperatura Curie, peste care materialul își pierde proprietățile ferromagnetice. Șocul mecanic, coroziunea și expunerea la câmpuri magnetice externe puternice pot degrada, de asemenea, performanța unui magnet în timp.

Concluzie

Magneții permanenți își mențin magnetismul datorită alinierii domeniilor magnetice în structura lor, coercitivitatea ridicată și proprietățile materiale care blochează aceste domenii în loc. Interacțiunea momentelor magnetice la nivel atomic, a comportamentului domeniului și a științei materialelor asigură că magneții permanenți își pot păstra câmpul magnetic pe perioade lungi. Cu toate acestea, performanța lor poate fi influențată de factori de mediu, subliniind importanța selectării materialului potrivit și a proiectării pentru aplicații specifice. Pe măsură ce tehnologia avansează, dezvoltarea de noi materiale magnetice cu o coercitivitate și mai mare stabilitate termică continuă să extindă posibilitățile de magneți permanenți în diferite industrii.