علوم پایه, فیزیک 1607 بازدید

احتمالاً بارها واژه مواد فرومغناطیس را شنیده‌اید و برایتان این سوال ایجاد شده که فرومغناطیس‌ها چه ویژگی خاصی دارند که یک نام جدا در فیزیک برای آن‌ها در نظر گرفته می‌شود. خوب است بدانید که منشأ مغناطیس در حرکت مداری و چرخشی الکترون‌ها و نحوه برهمکنش آن‌ها با یکدیگر نهفته است. بهترین روش برای معرفی انواع مختلف مواد مغناطیسی نحوه واکنش مواد به میدان‌های مغناطیسی است. این موضوع ممکن است عجیب به نظر برسد اما همه مواد خاصیت مغناطیسی دارند، فقط برخی مواد از خاصیت مغناطیسی بیشتری نسبت به بقیه مواد برخوردار هستند. تمایز اصلی مواد مختلف در این است که در برخی از مواد هیچ اثر جمعی از گشتاور مغناطیسی اتمی وجود ندارد، در حالی که در سایر مواد یک اثر جمعی بسیار قوی بین گشتاورهای اتمی حاکم است.

با توجه به رفتار مغناطیسی مواد می‌توان آن‌ها را در پنج گروه تقسیم‌بندی کرد که عبارتند از:

  • دیامغناطیس
  • پارامغناطیس
  • فرومغناطیس
  • فریمغناطیس
  • پادفرومغناطیس

مواد در دو گروه اول یعنی دیامغناطیس‌ها و پارامغناطیس‌ها، موادی هستند که در آن‌ها هیچ اثر جمعی مغناطیسی وجود ندارد. در حالی که در سه گروه فرومغناطیس، فریمغناطیس و پادفرومغناطیس مواد دارای خاصیت مغناطیسی زیر دمای بحرانی خاص خود هستند. فرومغناطیس‌ها و فریمغناطیس‌ها موادی هستند که معمولاً ما آن‌ها را مواد مغناطیسی قلمداد می‌کنیم (یعنی رفتار آن‌ها از لحاظ مغناطیسی شبیه به آهن است). در این مطلب در مورد خاصیت مواد فرومغناطیس صحبت خواهیم کرد و ویژگی‌های مهم این مواد را معرفی می‌کنیم.

گشتاور مغناطیسی چیست؟

گشتاور مغناطیسی به معنی تمایل یک ماده برای مرتب شدن در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی است. گشتاور مغناطیسی را می‌توان به صورت زیر تعریف کرد:

قدرت و جهت مغناطیسی آهنربا یا هر جسم دیگری که یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند. از لحاظ ریاضی گشتاور مغناطیسی یک بردار است که گشتاور جسم را به میدان مغناطیسی مرتبط می‌کند و داریم:

$$\tau=m \times B\ (1)$$

در رابطه بالا $$\tau$$ گشتاور موثر بر دو قطبی، $$m$$ گشتاور مغناطیسی و $$B$$ میدان مغناطیسی خارجی است. واحد گشتاور مغناطیسی را می‌توان با توجه به یک حلقه حامل جریان به دست آورد. در یک حلقه حامل جریان، گشتاور مغناطیسی برابر با حاصلضرب جریان شارش شده در مساحت حلقه است. یعنی داریم:

$$m= IA$$

بدین ترتیب واحد گشتاور مغناطیسی برابر با $$Amp.m^{2}$$ است. از طرفی از رابطه (۱) نیز می‌توان واحد گشتاور مغناطیسی را برابر با ژول تقسیم بر تسلا یعنی $$JT^{-1}$$ نوشت. بدین ترتیب می‌توان گفت که هر دو واحد گشتاور مغناطیسی یکسان هستند و داریم:

$$1\ Amp.m^{2}=1\ J.T^{-1}$$

برای آشنایی بیشتر با مغناطیس و خواص مغناطیسی مواد می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه یازدهم را که توسط فرادرس ارائه شده، مشاهده کنید. لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

ماده فرومغناطیس چیست؟

فرومغناطیس یک پدیده فیزیکی است که در آن برخی از مواد الکتریکی بدون بار و خنثی، به شدت مواد دیگر را به سمت خود جذب می‌کنند. دو ماده موجود در طبیعت یعنی لودستون (مگنتیت، اکسید آهن یا $$Fe_{3}O_{4}$$) و آهن، توانایی دستیابی به چنین ویژگی‌های جذب کنندگی را دارند و اغلب به آن‌ها آهنربای طبیعی می‌گویند.

این مواد بیش از 2000 سال پیش کشف شده‌اند و تمام مطالعات اولیه علمی درباره مغناطیس بر روی این مواد انجام شده است. امروزه مواد فرومغناطیس در طیف گسترده‌ای از ابزارهای ضروری برای زندگی روزمره استفاده می‌شوند. به عنوان مثال موتورهای الکتریکی و ژنراتورها، ترانسفورماتورها، تلفن‌ها و بلندگوها همه از مواد فرومغناطیس تشکیل شده‌اند.

فرومغناطیس نوعی مغناطیس است که حاوی عناصری چون آهن‌، کبالت، نیکل و برخی از آلیاژها یا ترکیبات حاوی یک یا چند مورد از این عناصر است. همچنین این ویژگی در گادولینیوم و چند عنصر کمیاب دیگر نیز وجود دارد.

برخلاف سایر مواد، فرومغناطیس‌ها به راحتی دارای خاصیت مغناطیسی می‌شوند و در میدان‌های مغناطیسی قوی مغناطش در آن‌ها به حدی می‌رسد که می‌گوییم به حالت اشباع رسیده‌اند. در مواد فرومغناطیس وقتی یک میدان اعمال می‌شود و سپس حذف می‌شود، مغناطش به مقدار اولیه خود برنمی‌گردد که از این پدیده به عنوان پسماند یاد می‌شود.

همچنین هنگامی که ماده تا دمای خاصی به نام نقطه کوری گرم می‌شود که مقدار آن برای هر ماده متفاوت است، مواد فرومغناطیسی ویژگی‌های مشخصه خود را از دست می‌دهند و دیگر مغناطیسی نیستند. با این وجود مجدداً با کاهش دما خاصیت مغناطیسی خود را بازیابی می‌کنند.

خاصیت مغناطیسی در مواد فرومغناطیسی به دلیل تراز شدن اتم‌های سازنده آن‌ها صورت می‌گیرد، که به عنوان آهنرباهای الکتریکی ابتدایی عمل می‌کنند.

همراستا شدن دوقطبی در حضور میدان مغناطیسی در فرومغناطیس‌ها
تصویر ۱: همراستا شدن دوقطبی‌های ماده در حضور میدان مغناطیسی در مواد فرومغناطیس‌

فرومغناطیس‌ها با این مفهوم توضیح داده می‌شوند که برخی از اتم‌ها دارای یک گشتاور مغناطیسی هستند به این معنی که چنین اتمی به خودی خود یک آهنربای الکتریکی ابتدایی است و این ویژگی به دلیل حرکت الکترون‌ها حول هسته ماده و چرخش الکترون‌های آن در محورهای خود تولید می‌شود. در زیر نقطه کوری اتم‌هایی که به عنوان آهنرباهای ریز در مواد فرومغناطیسی رفتار می‌کنند خود به خود همراستا می‌شوند و در یک جهت قرار می‌گیرند، به گونه‌ای که میدان‌های مغناطیسی آن‌ها یکدیگر را تقویت می‌کنند.

یکی از ویژگی‌های یک ماده فرومغناطیسی این است که اتم‌ها یا یون‌های آن گشتاور مغناطیسی دائمی داشته باشند. گشتاور مغناطیسی یک اتم از طریق الکترون‌های آن حاصل می‌شود زیرا سهم گشتاور مغناطیسی هسته ناچیز است.

یکی دیگر از ویژگی‌های آهنربایی مواد فرومغناطیس نوعی نیروی بین اتمی است که گشتاور مغناطیسی بسیاری از اتم‌ها را موازی یکدیگر نگه می‌دارد.

بدون چنین نیرویی اتم‌ها با تحریک حرارتی بی نظم می‌شوند و گشتاور مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند و در نتیجه ویژگی فرومغناطیسی ماده از بین می‌رود و وجود نخواهد داشت.

شواهد زیادی وجود دارد که برخی از اتم‌ها یا یون‌ها دارای یک ممان مغناطیسی دائمی هستند که به صورت جدایی قطب مثبت یا شمالی از قطب منفی یا جنوبی دوقطبی‌ها در ماده اتفاق می‌افتد. در فرومغناطیس‌ها اتصال قوی بین گشتاورهای مغناطیسی اتمی منجر به درجه‌ای از تراز شدن دوقطبی‌ها و در نتیجه مغناطش خالص جسم می‌شود.

«پیر ارنست ویس» (Pierre-Ernest Weiss) فیزیکدان فرانسوی نوعی درجه مغناطیسی در مقیاس بزرگ را برای مواد فرومغناطیس به نام ساختار دامنه فرض کرد.

طبق نظریه او یک جامد فرومغناطیسی از تعداد زیادی ناحیه یا دامنه کوچک تشکیل شده است که در هر یک از آن‌ها همه گشتاورهای مغناطیسی اتمی یا یونی در یک راستا قرار دارند. اگر گشتاورهای حاصل از این دامنه‌ها به طور تصادفی جهت‌گیری شوند جسم دیگر ویژگی مغناطیسی نشان نمی‌دهد. اما در حضور یک میدان مغناطیسی اعمال شده خارجی بسته به قدرت میدان، ناحیه‌ها یکی پس از دیگری می چرخند ​​تا با میدان خارجی همسو شوند و به تدریج باعث تراز شدن اتم‌های دیگر نیز می‌شوند. در حالت حدی که آن را حالت اشباع نیز می‌گوییم، کل شی از لحاظ مغناطیسی یک دامنه واحد یا یک جهت واحد دارد.

ساختار دامنه را می‌توان مستقیماً مشاهده کرد. در این روش، محلول کلوئیدی ذرات کوچک مغناطیسی که معمولاً مگنتیت‌ها هستند روی سطح آهنربا قرار می‌گیرند. وقتی قطب‌های مغناطیسی سطح مشخص باشند ذرات تمایل دارند در مناطق خاص متمرکز شده و الگویی را ایجاد کنند که به راحتی با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است. الگوهای دامنه همچنین با نور قطبی، نوترون‌های قطبی‌، پرتوهای الکترون و اشعه X نیز قابل رویت است.

در بسیاری از مواد فرومغناطیس، گشتاورهای دوقطبی با اتصالات قوی به موازات هم تراز می‌شوند. این ویژگی برای فلزات اساسی مانند آهن (Fe)، نیکل (Ni)، کبالت (Co)، آلیاژهای آن‌ها با یکدیگر و یا با برخی عناصر دیگر مشاهده می‌شود. این مواد بزرگترین گروه فرومغناطیس را که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند تشکیل می‌دهند.

عناصر دیگری که دارای نظم هم‌خطی بوده فلزات خاکی کمیاب مانند گادولینیوم (Gd)، تربیوم (Tb) و دیسپروزیم (Dy) هستند. البته دو عنصر آخر یعنی تربیوم (Tb) و دیسپروزیم (Dy) فقط در دماهای زیر دمای اتاق خاصیت فرومغناطیسی دارند.

برخی از آلیاژها اگرچه از هیچ یک از عناصر ذکر شده تشکیل نشده‌اند با این وجود گشتاور مغناطیسی منظم شده و در نتیجه خاصیت فرومغناطیسی دارند. نمونه‌ای از این آلیاژ «هوزلر» $$CuAlMn_{3}$$ است که در آن اتم‌های منگنز Mn دارای گشتاور مغناطیسی هستند، هرچند که فلز منگنز خود خاصیت فرومغناطیسی ندارد.

از سال 1950 و به ویژه از سال 1960 چندین ترکیب یونی کشف شده است که فرومغناطیس هستند. برخی از این ترکیبات عایق الکتریکی بوده و برخی دیگر رسانایی به بزرگی نیمه‌هادی‌های معمولی دارند.

این ترکیبات شامل کالکوژنیدها (ترکیبات اکسیژن، گوگرد، سلنیوم یا تلوریم)، هالیدها (ترکیبات فلورین، کلر، برم یا ید) و ترکیبات آن‌ها هستند. یون‌های منگنز، کروم (Cr) و یوروپیوم (Eu) دارای گشتاورهای دو قطبی دائمی در این مواد بوده و بقیه یون‌های این آلیاژها خاصیت دیامغناطیسی دارند.

در دماهای پایین، فلزات خاکی کمیاب هولمیوم (Ho) و اربیوم (Er) دارای ساختار گشتاور مغناطیسی غیر موازی هستند که منجر به یک مغناطش خود به خودی قابل توجه می‌شود.

برخی از ترکیبات یونی با ساختار کریستال اسپینل نیز دارای خاصیت فرومغناطیسی هستند. همچنین یک ساختار متفاوت در تولیوم (Tm) وجود دارد که منجر به یک مغناطش خود به خودی در دمای پایین‌تر از 32 درجه کلوین می‌شود.

بالاتر از نقطه کوری (که دمای کوری نیز نامیده می‌شود) مغناطش خود به خودی مواد فرومغناطیسی از بین می‌رود و پارامغناطیس می‌شوند (یعنی خاصیت مغناطیسی ضعیفی باقی می‌ماند). در حقیقت در این حالت انرژی حرارتی بر نیروهای همسوکننده درونی مواد غلبه می‌کند.

خواص مواد فرومغناطیس چه هستند؟

  • وقتی میله‌ای با خاصیت فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، دوقطبی‌های تشکیل دهنده ماده به سرعت با جهت میدان هم‌راستا می‌شوند.
  • یک ماده فرومغناطیس می‌تواند یک آهنربا را به شدت به خود جذب کند.
  • ویژگی فرومغناطیسی در مایعات و گازها وجود ندارد.
  • شدت مغناطش ($$M$$)، حساسیت مغناطیسی ($$\chi_{m}$$) که در الکترومغناطیس این کمیت نشان‌دهنده میزان مغناطیسی شدن ماده در میدان مغناطیسی اعمال شده است، نفوذ پذیری نسبی ($$\mu_{r}$$) و چگالی شار مغناطیسی ($$B$$) مواد فرومغناطیس همواره مثبت است.

$$\begin{array}{l}
\chi_{m}=\frac{M}{H} \\
\mu_{r}=1+\chi_{m} \\
B=\mu_{0}(H+M)
\end{array}$$

در رابطه بالا $$\mu_{0}$$ قدرت مغناطیسی فضای آزاد و $$H$$ قدرت میدان مغناطیسی محیطی اعمال شده است.

حلقه پسماند یا هیسترزیس چیست؟

این کمیت با تغییر نیروی مغناطش و همزمان با اندازه‌گیری شار مغناطیسی ماده محاسبه می‌شود. برای درک این مفهوم یک میله فرومغناطیس را در نظر بگیرید. این میله را در یک سلونوئید قرار داده و به آن جریان می‌دهیم. می‌توان دید که با افزایش جریان در ابتدا دامنه‌های زیادی در یک راستا قرار می‌گیرند و بر روی دو قطبی‌هایی که تراز نشده‌اند یک گشتاور اعمال می‌کنند. وقتی بیشتر دو قطبی‌ها با میدان همراستا می‌شوند، دیگر با افزایش جریان هیچ افزایشی در M رخ نمی‌دهد و بنابراین اشباع حاصل می‌شود .

تغییر شدت مغناطش با افزایش جریان
تصویر ۲: تغییر شدت مغناطش با افزایش جریان

حال اگر جریان به صفر کاهش یابد، مغناطش، منحنی اصلی را باز نمی‌گردد و به این حالت هیسترزیس گفته می‌شود. حلقه به دست آمده تحت عنوان $$b-c-e-f-b$$ حلقه پسماند است که در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار پسماند مواد فرومغناطیس
تصویر ۳: نمودار پسماند مواد فرومغناطیس
  • $$a-b$$ حوزه مغناطش اولیه است که اشباع در $$b$$ رخ می‌دهد.
  • در فاصله $$b-c$$ از دست دادن خاصیت مغناطیسی رخ می‌دهد. اما در این برگشت، زمانی که جریان صفر می‌شود، مغناطش صفر نیست.
  • در فاصله $$c-d$$ عکس جریان به سیستم اعمال می‌شود، در نقطه $$d$$ که جریان دارای یک مقدار منفی است مغناطش صفر است.
  • در فاصله بین $$d-e$$ اشباع با تمام دوقطبی‌ها در جهت عکس رخ می‌دهد.
  • در نقاط $$c$$ و $$f$$ میله دارای یک مغناطش دائمی با $$I=0$$ است.

در تصویر (۳) برای درک بهتر منحنی هیسترزیس، نمودار براساس مقادیر جریان بر حسب مغناطش رسم شده است اما به طور معمول منحنی پسماند بر حسب مقادیر $$B$$ بر $$H$$ است، که $$B$$ چگالی شار میدان و $$H$$ نیروی مغناطش است.

نمودار پسماند مواد فرومغناطیس
تصویر ۴: نمودار پسماند مواد فرومغناطیس

دمای کوری چیست؟

دمای کوری، دمایی است که بالاتر از آن دما ماده فرومغناطیس به ماده پارامغناطیس تبدیل خواهد شد. این دمای خاص را دمای کوری می‌نامند. یعنی وقتی دما را بیش از حد دمای کوری افزایش دهیم ماده فرومغناطیس خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. این دما با $$T_{C}$$ نمایش داده می‌شود.

در حقیقت در این دما نظم مغناطیسی ماده فرومغناطیس توسط انرژی گرمایی از بین می‌رود.

$$\text { Curie’s law is given by } \chi=\frac{C}{T}$$
$$E_{\text {thermal}}=k_{B} T$$

در رابطه بالا $$k_{B}$$ ثابت بولتزمن، $$T$$ دما بر حسب کلوین و $$C$$ ثابت کوری است. دمای کوری برای هر ماده متفاوت است و برای برخی فرومغناطیس‌های شناخته شده برابر است با:

  • آهن 1043 کلوین
  • کبالت 1394 کلوین
  • نیکل 631 کلوین
  • گادولینیوم ۲۹۳ کلوین

قدرت مغناطیسی یک فرومغناطیس را هنگامی متوجه می‌شویم که با مغناطیس‌های دیگر مقایسه شوند. اما تعداد مواد فرومغناطیس با خاصیت مغناطیسی قوی بسیار محدود است. این مواد همانگونه که بالاتر نیز گفته شد شامل کبالت، نیکل و آهن هستند. همچنین آلیاژ ترکیب این سه فلز یعنی لودستون (ماده معدنی) و برخی ترکیبات فلزات کمیاب خاکی نیز به عنوان ماده فرومغناطیس شناخته می‌شوند.

ماده فرومغناطیس نرم چیست؟

قبل از تعریف مواد فرومغناطیسی نرم باید نکات خاصی را به خاطر بسپاریم.

  • القای باقی‌مانده در حقیقت مقدار میدانی است که هنگامی که ماده مغناطیسی شده و سپس میدان مغناطیسی کاهش می‌یابد و به صفر می‌رسد در جسم باقی می‌ماند، این کمیت با $$B_{r}$$ نشان داده می‌شود.
  • نیروی وادارندگی مقداری منفی از میدان مغناطیسی است که برای کاهش القای باقی‌مانده و رساندن آن به صفر ضروری است. نیروی وادارندگی با $$H_{c}$$ نمایش داده می‌شود.
  • مساحت کل حلقه پسماند برابر با انرژی است که وقتی ماده در حجم ثابت در طول یک چرخه خاصیت مغناطیسی می‌گیرد، تلف می‌شود.
  • رشد و چرخش دامنه و ناحیه‌ها در طول مغناطش صورت می‌گیرند. هر دو فرآیند می‌توانند برگشت‌پذیر یا غیرقابل برگشت باشند.
  • مواد مغناطیسی عمدتاً بر اساس مقدار نیروی وادارندگی به دو دسته مواد مغناطیسی سخت و مواد مغناطیسی نرم طبقه‌بندی می‌شوند.
ویژگی ماده فرومغناطیس نرم
تصویر ۵: نمودار نیروی مغناطیسی بر حسب چگالی شار، در این شکل دو کمیت مربوط به نیروی وادارندگی و القای باقیمانده نشان داده شده است.

با شناخت کمیت‌های بیان شده در ابتدای این بخش، حال می‌توان به بررسی ویژگی‌های مواد فرومغناطیس نرم پرداخت. ویژگی اصلی این مواد این است که به راحتی خاصیت مغناطیسی به دست می‌آورند و به راحتی این خاصیت را از دست می‌دهند. این موضوع به این دلیل است که این مواد نیازمند انرژی کمی برای به دست آوردن یا از دست دادن خاصیت مغناطیسی هستند. همچنین این مواد دارای میدان وادارندگی بسیار کوچکی هستند که کمتر از $$1000\frac{A}{m}$$ است.

رشد دامنه این مواد به راحتی قابل درک است. آن‌ها عمدتاً برای افزایش شار یا ایجاد راهی برای جریان شار ایجاد شده توسط جریان الکتریکی استفاده می‌شوند. پارامترهای اصلی مورد استفاده برای شناخت و بررسی مواد مغناطیسی نرم شامل نفوذپذیری (تعیین چگونگی واکنش یک ماده به میدان مغناطیسی اعمال شده)، نیروی وادارندگی (که قبلاً در مورد آن بحث کردیم)، هدایت الکتریکی (توانایی ماده برای انتقال جریان الکتریکی) و مغناطش اشباع (بیشترین مقدار میدان مغناطیسی که یک ماده می تواند تولید کند) است.

حلقه پسماند مواد مغناطیسی نرم

حلقه پسماند ماده مغناطیسی نرم از سطح کوچکی برخوردار است. بنابراین برای این مواد از دست دادن هیسترزیس حداقل است.

پسماند مواد مغناطیسی نرم
تصویر ۶: حلقه پسماند مواد فرومغناطیس نرم

خواص مواد مغناطیسی نرم

  • نفوذپذیری بالا
  • نیروی وادارندگی کم
  • از دست دادن هیسترزیس کوچک
  • القای باقی‌مانده کوچک
  • مغناطش اشباع بالا

مثال‌هایی از مواد فرومغناطیس نرم

برخی از مواد مغناطیسی نرم که شناخته شده هستند را در ادامه معرفی می‌کنیم.

آهن خالص

آهن خالص حاوی مقدار بسیار کمی کربن (کمتر از ۰٫۱ درصد) است. این ماده را می‌توان توسط روش‌های مختلف تصفیه کرد به نوعی که نفوذپذیری در آن حداکثر و نیروی وادارندگی به حداقل برسد و به این ترتیب یک ماده مغناطیسی نرم حاصل شود.

اما به دلیل مقاومت کم در آهن خالص زمانی که این ماده در معرض تراکم شار بسیار زیاد قرار می‌گیرد در آن افت جریان گردابی ایجاد می‌شود. به همین دلیل این مواد در کاربردهای فرکانس پایین مانند اجزای ابزار الکتریکی و هسته در آهنرباها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

آلیاژهای آهن سیلیکون

در این ماده معمولاً از ماده مغناطیسی نرم استفاده می‌شود. افزودن سیلیکون باعث افزایش نفوذپذیری، کاهش میزان از دست رفتن جریان گردابی به دلیل افزایش مقاومت و کاهش از دست رفتن هیسترزیس می‌شود. از این مواد عموماً در ماشین‌های چرخان الکتریکی، آهنرباها، ماشین الکتریکی و ترانسفورماتور استفاده می شود.

آلیاژهای آهن نیکل (هایپرنیک)

به دلیل نفوذ پذیری اولیه بالا در میدان‌های ضعیف از این ماده در تجهیزات ارتباطی مانند ترانسفورماتور صوتی، دستگاه‌های ضبط کننده و تعدیل کننده‌های مغناطیسی استفاده می‌شود. آنها همچنین دارای هیسترزیس کم و تلفات کم جریان گردابی هستند.

به عنوان مثال از ورق فولاد دانه‌ای برای ساخت هسته‌های ترانس  و از فلز-Mu در ترانسفورماتورهای کوچک برای کاربردهای مدار استفاده می‌شود. آهنرباهای سرامیکی گزینه دیگری از آلیاژ آهن نیکل هستند که از آن‌ها برای ساخت دستگاه‌های حافظه برای مایکروویو و رایانه بهره می‌برند.

کاربرد مواد فرومغناطیس نرم

عمدتاً دو نوع کاربرد برای مواد مغناطیسی نرم وجود دارد، مواد مغناطیسی نرم در کاربردهای AC و مواد مغناطیسی نرم در کاربردهای DC.

کاربرد در DC کاربرد در AC
این دسته از مواد برای انجام یک عملیات مغناطیسی شده و در آخرین قسمت از عملیات خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. این دسته از مواد در طول مدت زمان انجام کار و پروژه همیشه در حالت مغناطیسی هستند. برای عملی کردن این ویژگی مغناطیسی شدن ماده در یک جهت به عنوان یک چرخه به صورت مداوم انجام می‌شود.
برای انتخاب این مواد بیشترین توجه و تمرکز بر روی نفوذپذیری ماده است. برای داشتن محصولی با کیفیت خوب نفوذپذیری بالا مورد نیاز است. برای انتخاب مواد توجه اصلی و تمرکز اصلی بر اتلاف انرژی در سیستم است. اتلاف انرژی به دلیل چرخش مواد در اطراف حلقه پسماند اتفاق می‌افتد. یک ماده خوب باید اتلاف انرژی کمی داشته باشد.
از این مواد در زمینه محافظ‌های مغناطیسی، قطب‌های الکترومغناطیسی، برای فعال کردن سوئیچ سلونوئید و استفاده از آهنربای دائمی برای ایجاد مسیر خطوط شار استفاده می‌شود. از این مواد در ترانسفورماتور منبع تغذیه، مبدل DC-DC، موتورهای الکتریکی برای ایجاد مسیر شار در موتورهای مغناطیسی دائمی و غیره استفاده می شود.

ماده فرومغناطیس سخت

این مواد را از این جهت سخت می‌نامیم که مغناطیسی شدن آن‌ها بسیار دشوار اتفاق می‌افتد. دلیل این موضوع آن است که دیواره‌های هر یک از دامنه‌ها یا ناحیه‌های مواد فرومغناطیس سخت، به دلیل نقص و ناخالصی کریستال‌های تولید کننده ماده بی‌حرکت هستند.

با این حال اگر مواد فرومغناطیس سخت، خاصیت مغناطیسی پیدا کنند، این خاصیت در آن‌ها دائمی خواهد بود، به همین دلیل است که این مواد به عنوان ماده مغناطیسی دائمی نیز شناخته می‌شوند.

نیروی وادارندگی مواد فرومغناطیس سخت بیشتر از $$10\ \frac{kA}{m}$$ است، همچنین این مواد پایداری مغناطیسی بالایی دارند. وقتی برای اولین بار یک آهنربا سخت را در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌دهیم، دامنه‌های آن رشد کرده و می‌چرخد تا با میدان اعمال شده همراستا شود. پس از آن با حذف میدان مغناطیسی خارجی، مغناطش ماده تا حدودی از بین می‌رود اما دیگر منحنی مغناطیسی اولیه را در جهت عکس تولید نمی‌کند. در این حالت مقدار مشخصی از انرژی ($$B_{r}$$) در آهنربا ذخیره می‌شود و جسم برای همیشه خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کند.

حلقه پسماند مواد مغناطیسی سخت

مساحت کل حلقه پسماند برابر با انرژی است که در یک جسم در حجم ثابت برای به دست آوردن یا از دست دادن خاصیت مغناطیسی در یک چرخه تلف می‌شود. همان‌طور که در شکل زیر مشخص است، منحنی $$B-H$$ یا حلقه هیسترزیس مواد مغناطیسی سخت به دلیل داشتن نیروی وادارندگی بالا همواره مساحت بزرگی دارد.

ماده مغناطیسی سخت
تصویر ۷: نمودار پسماند یا هیسترزیس برای ماده مغناطیسی سخت

حاصلضرب $$B$$ در $$H$$

محصول $$BH$$ در امتداد منحنی از دست دادن خاصیت مغناطیسی تغییر می‌کند. یک آهنربای دائمی خوب حداکثر مقدار حاصلضرب $$BH_{max}$$ را دارد. باید خاطر نشان کرد $$BH$$ از لحاظ ابعادی برابر با $$Jm^{-3}$$ و بیانگر چگالی انرژی است. بنابراین این کمیت را محصول انرژی نیز می‌نامند.

از دست دادن خاصیت مغناطیسی
تصویر ۸: حاصلضرب $$BH$$ و روند از دست دادن خاصیت مغناطیسی

خواص و ویژگی‌های مواد فرومغناطیس سخت

  • ماکزیمم مقدار پایداری مغناطیسی و از دست دادن خاصیت مغناطیسی را دارند.
  • مقدار حاصلضرب $$BH$$ بزرگ است.
  • شکل حلقه $$BH$$ تقریباً مستطیل است.
  • حلقه پسماند بالایی دارد.
  • نفوذ پذیری اولیه کوچک است.

مثال‌هایی از مواد فرومغناطیس سخت

خصوصیات برخی از مواد مغناطیسی دائمی مهم در جدول زیر نشان داده شده است:

مواد فرومغناطیس سخت از دست دادن خاصیت مغناطیسی ($$Am^{-1}$$) قابلیت نگهداری ویژگی مغناطیسی ($$T$$) $$BH_{max}\ (Jm^{-1})$$
آلنیکو5 (Alcomax) $$(51Fe, 24Co, 14Ni, 8Al, 3Cu)$$ ۴۴,۰۰۰ ۱٫۲۵ ۳۶,۰۰۰
آلنیکو2 $$(55Fe, 12Co, 17Ni, 10Al, 6Cu)$$ ۴۴,8۰۰ ۰٫۷ ۱۳,۶۰۰
فولاد کروم $$98Fe, 0.9Cr, 0.6C, 0.4Mn$$ ۴,۰۰۰ ۱٫۰ ۱,۶۰۰
اکسید $$(57Fe, 28O, 15Co)$$ ۷۲,۰۰۰ ۰٫۲ ۴,۸۰۰

در ادامه برخی از مواد مهم فرومغناطیس سخت و ویژگی‌های آن‌ها را معرفی می‌کنیم.

فولاد

فولاد کربن دارای حلقه پسماند بزرگی است. با این حال این مواد با اعمال هرگونه ضربه یا لرزش خواص مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. اما فولاد تنگستن، فولاد کروم و فولاد کبالت محصول انرژی بزرگی دارند.

آلنیکو

در آلنیکو برای تقویت خواص مغناطیسی از آلومینیوم، نیکل و کبالت استفاده می‌شود. آلنیکو۵ مهمترین ماده‌ای است که برای ایجاد آهنربای دائمی از آن استفاده می‌شود. حاصلضرب $$BH$$ برای این ماده $$36000\ Jm^{-3}$$ است. از این ماده برای کاربردهای در دمای بالا استفاده می‌شود.

آلیاژهای کمیاب زمین

$$SmCo_{5}, Sm_2Co_{17}, NdFeB$$ و غیره جزو آلیاژهای کمیاب زمین هستند که خاصیت فرومغناطیسی سخت دارند.

فریت‌های سخت یا آهنرباهای سرامیکی

این مواد می‌توانند پودر شده و به عنوان چسب در پلاستیک‌ها استفاده شوند. پلاستیک‌های ساخته شده توسط این روش را آهنربای پلاستیکی می‌نامند.

آهنرباهای متصل شده

این ماده در موتورهای DC، موتورهای استپر و غیره استفاده می‌شود.

آهنربای سخت نانو کریستالی (آلیاژهای $$Nd-Fe-B$$)

اندازه و وزن کم این مواد باعث می‌شود تا در دستگاه‌های پزشکی، موتورهای نازک و غیره مورد استفاده قرار گیرند.

کاربرد مواد فرومغناطیس سخت

مواد مغناطیسی سخت کاربردهای گسترده‌ای دارند. کاربردهای این مواد به شرح زیر است:

  • از مواد فرومغناطیس سخت در صنعت خودروسازی و برای ساخت درایو موتور برای فن، برف پاک‌کن، پمپ‌های تزریق، موتورهای استارتر، کنترل صندلی، پنجره و غیره استفاده می‌شود.
  • در وسایل مربوط به ارتباطات از راه دور نظیر میکروفون، بلندگوی صدا، تلفن زنگدار و غیره از مواد فرومغناطیس سخت استفاده می‌شود.
  • مواد فرومغناطیس سخت در پردازش داده‌ها از جمله چاپگرها، استپینگ موتورها، دیسک‌های محرک و محرک‌ها کاربرد دارند.
  • لوازم الکترونیکی مصرفی نظیر رایانه‌های خانگی، ساعت‌ها، موتورهای DC برای حمام و غیره از ویژگی‌های مواد فرومغناطیس سخت بهره می‌برند.
  • مواد فرومغناطیس سخت در زمینه الکترونیک و ابزار دقیق مانند دیسک مترسنج، سنسورها، تعدیل کننده‌ها و غیره نیز کاربرد دارند.
  • در زمینه‌های صنعتی مانند دستگاه بالابر، رباتیک، متر و غیره از مواد فرومغناطیس سخت استفاده می‌شود.
  • در زمینه نجوم و هوا فضا مانند ساخت قطب نما خودکار و ابزار دقیق و غیره این مواد کاربرد دارند.
  • در نهایت مواد فرومغناطیس سخت در زمینه پزشکی و زیستی مانند اسکن، MRI و غیره به کار می‌روند.

تفاوت مواد فرومغناطیس نرم و سخت چیست؟

مواد مغناطیسی عمدتاً بر اساس مقدار نیروی وادارندگی به دو دسته مواد مغناطیسی سخت و مواد مغناطیسی نرم طبقه‌بندی می‌شوند.

مواد فرومغناطیس سخت همان‌طور که از اسم‌شان معلوم است به سختی خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند و به همان نسبت به سختی ویژگی مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. این مواد عمدتاً به عنوان آهنربای دائمی استفاده می‌شوند.

مواد مغناطیسی نرم به راحتی خاصیت مغناطیسی به دست می‌آورند و به همان راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند.

معرفی فیلم آموزش فیزیک پایه یازدهم

آموزش فیزیک پایه یازدهم

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک یازدهم کرده است. این مجموعه آموزشی مباحث فیزیک یازدهم را پوشش می‌دهد. در این مجموعه ابتدا به آموزش الکتریسیته ساکن، میدان الکتریکی، خطوط میدان الکتریکی، انرژی پتانسیل الکتریکی، خازن و دی الکتریک پرداخته می‌شود و در انتهای بخش اول نمونه تست‌های کنکور سراسری این مباحث مورد بررسی قرار می‌گیرند.

در درس دوم این مجموعه الکتریسیته جاری مورد بحث قرار می‌گیرد و آموزش موضوعاتی نظیر جریان الکتریکی، قانون اهم، مقاومت الکتریکی، باتری و توان آن نیز پوشش داده می‌شوند. حل تست‌های کنکور سراسری مربوط به این مباحث پایان بخش این قسمت از آموزش‌ خواهد بود.

در ادامه و در درس سوم آموزش مطالب مربوط به مغناطیس ارائه شده است. این درس شامل بخش‌هایی نظیر مغناطیس و قطب‌های مغناطیسی، میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی زمین، میدان مغناطیسی یکنواخت، یکای میدان مغناطیسی و ویژگی‌های مواد مغناطیسی است. تست‌های سراسری مربوط به این مبحث نیز پایان بخش این فصل خواهد بود.

در درس چهارم و آخر این مجموعه آموزشی مطالبی در مورد القای الکترومغناطیس و جریان متناوب بیان شده است. لینک این آموزش نیز در ادامه آورده شده است.

این مجموعه آموزشی برای دانش‌آموزان پایه یازدهم و دانشجویان رشته‌های مهندسی و علوم پایه در درس فیزیک عمومی مفید خواهد بود.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد مواد فرومغناطیس صحبت کردیم. ویژگی‌های آن‌ها و کاربردهای آن‌ها را بیان کردیم و به بررسی دو دسته مواد فرومغناطیس نرم و سخت پرداختیم. در نهایت این مطلب را با ارائه کاربردهای مواد فرومغناطیس نرم و سخت به پایان رساندیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سارا داستان (+)

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 6 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *