חומרים מגנטיים: מאפיינים, עבודה, סוגים, הבדלים ויישומים שלהם

ישנם סוגים שונים של חומרים וגם חומרים המורכבים מחלקיקים טעונים: כמו; אלקטרונים ופרוטונים. חומרים אלה יכולים להראות תכונות מגנטיות כלשהן כאשר הם ממוגנטים על ידי שדה מגנטי חיצוני הידוע כחומרים מגנטיים. לחומרים אלו יש מומנטים מגנטיים מושרים או קבועים בשדה המגנטי. כדי ללמוד את התכונות המגנטיות של חומרים אלה, החומר נמצא בדרך כלל בשדה מגנטי מתוקנן, ואז השדה המגנטי משתנה. בטכנולוגיה המודרנית, חומרים אלו ממלאים תפקיד מפתח ואלה מהווים מרכיבים משמעותיים עבור רוֹבּוֹטרִיקִים , מנועים וגנרטורים. מאמר זה מספק מידע קצר על חומרים מגנטיים .

מהם חומרים מגנטיים?

החומרים הממוגנטים לשדה מגנטי המופעל חיצונית ידועים כחומרים מגנטיים. חומרים אלו גם מקבלים מגנטיזציה בכל פעם שהם נמשכים למגנט. דוגמאות לחומרים אלו הם; ברזל, קובלט וניקל.

חומרים אלה מסווגים לחומרים קשים (או) רכים מגנטית.

חומרים קשים מבחינה מגנטית מתמגנטים באמצעות שדה מגנטי חיצוני חזק מאוד אשר נוצר על ידי אלקטרומגנט. חומרים אלה משמשים בעיקר ליצירת מגנטים קבועים העשויים מסגסוגות המורכבות בדרך כלל מכמויות ניתנות לשינוי של ברזל, ניקל, אלומיניום, קובלט ואלמנטים של אדמה נדירה כמו סמריום, ניאודימיום ודיספרוסיום.

חומרים רכים מגנטית מתמגנטים בקלות רבה למרות שהמגנטיות המושרה היא זמנית. לדוגמה, אם תלטף מגנט קבוע עם מברג או מסמר, אז הוא יתמגנט זמנית וייצר את השדה המגנטי החלש שלו בגלל מספר רב של ברזל אטומים מיושרים זמנית בכיוון דומה דרך השדה המגנטי החיצוני.

נכסים

תכונות חומר מגנטי הם אחד המושגים הבסיסיים ביותר בפיזיקה. אז, הנכסים כוללים בעיקר; פרמגנטיות, פרומגנטיות ואנטי-פרומגנטיות אשר נדונים להלן.

פרמגנטיות היא סוג של מגנטיות שבה חומרים מסוימים נמשכים בצורה חלשה על ידי שדה מגנטי שמופעל מבחוץ. הוא יוצר שדות מגנטיים פנימיים ומושרים בתוך כיוון השדה המגנטי המופעל. בפראמגנטיות, האלקטרונים הבלתי מזווגים מסודרים באופן אקראי.

פרומגנטיות היא תופעה שבה חומר כמו ברזל מתמגנט ונשאר ממוגנט בתוך שדה מגנטי חיצוני עבור אותו שלב. בפרומגנטיות, האלקטרונים הבלתי מזווגים מחוברים כולם.

אנטי-פרומגנטיות היא סוג של סדר מגנטי המתרחש בעיקר בכל פעם שהמומנטים המגנטיים של האטומים (או) היונים הסמוכים מתיישרים בכיוונים הפוכים ומביאים לאפס מומנטים מגנטיים נטו. אז התנהגות זו נובעת בעיקר בגלל אינטראקציה חילופי בין יונים או אטומים שכנים, מה שעוזר ליישור אנטי מקביל להפחתת האנרגיה של המערכת. בדרך כלל, חומרים אנטי-פרומגנטיים מציגים סדר מגנטי תחת טמפרטורה ספציפית המכונה; טמפרטורת נאל. החומר מעל טמפרטורה זו יהפוך לפרמגנטי והוא מאבד את התכונות האנטי-פרומגנטיות שלו.

איך חומרים מגנטיים עובדים?

לחומרים אלו יש אזורים קטנים שבהם ניתן לכוון את המומנט המגנטי לכיוון מסוים הנקרא תחומים מגנטיים אשר אחראים בעיקר על הביצועים הבלעדיים של חומרים. ניתן לתרום את האנרגיה המלאה של החומרים פשוט על ידי אנרגיית האניזוטרופיה, חילופי אנרגיה ואנרגיה מגנטוסטטית. בכל פעם שגודל החומר המגנטי מצטמצם, אז זה משפר תחומים שונים בחומר. אז בגלל ההפחתה באנרגיה מגנטו-סטטית, יותר קירות תחום יגדילו את אנרגיית ההחלפה והאניזוטרפיה. לפיכך, גודל התחום יקבע את אופיו של החומר המגנטי.

המומנט המגנטי אינו יציב עבור חומרים מסוימים בעלי קטרים ​​של חלקיקים קטנים יותר בהשוואה לקוטר העל-פארמגנטיות הקריטי. בכל פעם שהקוטר של החלקיק הוא בין הקוטר הקריטי של סופר-פארמגנטיות לבין תחום יחיד, אז המומנט המגנטי יהפוך ליציב.

סוגי חומרים מגנטיים

ישנם סוגים שונים של חומרים מגנטיים הזמינים בשוק אשר נדון להלן.

חומרים פרמגנטיים

חומרים אלה אינם נמשכים חזק למגנט כמו; מגנזיום בדיל, אלומיניום ועוד רבים. לחומרים אלו יש חדירות יחסית קטנה אך חיובית כמו חדירות אלומיניום היא: 1.00000065. חומרים אלה מתמגנטים רק בכל פעם שהם ממוקמים על שדה מגנטי חזק מאוד והם פועלים בכיוון השדה המגנטי.

בכל פעם ששדה מגנטי חזק מסופק חיצונית, אז דיפולים מגנטיים קבועים מתאימים אותם לקבילים עצמיים לשדה המגנטי המופעל ולהגדיל למגנטיזציה חיובית. אם כיוון הדיפול מקביל לשדה המגנטי המופעל אינו שלם, אז המגנטיזציה קטנה ביותר.

חומרים דיאמגנטיים

חומרים אלה נדחים דרך מגנט כמו כספית, אבץ, עופרת, עץ, נחושת, כסף, גופרית, ביסמוט וכו' נקראים חומרים דיאמגנטיים. לחומרים אלה יש מעט פחות חדירות אחת. לדוגמה, החדירות של חומר נחושת היא 0.000005, חומר הביסמוט הוא 0.00083 וחומר העץ הוא 0.9999995.

כאשר חומרים אלו ממוקמים בשדה מגנטי חזק במיוחד, החומרים הללו יתמגנטו מעט ויפעלו בכיוון ההפוך לשדה המגנטי המופעל. בסוגים אלה של חומרים, ישנם שני שדות מגנטיים חלשים למדי הנגרמים בגלל המהפכה המסלולית והסיבוב הצירי של האלקטרונים סביב הגרעין.

חומרים פרומגנטיים

סוגים אלה של חומרים שנמשכים חזק דרך שדה מגנטי נקראים חומרים פרומגנטיים. דוגמאות לחומרים אלו הם; ניקל, ברזל, קובלט, פלדה ועוד. לחומרים אלו יש חדירות גבוהה ביותר שנעה בין כמה מאות לאלפים.

הדיפולים המגנטיים בתוך החומרים הללו מסודרים בפשטות לתחומים שונים בכל מקום שבו סידור הדיפול הבודד מושלם באופן משמעותי וזה יכול ליצור שדות מגנטיים חזקים. בדרך כלל, תחומים אלו מסודרים באופן אקראי והשדה המגנטי של כל תחום מתבטל דרך אחר וכל החומר אינו מראה את ההתנהגות של מגנט.

בכל פעם ששדה מגנטי חיצוני מסופק לחומרים אלו, אזי התחומים יכוונו את עצמם מחדש כדי לתמוך בשדה החיצוני וייצרו שדה מגנטי פנימי חזק מאוד. בניכוי השדה החיצוני, רוב התחומים מחכים וממשיכים להיות בעלי ברית בכיוון השדה המגנטי.
לכן, השדה המגנטי של חומרים אלה נמשך גם בכל פעם שהשדה החיצוני עוזב. אז הנכס העיקרי הזה משמש לייצור מגנטים קבועים שאנו משתמשים בהם מדי יום. החומרים המשמשים לייצור מגנטים קבועים הם בדרך כלל פרומגנטיים מאוד כמו ברזל, ניקל, ניאודימיום, קובלט וכו'.

אנא עיין בקישור זה עבור חומרים פרומגנטיים .

חומרי גלם מגנטיים

בדרך כלל, מגנטים קבועים ברחבי העולם מיוצרים עם סוגים שונים של חומרים ולכל חומר מאפיינים שונים. חומרים אלו כוללים בעיקר; אלניקו, גומי גמיש, פריט, קובלט סמריום וניאודימיום עליהם נדון להלן.

פריטים

הקבוצה המיוחדת של חומרים פרומגנטיים אשר תופסת מיקום אמצעי בין חומרים פרומגנטיים ולא פרומגנטיים ידועה בשם פריטים. לחומרים אלה יש חלקיקי חומר פרומגנטי עדינים בעלי חדירות גבוהה ומוחזקים הדדית דרך שרף מקשר. בפריטים, המגנטיזציה שנוצרת מספיקה מאוד למרות שהרוויה המגנטית שלהם אינה גבוהה כמו חומרים פרומגנטיים.

חומרים אלו אינם יקרים להפקה וזה קשור לחוזק המגנטי שלהם. אלה חלשים משמעותית בהשוואה לחומרי אדמה נדירים, אך אפילו הם נמצאים בשימוש נרחב עדיין במספר יישומים מסחריים. לחומרים אלה יש חוזק כמו עמידות בפני קורוזיה ודה-מגנטיזציה.

ניאודימיום

ניאודימיום הוא יסוד אדמה נדיר מאוד ((Nd) ומספרו האטומי הוא 60. הוא התגלה בפשטות בשנת 1885 על ידי הכימאי האוסטרי, קרי: קרל אור פון ולסבאך. חומר זה מעורבב באמצעות בורון, ברזל, וגם עקבות של יסודות אחרים כמו: פרסאודימיום ודיספרוסיום ליצירת סגסוגת פרומגנטית בשם Nd2Fe14b שהוא החומר המגנטי החזק ביותר.מגנטים ניאודימיום מחליפים סוגים אחרים של חומרים במספר מכשירים מסחריים תעשייתיים ומודרניים.

אלניקו

ראשי התיבות של אלומיניום, ניקל וקובלט הם 'אלניקו', כאשר שלושת האלמנטים העיקריים הללו משמשים בעיקר ביצירת חומר מגנטי של אלניקו. מגנטים אלו הם מגנטים קבועים חזקים מאוד בהשוואה למגנטים נדירים של כדור הארץ. ניתן להחליף את המגנטים של אלניקו במגנטים קבועים בתוכם מנועים , רמקולים וגנרטורים.

סמריום קובלט

מגנטים אלה פותחו בפשטות על ידי מעבדת החומרים של חיל האוויר האמריקאי בתחילת שנות ה-70. Samarium cobalt או SmCo הוא חומר מגנטי שעשוי מסגסוגת של יסודות אדמה יוצאי דופן כמו; סמאריום, קובלט מתכת קשה, עקבות ברזל, חפניום, נחושת, פרסאודימיום וזירקוניום. מגנטים של קובלט של סמריון הם מגנטים של אדמה נדירה כמו ניאודימיום מכיוון שהסמריום הוא אלמנט של אלמנט דומה של קבוצת אדמה נדירה כמו ניאודימיום.

חומרים מגנטיים לעומת חומרים לא מגנטיים

ההבדלים בין שני החומרים הללו נדונים להלן.

השוואה

להלן נדון בהשוואה בין חומרים מגנטיים שונים.

יישומים

ה יישומים של חומרים מגנטיים כלול את הבאים.

• אלה משמשים לייצור והפצת חשמל במכשירים המנצלים חשמל.
• הם משמשים לאחסון נתונים על אודיו, קלטות וידאו ודיסקי מחשב.
• חומרים אלה נמצאים בשימוש נרחב בחיים, בייצור, במדע ובטכנולוגיה של ההגנה הלאומית.
• אלה משמשים בייצור של שנאים ומנועים שונים בטכנולוגיית הספק, רכיבים מגנטיים שונים וצינורות מיקרוגל בטכנולוגיה אלקטרונית, מגברים ומסננים בטכנולוגיית תקשורת, רובים אלקטרומגנטיים, מכשירי חשמל ביתיים ומוקשים מגנטיים בטכנולוגיית ההגנה הלאומית.
• אלה נמצאים בשימוש נרחב בחקר מינרלים וגיאולוגיים, חקר אוקיינוסים וטכנולוגיות חדשות בתחום האנרגיה, המידע, החלל והביולוגיה.
• חומרים אלה ממלאים תפקיד משמעותי בתחום הטכנולוגיה האלקטרונית ובתחומי מדע וטכנולוגיה אחרים.
• אלה ישימים באלקטרוניקה, רפואה, הנדסת חשמל וכו '.
• אלה משמשים בייצור של מכשירים אלקטרוניים וחשמליים כמו מנועים חשמליים, שנאים וגנרטורים.
• אלה משמשים בייצור התקני אחסון מגנטיים כמו; תקליטונים, כונני דיסק קשיח וסרט מגנטי.
• סוגים אלה של חומרים משמשים בייצור חיישנים מגנטיים כמו; חיישני אפקט הול, חיישני שדה מגנטי וחיישנים מגנטוריסטיבים.
• אלה ישימים בציוד רפואי כמו; מכשירי MRI, קוצבי לב ומערכות מתן תרופות מושתלות.
• אלה מנוצלים בשיטות הפרדה מגנטיות, המשמשות לניתוק חלקיקים מגנטיים מחלקיקים לא מגנטיים.
• חומרים אלה משמשים לייצור אנרגיה מתחדשת כמו; תחנות כוח הידרואלקטריות וטורבינות רוח.

לפיכך, זהו סקירה כללית של מגנטי חומרים, סוגים, הבדלים, השוואת חומרים ויישומיו. הנה שאלה בשבילכם, מהו מגנט?