Làm thế nào để nam châm vĩnh cửu duy trì từ tính của chúng?

Nam châm vĩnh cửu , còn được gọi là nam châm cứng, là các vật liệu giữ lại từ tính của chúng trong thời gian dài mà không cần từ trường bên ngoài. Khả năng duy trì từ tính này là kết quả của cấu trúc bên trong độc đáo của chúng và các nguyên tắc vật lý điều chỉnh các vật liệu từ tính. Hiểu làm thế nào nam châm vĩnh cửu giữ từ tính của chúng đòi hỏi phải khám phá hành vi nguyên tử và cấp độ miền của chúng, cũng như khoa học vật liệu đằng sau thiết kế của họ.

Từ tính cấp nguyên tử

Ở cấp độ nguyên tử, từ tính phát sinh từ chuyển động của các electron. Các electron có hai loại chuyển động: chuyển động quỹ đạo xung quanh nhân và chuyển động xoay quanh trục của chính chúng. Cả hai chuyển động tạo ra từ trường nhỏ, được gọi là khoảnh khắc từ tính. Trong hầu hết các vật liệu, những khoảnh khắc từ tính này được định hướng ngẫu nhiên, hủy bỏ nhau và dẫn đến không có từ tính ròng. Tuy nhiên, trong các vật liệu sắt từ (như sắt, niken và coban), các khoảnh khắc từ tính của các nguyên tử lân cận thẳng hàng theo cùng một hướng, tạo ra các vùng có từ trường ròng.

Miền từ tính

Trong vật liệu sắt từ, sự liên kết của các khoảnh khắc từ nguyên tử không đồng đều trên toàn bộ vật liệu. Thay vào đó, vật liệu được chia thành các vùng nhỏ gọi là miền từ tính. Trong mỗi miền, các khoảnh khắc từ tính được căn chỉnh theo cùng một hướng, tạo cho miền một từ trường ròng. Tuy nhiên, ở trạng thái không bị từ chối, bản thân các miền được định hướng ngẫu nhiên, do đó, toàn bộ vật liệu không thể hiện từ trường ròng.

Khi một từ trường bên ngoài được áp dụng cho vật liệu sắt từ, các miền được liên kết với trường phát triển kích thước, trong khi các miền không được căn chỉnh. Quá trình này được gọi là chuyển động tường miền. Nếu trường bên ngoài đủ mạnh, nó có thể khiến tất cả các miền căn chỉnh theo cùng một hướng, dẫn đến từ trường ròng cho toàn bộ vật liệu. Sau khi trường bên ngoài bị loại bỏ, các miền vẫn được căn chỉnh do khả năng ép buộc cao của vật liệu, đó là khả năng chống lại bị khử từ. Sự liên kết này là những gì mang lại cho nam châm vĩnh cửu khả năng giữ lại từ tính.

Độ trễ và cưỡng chế

Khả năng của một nam châm vĩnh cửu để duy trì từ tính của nó có liên quan chặt chẽ với vòng trễ của nó, đó là một biểu đồ cho thấy mối quan hệ giữa cường độ từ trường (H) và mật độ từ thông (B) trong vật liệu. Vòng lặp trễ minh họa cách vật liệu phản ứng với từ trường bên ngoài và cách nó giữ lại từ hóa sau khi trường được loại bỏ.

Một tính năng chính của vòng trễ là sự ép buộc, đó là lượng từ trường đảo ngược cần thiết để giảm từ hóa của vật liệu xuống 0. Nam châm vĩnh cửu có độ ép buộc cao, có nghĩa là chúng đòi hỏi một trường đảo ngược mạnh mẽ để làm mất từ ​​sử dụng chúng. Tính cưỡng chế cao này là kết quả của cấu trúc tinh thể của vật liệu và sự hiện diện của các khuyết tật hoặc tạp chất 'pin ' các bức tường miền tại chỗ, ngăn chúng dễ dàng định hướng lại.

Thành phần vật liệu và cấu trúc vi mô

Khả năng của một nam châm vĩnh cửu để giữ lại từ tính của nó cũng bị ảnh hưởng bởi thành phần vật liệu và cấu trúc vi mô của nó. Các vật liệu nam châm vĩnh cửu phổ biến bao gồm ferrites, alnico (nhôm-nikel-cobalt) và nam châm đất hiếm như Neodymium-Iron-Boron (NDFEB) và Samarium-Cobalt (SMCO). Những vật liệu này có dị hướng từ tính cao, có nghĩa là những khoảnh khắc từ tính của chúng thích căn chỉnh dọc theo các hướng tinh thể cụ thể. Anisotropy này, kết hợp với cấu trúc vi mô hạt mịn, giúp khóa các miền tại chỗ, đảm bảo rằng nam châm vẫn giữ được từ tính của nó ngay cả khi không có trường bên ngoài.

Các yếu tố môi trường

Trong khi nam châm vĩnh cửu được thiết kế để duy trì từ tính của chúng, một số yếu tố môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của chúng. Nhiệt độ cao, ví dụ, có thể khiến năng lượng nhiệt phá vỡ sự liên kết của các miền từ tính, dẫn đến mất từ ​​tính. Ngưỡng nhiệt độ này được gọi là nhiệt độ curie, trên đó vật liệu mất tính chất sắt từ. Sốc cơ học, ăn mòn và tiếp xúc với các từ trường bên ngoài mạnh cũng có thể làm giảm hiệu suất của nam châm theo thời gian.

Phần kết luận

Các nam châm vĩnh cửu duy trì từ tính của chúng do sự liên kết của các miền từ tính trong cấu trúc của chúng, độ ép buộc cao và tính chất vật liệu khóa các miền này tại chỗ. Sự tương tác của các khoảnh khắc từ tính ở cấp độ nguyên tử, hành vi miền và khoa học vật chất đảm bảo rằng nam châm vĩnh cửu có thể giữ lại từ trường của chúng trong thời gian dài. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường, nêu bật tầm quan trọng của việc chọn đúng vật liệu và thiết kế cho các ứng dụng cụ thể. Khi công nghệ tiến bộ, sự phát triển của các vật liệu từ tính mới với độ ép buộc và độ ổn định nhiệt cao hơn tiếp tục mở rộng khả năng cho nam châm vĩnh cửu trong các ngành công nghiệp khác nhau.