Kako trajni magneti ohranjajo svoj magnetizem?

Stalni magneti , znani tudi kot trdi magneti, so materiali, ki ohranjajo svoj magnetizem v dolgih obdobjih, ne da bi potrebovali zunanje magnetno polje. Ta sposobnost vzdrževanja magnetizma je posledica njihove edinstvene notranje strukture in fizičnih načel, ki urejajo magnetne materiale. Razumevanje, kako trajni magneti ohranjajo svoj magnetizem, zahteva raziskovanje njihovega atomskega in domenskega vedenja, pa tudi znanost o materialih, ki stojijo za njihovo zasnovo.

Magnetizem atomske ravni

Na atomski ravni magnetizem izhaja iz gibanja elektronov. Elektroni imajo dve vrsti gibanja: orbitalno gibanje okoli jedra in vrtenje gibanja okoli lastne osi. Oba gibanja ustvarjata drobna magnetna polja, znana kot magnetni trenutki. V večini materialov so ti magnetni trenutki naključno usmerjeni, se medsebojno odpovedujejo in ne povzročijo neto magnetizma. Vendar se v feromagnetnih materialih (kot so železo, nikelj in kobalt) magnetni trenutki sosednjih atomov poravnajo v isti smeri in ustvarjajo območja z neto magnetnim poljem.

Magnetne domene

V feromagnetnih materialih poravnava atomskih magnetnih trenutkov ni enakomerna v celotnem materialu. Namesto tega je material razdeljen na majhne regije, imenovane magnetne domene. Znotraj vsake domene so magnetni trenutki poravnani v isti smeri, kar daje domeni neto magnetno polje. Vendar pa so v nemagnetiziranem stanju same domene naključno usmerjene, zato material kot celota ne kaže neto magnetnega polja.

Ko se zunanje magnetno polje nanese na feromagnetni material, domene, ki so poravnane s poljem, rastejo v velikosti, medtem ko tiste, ki niso poravnane. Ta postopek je znan kot gibanje domenske stene. Če je zunanje polje dovolj močno, lahko povzroči, da se vse domene poravnajo v isti smeri, kar ima za posledico neto magnetno polje za celoten material. Ko je zunanje polje odstranjeno, domene ostanejo poravnane zaradi visoke prisilnosti materiala, kar je odpornost, da se postanejo demagnetizirani. Ta uskladitev je tisto, kar trajnim magnetom daje njihovo sposobnost zadrževanja magnetizma.

Histereza in prisilnost

Sposobnost trajnega magneta, da ohrani svoj magnetizem, je tesno povezana s svojo histerezo zanko, ki je graf, ki prikazuje razmerje med močjo magnetnega polja (H) in gostoto magnetnega toka (B) v materialu. Zanka histereze prikazuje, kako se material odziva na zunanje magnetno polje in kako ohrani magnetizacijo po odstranitvi polja.

Ključna značilnost histereze zanke je prisilnost, ki je količina reverznega magnetnega polja, potrebnega za zmanjšanje magnetizacije materiala na nič. Stalni magneti imajo veliko prisilnosti, kar pomeni, da potrebujejo močno vzvratno polje, da jih razmagnejo. Ta visoka prisilnost je posledica kristalne strukture materiala in prisotnosti napak ali nečistoč, ki 'prilepijo' domenske stene na mestu, kar jim preprečuje enostavno preusmeritev.

Sestava materiala in mikrostruktura

Na sposobnost stalnega magneta, da zadrži svoj magnetizem, vpliva tudi njegova sestava materiala in mikrostruktura. Običajni materiali za trajne magnete vključujejo ferite, alnico (aluminijev nikelj-kobalt) in magnete z redkimi Zemljami, kot sta neodimij-iron-boron (NDFEB) in Samarium-Cobalt (SMCO). Ti materiali imajo visoko magnetno anizotropijo, kar pomeni, da se njihovi magnetni trenutki raje poravnajo po specifičnih kristalografskih smereh. Ta anizotropija v kombinaciji s finozrnato mikrostrukturo pomaga pri zaklepanju domen na mestu in tako zagotovi, da magnet ohrani svoj magnetizem tudi v odsotnosti zunanjega polja.

Okoljski dejavniki

Medtem ko so trajni magneti zasnovani tako, da ohranjajo svoj magnetizem, lahko nekateri okoljski dejavniki vplivajo na njihovo delovanje. Visoke temperature lahko na primer povzročijo, da toplotna energija moti poravnavo magnetnih domen, kar vodi v izgubo magnetizma. Ta temperaturna prag je znana kot temperatura curie, nad katero material izgubi svoje feromagnetne lastnosti. Mehanski šok, korozija in izpostavljenost močnim zunanjim magnetnim poljem lahko sčasoma tudi razpadeta delovanje magneta.

Zaključek

Stalni magneti ohranjajo svoj magnetizem zaradi poravnave magnetnih domen znotraj njihove strukture, visoke prisilnosti in materialnih lastnosti, ki te domene zaklenejo na svoje mesto. Prepletanje magnetnih trenutkov na atomskem nivoju, vedenja domene in materialnih znanosti zagotavlja, da lahko trajni magneti v dolgih obdobjih ohranijo svoje magnetno polje. Vendar lahko vplivajo na njihovo delovanje okoljski dejavniki, ki poudarjajo pomen izbire pravega materiala in zasnove za posebne aplikacije. Ko tehnologija napreduje, razvoj novih magnetnih materialov s še večjo kormisivnostjo in toplotno stabilnostjo še naprej širi možnosti za stalne magnete v različnih panogah.