المواد المغناطيسية: الخواص والعمل والأنواع والاختلافات وتطبيقاتها

هناك أنواع مختلفة من المواد وأيضًا المواد التي تتكون من جزيئات مشحونة: مثل؛ الإلكترونات والبروتونات. ويمكن لهذه المواد أن تظهر نوعاً من الخواص المغناطيسية عندما يتم مغنطتها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي يعرف بالمواد المغناطيسية. وقد تسببت هذه المواد في لحظات مغناطيسية دائمة أو دائمة في المجال المغناطيسي. ولدراسة الخواص المغناطيسية لهذه المواد، عادة، يتم وضع المادة في مجال مغناطيسي موحد، ثم يتم تغيير المجال المغناطيسي. في التكنولوجيا الحديثة، تلعب هذه المواد دورًا رئيسيًا وهي مكونات مهمة محولات والمحركات والمولدات. توفر هذه المقالة معلومات موجزة عن المواد المغناطيسية .

ما هي المواد المغناطيسية؟

تُعرف المواد الممغنطة بمجال مغناطيسي مطبق خارجيًا بالمواد المغناطيسية. وتحصل هذه المواد أيضًا على مغنطة عندما تنجذب إلى المغناطيس. ومن أمثلة هذه المواد؛ الحديد والكوبالت والنيكل.

يتم تصنيف هذه المواد إلى مواد صلبة مغناطيسيًا (أو) ناعمة مغناطيسيًا.

تتم ممغنطة المواد الصلبة مغناطيسيًا من خلال مجال مغناطيسي خارجي قوي جدًا يتم توليده بواسطة مغناطيس كهربائي. تُستخدم هذه المواد بشكل أساسي لإنشاء مغناطيس دائم مصنوع من سبائك تتكون عادةً من كميات متغيرة من الحديد والنيكل والألومنيوم والكوبالت والعناصر الأرضية النادرة مثل السماريوم والنيوديميوم والديسبروسيوم.

من السهل جدًا مغنطة المواد اللينة مغناطيسيًا على الرغم من أن المغناطيسية المستحثة مؤقتة. على سبيل المثال، إذا قمت بضرب مغناطيس دائم بمفك أو مسمار، فسوف يصبح ممغنطًا مؤقتًا وسيولد مجاله المغناطيسي الضعيف بسبب وجود عدد كبير من الحديد الذرات يتم محاذاة مؤقتًا في اتجاه مماثل من خلال المجال المغناطيسي الخارجي.

ملكيات

خصائص المواد المغناطيسية هي واحدة من المفاهيم الأساسية في الفيزياء. لذلك، تشمل الخصائص بشكل رئيسي؛ البارامغناطيسية، والمغناطيسية الحديدية، والمغناطيسية المضادة والتي سيتم مناقشتها أدناه.

البارامغناطيسية هي نوع من المغناطيسية حيث تنجذب بعض المواد بشكل ضعيف بواسطة مجال مغناطيسي يتم تطبيقه خارجيًا. إنه يشكل مجالات مغناطيسية داخلية ومستحثة ضمن اتجاه المجال المغناطيسي المطبق. في البارامغناطيسية، يتم ترتيب الإلكترونات غير المتزاوجة بشكل عشوائي.

المغناطيسية الحديدية هي ظاهرة تصبح فيها مادة مثل الحديد ممغنطة وتظل ممغنطة داخل مجال مغناطيسي خارجي لتلك المرحلة. في المغناطيسية الحديدية، تكون جميع الإلكترونات غير المتزاوجة متصلة ببعضها البعض.

المغناطيسية المضادة هي نوع من الترتيب المغناطيسي الذي يحدث بشكل رئيسي عندما تتم محاذاة اللحظات المغناطيسية للذرات (أو) الأيونات المجاورة في اتجاهات عكسية وتؤدي إلى لحظات مغناطيسية صافية صفر. لذا فإن هذا السلوك يرجع بشكل أساسي إلى التفاعل المتبادل بين الأيونات أو الذرات المتجاورة، مما يساعد على المحاذاة المضادة للتوازي لتقليل طاقة النظام. عادةً ما تظهر المواد المضادة للمغناطيسية ترتيبًا مغناطيسيًا تحت درجة حرارة معينة تعرف باسم؛ درجة حرارة النيل. ستصبح المادة عند درجة الحرارة هذه ذات مغناطيسية مسايرة وتفقد خصائصها المضادة للمغناطيسية.

كيف تعمل المواد المغناطيسية؟

تحتوي هذه المواد على مناطق صغيرة حيث يمكن توجيه العزم المغناطيسي ضمن اتجاه محدد يسمى المجالات المغناطيسية وهي المسؤولة بشكل أساسي عن الأداء الحصري للمواد. يمكن المساهمة بالطاقة الكاملة للمواد ببساطة من خلال طاقة متباينة الخواص وطاقة التبادل والطاقة المغناطيسية الساكنة. كلما تم تقليل حجم المادة المغناطيسية، فإنه يعزز المجالات المختلفة في المادة. لذلك، نظرًا لانخفاض الطاقة المغناطيسية الساكنة، فإن المزيد من جدران المجال سيزيد من طاقة التبادل وتباين الخواص. وبالتالي، فإن حجم المجال هو الذي سيحدد طبيعة المادة المغناطيسية.

العزم المغناطيسي ليس ثابتًا بالنسبة لبعض المواد التي لها أقطار جسيمات أصغر مقارنةً بقطر البارامغناطيسية الفائقة الحرج. عندما يكون قطر الجسيم بين القطر الحرج للمغنطيسية الفائقة والمجال الفردي، فإن العزم المغناطيسي سيصبح مستقرًا.

أنواع المواد المغناطيسية

هناك أنواع مختلفة من المواد المغناطيسية المتوفرة في السوق والتي سيتم مناقشتها أدناه.

المواد البارامغناطيسية

وهذه المواد لا تنجذب بقوة إلى المغناطيس مثل؛ القصدير والمغنيسيوم والألومنيوم وغيرها الكثير. هذه المواد لها نفاذية نسبية صغيرة ولكنها موجبة مثل نفاذية الألومنيوم وهي: 1.00000065. يتم ممغنطة هذه المواد فقط عندما تكون موجودة في مجال مغناطيسي قوي جدًا وتعمل في اتجاه المجال المغناطيسي.

عندما يتم توفير مجال مغناطيسي قوي خارجيًا، تقوم ثنائيات القطب المغناطيسي الدائم بتعديلها إلى موازية ذاتية للمجال المغناطيسي المطبق وتزيد إلى مغنطة إيجابية. إذا كان اتجاه ثنائي القطب موازيًا للمجال المغناطيسي المطبق غير كامل، فإن المغنطة تكون صغيرة للغاية.

المواد المغناطيسية

يتم صد هذه المواد من خلال المغناطيس مثل الزئبق والزنك والرصاص والخشب والنحاس والفضة والكبريت والبزموت وما إلى ذلك تسمى المواد المغناطيسية. هذه المواد لديها نفاذية أقل بقليل من واحد. على سبيل المثال، نفاذية مادة النحاس هي 0.000005، مادة البزموت 0.00083 والمواد الخشبية 0.9999995.

عندما تكون هذه المواد موجودة في مجال مغناطيسي قوي للغاية، فإن هذه المواد ستكون ممغنطة قليلاً وتعمل في الاتجاه المعاكس للمجال المغناطيسي المطبق. في هذه الأنواع من المواد، يوجد مجالان مغناطيسيان ضعيفان جدًا بسبب الثورة المدارية والدوران المحوري للإلكترونات حول النواة.

المواد المغناطيسية

تسمى هذه الأنواع من المواد التي تنجذب بقوة من خلال المجال المغناطيسي بالمواد المغناطيسية الحديدية. ومن أمثلة هذه المواد؛ النيكل، الحديد، الكوبالت، الفولاذ، إلخ. تتمتع هذه المواد بنفاذية عالية للغاية تتراوح من عدة مئات إلى آلاف.

يتم ترتيب ثنائيات القطب المغناطيسي داخل هذه المواد ببساطة في مجالات مختلفة حيث يكون ترتيب ثنائي القطب الفردي مثاليًا بشكل كبير ويمكن أن يولد مجالات مغناطيسية قوية. عادة، يتم ترتيب هذه المجالات بشكل عشوائي ويتم إلغاء المجال المغناطيسي لكل مجال من خلال مجال آخر ولا تظهر المادة بأكملها سلوك المغناطيس.

كلما تم توفير مجال مغناطيسي خارجي لهذه المواد، فإن المجالات ستعيد توجيه نفسها لدعم المجال الخارجي وتوليد مجال مغناطيسي داخلي قوي جدًا. ومن خلال خصم المجال الخارجي، تنتظر معظم المجالات وتستمر في التحالف في اتجاه المجال المغناطيسي.
ولذلك، فإن المجال المغناطيسي لهذه المواد يستمر حتى عندما يغادر المجال الخارجي. لذلك يتم استخدام هذه الخاصية الرئيسية لإنتاج المغناطيس الدائم الذي نستخدمه يوميًا. المواد المستخدمة في صنع المغناطيس الدائم عادة ما تكون ذات مغناطيسية عالية مثل الحديد والنيكل والنيوديميوم والكوبالت وغيرها.

يرجى الرجوع إلى هذا الرابط ل المواد المغناطيسية .

المواد الخام المغناطيسية

عادةً ما يتم تصنيع المغناطيس الدائم حول العالم من أنواع مختلفة من المواد ولكل مادة خصائص مختلفة. وتشمل هذه المواد بشكل رئيسي؛ النيكو، المطاط المرن، الفريت، كوبالت السماريوم والنيوديميوم والتي سيتم مناقشتها أدناه.

الفريت

تُعرف المجموعة الخاصة من المواد المغناطيسية الحديدية التي تحتل موقعًا وسطًا بين المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية باسم الفريت. تحتوي هذه المواد على جزيئات مادة مغناطيسية حديدية دقيقة تمتلك نفاذية عالية ويتم الاحتفاظ بها بشكل متبادل من خلال راتينج ملزم. في الفريت، تكون المغنطة المتولدة كافية جدًا على الرغم من أن تشبعها المغناطيسي ليس مرتفعًا مثل المواد المغناطيسية المغناطيسية.

إن إنتاج هذه المواد ليس مكلفًا ويرتبط ذلك بقوتها المغناطيسية. وهي أضعف بكثير مقارنة بالمواد الأرضية النادرة، لكنها لا تزال تستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات التجارية. تتمتع هذه المواد بقوة تشبه مقاومة التآكل وإزالة المغناطيسية.

النيوديميوم

النيوديميوم هو عنصر أرضي نادر جداً ((Nd)) وعدده الذري 60، تم اكتشافه ببساطة في عام 1885 على يد الكيميائي النمساوي كارل أوير فون ويلسباخ، ويتم خلط هذه المادة عن طريق البورون والحديد وآثار عناصر أخرى. مثل البراسيوديميوم والديسبروسيوم لتوليد سبيكة مغناطيسية حديدية تسمى Nd2Fe14b وهي أقوى مادة مغناطيسية، ويحل مغناطيس النيوديميوم محل أنواع أخرى من المواد في العديد من الأجهزة الصناعية والتجارية الحديثة.

النيكو

اختصار الألومنيوم والنيكل والكوبالت هو 'النيكو' حيث يتم استخدام هذه العناصر الرئيسية الثلاثة في الغالب في إنشاء مادة النيكو المغناطيسية. هذه المغناطيسات عبارة عن مغناطيسات دائمة قوية جدًا مقارنة بالمغناطيسات الأرضية النادرة. يمكن استبدال مغناطيس النيكو بمغناطيس دائم بداخله المحركات ومكبرات الصوت والمولدات.

سماريوم كوبالت

تم تطوير هذه المغناطيسات ببساطة بواسطة مختبر المواد التابع للقوات الجوية الأمريكية في أوائل السبعينيات. كوبالت السماريوم أو SmCo عبارة عن مادة مغناطيسية مصنوعة من سبيكة من عناصر أرضية غير عادية مثل؛ سماريوم، معدن صلب كوبالت، آثار حديد، هافنيوم، نحاس، براسيوديميوم، زركونيوم. مغناطيس كوبالت السماريوم عبارة عن مغناطيسات أرضية نادرة مثل النيوديميوم لأن السماريوم عنصر من عناصر مجموعة أرضية نادرة مماثلة مثل النيوديميوم.

المواد المغناطيسية مقابل المواد غير المغناطيسية

وتناقش أدناه الاختلافات بين هاتين المادتين.

مقارنة

تتم مناقشة المقارنة بين المواد المغناطيسية المختلفة أدناه.

التطبيقات

ال تطبيقات المواد المغناطيسية تشمل ما يلي.

• وتستخدم هذه لتوليد وتوزيع الكهرباء في الأجهزة التي تستخدم الكهرباء.
• يتم استخدامها لتخزين البيانات على أقراص الصوت والفيديو وأقراص الكمبيوتر.
• وتستخدم هذه المواد على نطاق واسع في الحياة والإنتاج وعلوم وتكنولوجيا الدفاع الوطني.
• وتستخدم هذه المنتجات في تصنيع المحولات والمحركات المختلفة في مجال تكنولوجيا الطاقة، والمكونات المغناطيسية المختلفة وأنابيب الميكروويف في مجال التكنولوجيا الإلكترونية، والمكثفات والمرشحات في مجال تكنولوجيا الاتصالات، والمدافع الكهرومغناطيسية، والأجهزة المنزلية، والمناجم المغناطيسية في مجال تكنولوجيا الدفاع الوطني.
• وتستخدم هذه على نطاق واسع في الاستكشاف المعدني والجيولوجي واستكشاف المحيطات والتقنيات الجديدة في مجال الطاقة والمعلومات والفضاء وعلم الأحياء.
• تلعب هذه المواد دورًا مهمًا في مجال التكنولوجيا الإلكترونية ومجالات العلوم والتكنولوجيا الأخرى.
• هذه قابلة للتطبيق في الإلكترونيات والطب والهندسة الكهربائية وما إلى ذلك.
• وتستخدم في صناعة الأجهزة الإلكترونية والكهربائية مثل المحركات الكهربائية والمحولات والمولدات.
• وتستخدم هذه في إنتاج أجهزة التخزين المغناطيسية مثل؛ الأقراص المرنة، ومحركات الأقراص الصلبة، والأشرطة المغناطيسية.
• يتم استخدام هذه الأنواع من المواد في إنتاج أجهزة الاستشعار المغناطيسي مثل؛ أجهزة استشعار تأثير هول، وأجهزة استشعار المجال المغناطيسي وأجهزة الاستشعار المقاومة المغناطيسية.
• هذه قابلة للتطبيق في المعدات الطبية مثل؛ أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وأجهزة تنظيم ضربات القلب وأنظمة توصيل الأدوية القابلة للزرع.
• يتم استخدامها في طرق الفصل المغناطيسي، والتي تستخدم لفصل الجزيئات المغناطيسية عن الجزيئات غير المغناطيسية.
• وتستخدم هذه المواد في توليد الطاقة المتجددة مثل؛ محطات الطاقة الكهرومائية وتوربينات الرياح.

هكذا هذا نظرة عامة على المغناطيسي المواد، أنواعها، فروقها، مقارنة المواد، وتطبيقاتها. وهنا سؤال لك، ما هو المغناطيس؟