خصوصیات و مثال‌هایی از مواد فرو مغناطیسی

مترجم: عبدی
منبع:راسخون




مواد فرو مغناطیسی موادی هستند که وقتی در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، در راستای میدان مغناطیسی به شدت مغناطیس می‌شوند. مثال‌هایی از مواد فرو مغناطیسی شامل آهن، نیکل، کبالت و مواد خاک کمیاب می‌باشد. این مقاله به شما اطلاعات بیش‌تری درباره‌ی مواد فرو مغناطیسی و خصوصیات آن‌ها ارائه می‌دهد.

آیا می‌دانید؟

اوایل، واژه‌ی "فرو مغناطیس" برای هر ماده‌ای استفاده می‌شد که می‌توانست مغناطیس پذیری خود جوش نشان دهد.
آهن رباهای خاک کمیاب مواد فرو مغناطیسی بسیار قوی هستند
که میدان‌های مغناطیسی بالای 4ر1 تسلا تولید می‌کنند.
مغناطیس پذیری توانایی‌‌ای است که توسط آن، ماده آهن ربای دائمی تشکیل می‌دهد یا هنگامی‌که در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به وسیله‌ی آهن ربا جذب می‌شود. صرف نظر از این‌ که فرو مغناطیس قوی‌ترین نوع خاصیت مغناطیسی است انواع مختلفی از خاصیت مغناطیسی وجود دارد.
این مواد که دارای مغناطیس پذیری هستند مواد فرو مغناطیسی نامیده می‌شوند. نیروهای مغناطیسی که توسط این مواد ایجاد می‌شوند بسیار بزرگ هستند. به طور قابل توجه، بسیاری از چنین مواد در زندگی روزمره‌ی ما به کار می‌روند. آهن ربای یخچال مثال خوبی است. این آهن ربا برای هشدار دادن یاد آوری‌ها و لیست‌های خرید و یا به عنوان قطعه‌ای زینتی استفاده می‌شود.
کاربردهای گسترده‌ای از مواد فرو مغناطیسی در دستگاه‌هایی مانند موتورهای برقی، مولدها، ترانسفورماتورها، تلفن‌ها، بلند گوها، ابزارهای ضبط مغناطیسی از جمله نوارهای کاست، فلاپی‌های کامپیوتر و قطعه‌ی مغناطیسی در پشت کارت‌های اعتباری وجود دارد.

ویژگی‌های فرو مغناطیس‌ها

 ماده‌ی فرو مغناطیسی می‌تواند میدان بسیار شدید مغناطیسی تولید کند و به شدت به وسیله‌ی آهن ربا جذب شود.
 فرو مغناطیس خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کند حتی بعد از این که میدان مغناطیسی حذف می‌شود.
 در مواد فرو مغناطیسی، اتم‌ها گشتاورهای مغناطیسی دائمی دارند. گشتاور مغناطیسی کمیتی است که تعیین کننده‌ی نیروی آهن ربا در میدان مغناطیسی است.گشتاور مغناطیسی کمیتی برداری است زیرا هم اندازه و هم جهت دارد. جهت گشتاور مغناطیسی از قطب جنوب آهن ربا به قطب شمال آن است. گشتاور مغناطیسی به دلیل وجود الکترون‌های آهن ربا ایجاد می‌شود. نیرویی نیاز است تا گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها را موازی با یکدیگر نگه دارد. میدان مغناطیسی خارجی به موازی نگه داشتن گشتاورهای مغناطیسی با یکدیگر کمک می‌کند. این میدان مغناطیسی خارجی نیروی محرک درونی ایجاد می‌کند که منجر به هم محوری موازی گشتاورهای الکترون می‌شود.
 ماده‌ی فرو مغناطیسی دارای تعداد زیادی از نواحی کوچک به نام دامنه می‌باشد که در آن گشتاورهای مغناطیسی یونی و اتمی با یکدیگر هم راستا می‌شوند. میدان مغناطیسی مزبور در این دامنه قوی است و گشتاورهای نواحی مختلف ماده می‌تواند با محوری مختلف یا با محوری مشابه هم تراز شود.
 تمام مواد فرو مغناطیسی می‌توانند در دمای بالاتر از دمایی که به عنوان نقطه کوری (دمای کوری) شناخته می‌شود به مواد پارا مغناطیسی تبدیل شوند (مواد پارا مغناطیس موادی هستند که با حذف میدان مغناطیسی خاصیت مغناطیسی نشان نمی‌دهند). دمای کوری دمایی بحرانی است که در آن گشتاورهای مغناطیسی الکترون‌های اتم‌ها تغییر جهت می‌دهند. در دمای بالاتر از دمای کوری، یک ماده‌ی فرو مغناطیسی تغییر می‌کند و به ماده‌ی پارا مغناطیسی تبدیل می‌شود.
 هنگامی که میله‌ی فرو مغناطیسی آزادانه در میدان مغناطیسی یکنواخت قرار می‌گیرد، خود را در جهت میدان اعمال شده هم تراز می‌کند.
 مواد فرو مغناطیسی قابلیت هدایت مغناطیسی بیش‌تر از 1 دارند، قابلیت هدایت مغناطیسی میزان توانایی ماده برای حفظ میدان مغناطیسی درون خود نامیده می‌شود.
 ماده‌ی فرو مغناطیسی در جهت میدان مغناطیسی اعمال شده شدیداً مغناطیس می‌شود.
 مغناطیس پذیری آن‌ها (میزان مغناطیس پذیری در واکنش به میدان مغناطیسی اعمال شده) بزرگ است. طبق قانون کوری-ویس، اگر دما افزایش یابد مغناطیس پذیری کاهش می‌یابد. این قانون بیان می‌کند که در دمای بالاتر از دمای کوری، مواد فرو مغناطیسی تبدیل به پارا مغناطیس می‌شوند. دلیل این امر این است که انرژی گرمایی می‌تواند میزان گشتاورهای مغناطیسی را تغییر دهد.
 اگر ماده‌ی فرو مغناطیسی با افزایش شدت میدان مغناطیسی، مغناطیس شود، آن گاه تغییر شار از میان ماده سریع نیست اما اندک است.
 مواد فرو مغناطیس از ناحیه‌ی با شدت میدان مغناطیسی کم به ناحیه‌ی با شدت میدان مغناطیسی بیشتر حرکت می‌کنند.

مثال‌هایی از مواد فرو مغناطیسی

آهن: آهن فلزی فاقد شکل ثابت است که دمای کوری آن 1043 کلوین می‌باشد. آهن مغناطیسی کاربردهایی در مخابرات و مهندسی رادیو دارد. از آهن می‌توان برای خواندن رمز گذاری روی کارت نواری مغناطیسی از طریق پراکنده کردن براده‌های آهن روی نوار استفاده کرد.
نیکل: نیکل فلزی درخشان به رنگ سفید و نقره‌ای است. آن همچنین جزء فلزات واسطه‌ی بی شکل محسوب می‌شود و دمای کوری 627 درجه‌ی کلوین را داراست. این فلز توسط سرد کردن آلیاژ مایع در آب سرد یا مایع دیگر مغناطیس می‌شود.
کبالت: کبالت (از فلزات واسطه) دمای کوری با اندازه‌ی 1388 کلوین داراست. این فلز کاربردهایی در ساخت آهن‌های محکم برای الکترونیک‌ها و نانو لوله‌های کربنی دارد.
آلنیکو: آلنیکو علاوه بر آهن، از آلومینیوم، نیکل و کبالت ساخته می‌شود. آلنیکو همچنین مس و برخی اوقات تیتانیوم دارد. آلیاژهای آلنیکو فرو مغناطیس هستند و در ساخت مغناطیس‌های دایمی کاربرد دارند. آلنیکوی هم جوشی شده دمای کوری 810 الی 860 درجه‌ی سانتی گراد دارد و دمای کوری آلنیکوی ریخته گری 740 تا 860 درجه‌ی سانتی گراد است.
گادولینیم: گادولینیم از فلزات خاک کمیاب است و دمای کوری 292 درجه کلوین دارد. این فلز به طور گسترده به عنوان جاذب نوترونی در راکتورهای هسته‌ای استفاده می‌شود.
دیسپروزیم: دیسپروزیم نیز جزء فلزات خاک کمیاب به شمار می‌رود و دمای کوری آن 88 کلوین می‌باشد. این فلز جلای نقره رنگ دارد و بسیار نرم است. دیسپروزیم در میدان‌های مغناطیسی بسیار مستعد است.
پرم الوی: پرم الوی‌ها نسبت‌های متفاوتی از آهن و نیکل را در بر دارند. آن‌ها می‌توانند در تجهیزات مایکرو ویو و الکترونیک‌های تک تراشه به کار روند. با تغییر نسبت آهن و نیکل، خصوصیات پرم الوی می‌تواند تغییر یابد. پرم الوی مولیبدنم قابلیت هدایت مغناطیسی ماکزیمم (maxµ) 150000(یعنی مغناطیس پذیری 85ر0 تسلا) و دمای کوری 400 درجه‌ی سلسیوس دارد.
آوارویت: ماده‌ای فرو مغناطیسی و آلیاژی از نیکل و آهن با دمای کوری 620 درجه سانتی گراد است و برای مطالعه درباره‌ی ساختار شهاب سنگ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین کاربردهای زمین شناسی دارد.
Wairauite: این ماده‌ی فرو مغناطیسی آلیاژی از کبالت و آهن است و دمای کوری با مقدار 986 درجه‌ی سانتی گراد دارد.
ماگنتیت: ماگنتیت ماده‌ای فرو مغناطیسی است که از اکسایش آهن درون اکسید تشکیل می‌شود و دمای کوری 580 درجه‌ی سلسیوس دارد. اوایل این ماده به عنوان ماده‌ی مغناطیسی باز شناخته شد. ماگنتیت بیشترین خاصیت مغناطیسی را در میان تمام مواد معدنی طبیعی روی زمین دارد.
آهن ربای نئودیمم: آهن ربای نئودیمم یا آهن ربای نئو نوعی از آهن ربای خاک کمیاب است. آن آهن ربای دائمی است که از آلیاژ نئودیمم، آهن و بور تشکیل می‌شود. دمای کوری آن بسته به درجه‌ی آهن ربا در گستره‌ی 100 تا 200 درجه‌ی سانتی گراد می‌باشد.این آهن ربا کاربردهای گسترده‌ای در موتورها، ابزارهای بدون سیم (باطری دار)، بلند گوها، هدفون‌ها، انعکاس رزونانس مغناطیسی، درایوهای دیسک سخت و گیره‌های مغناطیسی دارد.
سامریم-کبالت: آهن ربای سامریم کبالت، آهن ربای دائمی و قوی خاک کمیاب است و شامل آلیاژ سامریم و کبالت می‌باشد. دمای کوری این آهن ربا از 700 درجه‌ی سانتی گراد (973 کلوین) تا 800 درجه‌ی سانتی گراد (1070 کلوین) می‌باشد. این آهن رباها به تنهایی می‌توانند در راستای جهت مغناطیسی مغناطیس شوند.
دی اکسید کروم: دی اکسید کروم ترکیبی آلی است که ماده‌ی مغناطیسی سیاه رنگی می‌باشد و در نوارهای اطلاعاتی استفاده می‌شود. دمای کوری این ماده تقریبا 386 کلوین می‌باشد.
فریت: فریت که آلفا فریت یا آهن آلفا نیز نامیده می‌شود ماده‌ای فرو مغناطیسی است و دمای کوری 771 درجه‌ی سلسیوس دارد. ماده‌ی مذکور دارای توان 280 نیوتن برمیلی متر مربع و سختی در حدود 80 برینل می‌باشد.
Metglas: آلیاژ فلزی بی شکل است که از به کار بردن فرایند انجماد حدود˚c/s 1000000ساخته می‌شود. این فرایند خصوصیات فرو مغناطیسی منحصر به فردی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود این آلیاژ در روشی سریع مغناطیسی و غیر مغناطیسی شود.
پولادMKM : پولاد MKM آلیاژی شامل نیکل و آلومینیوم است. این ماده‌ی فرو مغناطیسی سفت و با دوام می‌باشد و از این رو در بخش الکترونیکی، رسانه، هواپیمایی و صنایع خودرو سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
گالیم منگنز آرسنید: نیمه رسانایی مغناطیسی است که خواص فرو مغناطیسی را داراست و دمای کوری آن 170 کلوین می‌باشد.
Sendust: پودر فلزی مغناطیسی است که از 85% آهن، 9% سیلیکن و 6% آلومینیوم تشکیل می‌شود و هسته‌ی آن دمای کوری بیش از 410 درجه‌ی سانتی گراد دارد. این ماده قابلیت هدایت مغناطیسی بالا، وادارندگی کم، ثبات گرمایی خوب و چگالی جریان حدود T1 دارد. این ماده در دستگاه‌های ضبط صوت مغناطیسی استفاده می‌شود.
Suessite: ماده‌ی معدنی آهن سیلیسید کمیاب است. آن ماده‌ای فرو مغناطیسی با دمای کوری 15ر823 کلوین می‌باشد و گشتاور مغناطیسی آن Bµ6ر4 است.
مواد فرو مغناطیسی از زمان‌های طولانی به طور گسترده استفاده شده‌اند. آن‌ها در بسیاری از بخش‌های صنعتی مهم کاربرد دارند و به همین دلیل اهمیت زیادی در زندگی ما دارند.