آهنربا

حوزه‌های مغناطیسی و آهنرباهای دائمی

مواد فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی تا وقتی که در میدان مغناطیسی قرار نگیرند، خاصیت مغناطیسی پیدا نمی‌کنند. دلیل این امر آن است که در این مواد به‌طور خودبه‌خود نواحی بسیار کوچکی به نام «حوزه‌های مغناطیسی» (Magnetic domains) تشکیل می‌شود. حوزه‌ها نواحی‌ای در ماده هستند که در آن‌ها تمام گشتاورهای مغناطیسی هم‌جهت هستند. اما تا پیش از آن که ماده در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد، جهت‌گیری حوزه‌ها به صورت تصادفی است و همین باعث می‌شود که اثر یکدیگر را خنثی کنند و مغناطش خالص ماده صفر شود. این امر باعث می‌شود که انرژی مغناطیسی کل ماده به حداقل برسد. حوزه‌ها توسط ناحیه‌هایی واسطه‌ای به نام «دیواره‌های بلوخ» (Bloch Walls) از هم جدا می‌شوند. در این دیواره‌ها جهت گشتاور مغناطیسی به تدریج و به‌طور پیوسته از یک حوزه به حوزهٔ دیگر تغییر می‌کند. اندازهٔ حوزه‌ها در حدود ۰٫۰۰۵ سانتی‌متر و ضخامت دیواره‌ها در حدود ۱۰۰ نانومتر است.
با اعمال میدان مغناطیسی به ماده، حوزه‌هایی که با میدان همسو هستند به تدریج حوزه‌های همسو نشده را جذب می‌کنند و گسترش می‌یابند. برای گسترش حوزه‌ها، باید دیواره‌ها حرکت کنند که انرژی مورد نیاز آن توسط میدان مغناطیسی تأمین می‌شود. در ابتدای کار حوزه‌ها به دشواری رشد می‌کنند و برای ایجاد یک مغناطش کوچک، میدان مغناطیسی باید به مقدار نسبتاً زیادی افزایش یابد. با افزایش شدت میدان، حوزه‌هایی که جهت‌گیری موافق دارند سریع‌تر رشد می‌کنند و در نهایت حوزه‌های با جهت‌گیری نامطلوب از بین می‌روند و با میدان همسو می‌شوند. در این حالت ماده به مغناطش اشباع می‌رسد که ناشی از همسو شدن تمام حوزه‌ها با میدان مغناطیسی است و بیشترین مغناطشی است که ماده می‌تواند کسب کند. با حذف میدان مغناطیسی، مقاومت اعمال شده از سوی دیواره‌ها مانع تغییر جهت مجدد حوزه‌ها می‌شود. در نتیجه بسیاری از حوزه‌ها با میدان اصلی تقریباً هم‌جهت می‌مانند و ماده به یک آهنربای دائمی تبدیل می‌شود.

ویژگی‌های آهنربای دائمی

آهنرباهای دائمی چند ویژگی مهم دارند که در ساخت و کاربرد آن‌ها در زمینه‌های مختلف نقشی اساسی دارند:

پسماند

برای ساخت آهنربا، یک مادهٔ فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی درون یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. با افزایش شدت میدان مذکور، حوزه‌های مغناطیسی درون ماده همسو می‌شوند تا جایی که ماده به مغناطش اشباع می‌رسد. اما در این حالت اگر میدان مغناطیسی را حذف کنیم، ماده خاصیت مغناطیسی خود را از دست نمی‌دهد. چرا که حوزه‌هایی که با میدان همسو شده‌اند به راحتی جهت خود را تغییر نمی‌دهند و به همین دلیل ماده مقداری از مغناطش اشباع را در خود نگه‌می‌دارد. به این مغناطش باقیمانده در آهنربا، «پسماند مغناطیسی» یا «پسماند» (hysteresis) گفته می‌شود. هرچه پسماند بیشتر باشد، آهنربا قوی‌تر است.

وادارندگی

برای زدودن کامل میدان مغناطیسی یک آهنربا، باید آن را در معرض یک میدان مغناطیسی با جهت مخالف قرار داد. به اندازهٔ این میدان مغناطیسی، «وادارندگی» (coericivity) گفته می‌شود. هر چه وادارندگی بیشتر باشد، آهنربا دائمی‌تر است.
موادی که وادارندگی بالایی دارند را «مواد مغناطیسی سخت» می‌نامند که برای ساخت آهنرباهای دائمی به کار می‌روند. برای بعضی از کاربردها به موادی نیاز است که وادارندگی پائینی داشته باشند. این مواد را «مواد مغناطیسی نرم» می‌نامند که برای ساخت «آهنرباهای موقت» به کار می‌روند. در آهنرباهای موقت با حذف میدان خارجی، خاصیت مغناطیسی ماده نیز از بین می‌رود. این مواد اغلب برای تقویت چگالی شار مغناطیسی در موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها، هستهٔ آهنرباهای الکتریکی و… استفاده می‌شوند. به موادی که وادارندگی‌شان مابین این دو حد باشد، «مواد مغناطیسی نیمه‌سخت» گفته می‌شود. برخی مواد مانند آهن (Fe) مگنتیت (Fe₃O₄) و ذرات اکسید کروم (CrO₂) که برای ساخت ابزارهای ضبط مغناطیسی به کار می‌روند از این دسته هستند. وادارندگی مغناطیسی این مواد از مواد نرم بیشتر است تا بتوانند اطلاعات ذخیره شده را حفظ کنند. از سوی دیگر وادارندگی‌شان از مواد سخت کمتر است تا بتوان اطلاعات نوشته شده روی آن‌ها را پاک کرد.

توان آهنربایی یا حاصلضرب انرژی

دو کمیّت پسماند و وادارندگی به هم وابسته هستند. به حاصلضرب بیشترین مقادیر این دو کمیّت در یکدیگر، «توان آهنربایی» یا «حاصلضرب انرژی»  گفته می‌شود. واحد این کمیّت کیلوژول بر متر مکعب است و معیاری برای حجم مورد نیاز یک آهنربا برای تولید شار مغناطیسی مورد نظر است. همچنین می‌توان آن را به عنوان انرژی مورد نیاز برای مغناطیس‌زدایی یک آهنربا نیز تعریف کرد. آهنرباهای دائمی قوی که آهنرباهای سخت نیز نامیده می‌شوند، باید بالاترین حاصلضرب انرژی را داشته باشند. این رکورد هم‌اکنون متعلق به آهنرباهای نئودیمیم است.

دمای کوری

«دمای کوری» (Curie point) حداکثر دمایی است که در آن آهنربا می‌تواند خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کند. خاصیت مغناطیسی آهنربا به دما وابسته است. با افزایش دمای آهنربا، جنبش حوزه‌های مغناطیسی در آن بیشتر می‌شود. با رسیدن دمای آهنربا به دمای کوری، جنبش ذرات ماده جهت‌گیری حوزه‌های مغناطیسی را برهم می‌زند و خاصیت مغناطیسی ماده از بین می‌رود. دمای کوری مواد مختلف متفاوت است و می‌توان آن را با افزودن عنصرهای آلیاژی تغییر داد. این کمیت به افتخار فیزیک‌دان فرانسوی پی‌یر کوری چنین نامیده شده‌است.

ناهمسانگردی

به وابستگی رفتار مغناطیسی ماده به ساختار آن، «ناهمسانگردی» (Anisotropy) گفته می‌شود. ناهمسانگردی خود انواع مختلف دارد. به وابستگی رفتار مغناطیسی ماده به جهت‌گیری ساختار بلوری آن، «ناهمسانگردی مغناطیسی بلوری» (Magnetocrystalline Anisotropy) گفته می‌شود. به عنوان مثال وقتی که یک قطعه آهن را درون یک میدان مغناطیسی قرار می‌دهیم، رابطهٔ مغناطیسی شدن آهن نسبت به میدان اعمال شده، بستگی دارد به جهت میدان مغناطیسی اعمال شده نسبت به جهت‌گیری ساختار بلوری آهن. برای بعضی مواد جهتی وجود دارد که در آن آسان‌تر مغناطیسی می‌شوند. یعنی به‌ازای میدان مغناطیسی کمتری به مغناطش اشباع خود می‌رسند. بر همین اساس برای مواد مختلف، جهت‌های «آسان» یا «سخت» مغناطیسی شدن وجود دارد.
ناهمسانگردی ممکن است به شکل ذرات ماده نیز بستگی داشته باشد که در این حالت به آن «ناهمسانگردی شکلی» (Shape Anisotropy) گفته می‌شود. مثلاً برای ساخت ابزارهای ضبط مغناطیسی، از ذره‌های سوزنی‌شکل CrO₂ استفاده می‌شود چرا که این ذراتِ کشیده، وادارندگی مغناطیسی بیشتری دارند.

حلقهٔ پسماند

همان‌طور که گفته شد برای ساختن یک آهنربای دائمی باید نمونهٔ مورد نظر را در معرض یک میدان مغناطیسی قرار داد. اگر طی این فرایند، مقدار القائیدگی یا مغناطش (B) را به ازای مقادیر مختلف میدان مغناطیسی اعمال شده (H) اندازه‌گیری و نمودار آن را رسم کنیم، شکلی حاصل می‌شود که به آن «حلقهٔ پسماند» (Hystersis Loop) گفته می‌شود. با کمک حلقهٔ پسماند می‌توان ویژگی‌های مغناطیسی جسمی که به آهنربا تبدیل می‌شود را بررسی کرد.
همان‌طور که در شکل دیده می‌شود، وقتی جسم برای اولین بار در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، مسیر ۱→۰ را طی می‌کند تا به حداکثر مغناطش ممکن یا «مغناطش اشباع» (Bₛ) برسد. اما پس از این مرحله، اگر میدان مغناطیسی را به تدریج کم و نهایتاً حذف کنیم، مغناطش جسم مجدداً به صفر برنمی‌گردد. بلکه مسیر متفاوت ۲→۱ را می‌پیماید. ملاحظه می‌شود که با صفر شدن میدان، مغناطشی معادل Bᵣ در جسم باقی می‌ماند که به آن «پسماند» آهنربا گفته می‌شود. برای زدودن مغناطش باقیمانده در جسم، باید میدانی مغناطیسی در جهت مخالف به آن اعمال کرد. با افزایش این میدان تا Hc، (مسیر ۳→۲) مغناطش ماده زدوده می‌شود. اندازهٔ Hc را «وادارندگی» آهنربا می‌نامند. با در نظر گرفتن این که علامت منفی به معنی جهت مخالف میدان مغناطیسی است، می‌توان این نمودار را در هر چها ربع محور مختصات رسم کرد و شکل کامل حلقه را به دست آورد.
توان آهنربایی نیز به اندازهٔ حلقهٔ پسماند بستگی دارد. چرا که این کمیّت حاصلضرب بیشترین مقادیر پسماند و وادارندگی در یکدیگر است و به عبارت دیگر برابر مساحت بزرگترین مستطیلی است که می‌توان در ربع دوم یا چهارم حلقهٔ پسماند رسم کرد.
وادارندگی آهنربا معیاری از میزان دائمی بودن آن است. مواد مغناطیسی سخت (آهنرباهای دائمی) وادارندگی بیشتری نسبت به مواد مغناطیسی نرم (آهنرباهای موقت) دارند و حلقهٔ پسماند آن‌ها پهن‌تر از مواد مغناطیسی نرم است.

آهنرباهای فریت

آهنرباهای فریت یا آهنرباهای سرامیکی، از ترکیب اکسید آهن و فلزهای دو ظرفیتی مانند نیکل، منگنز، باریم، سرب ایتریم و… ساخته می‌شوند. آن‌ها مانند بقیهٔ سرامیک‌ها سخت و شکننده هستند و رنگشان سیاه یا خاکستری است. فریت‌ها جز مواد فری‌مغناطیسی هستند و قدرت آهنربایی‌شان از از مواد فرومغناطیسی کمتر است. فریت‌ها در مجموع آهنرباهای قوی‌ای محسوب نمی‌شوند و توان آهنربایی‌شان از ۳۰ کیلوژول بر متر مکعب فراتر نمی‌رود. اما برخی ویژگی‌های خاص آن‌ها از جمله ارزان بودن، فراوان بودن مواد اولیه، سادگی روش تولید، مقاومت شیمیایی بالا، دمای کوری بالا و عایق یا رسانای بسیار ضعیف الکتریسیته بودن، باعث شده که کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف داشته باشند. آهنربای طبیعی یا همان سنگ لودستون ()، نمونه‌ای از یک آهنربای فریت است.

آهنرباهای آلنیکو

آهنرباهای آلنیکو آلیاژ آهن با سه عنصر آلومینیم، نیکل و کبالت هستند و واژهٔ «آلنیکو» از همین سه عنصر (Al-Ni-Co) گرفته شده. البته در ترکیب آن‌ها گاهی عنصرهای دیگری مانند مس یا تیتانیم نیز به کار می‌رود. برای اشاره به آلیاژهای مختلف آلنیکو از شماره‌گذاری استفاده می‌شود. مثلاً «آلنیکو ۵» شامل ۶۱٪ آهن، ۸٪ آلومینیم، ۱۴٪ نیکل، ۲۴٪ کبالت و ۳٪ مس است. یکی از مزایای مهم این آهنرباها دمای کوری بالای آن‌ها (۸۵۰–۷۰۰ درجهٔ سلسیوس) است. آن‌ها از نظر شیمیایی و فیزیکی بسیار مقاوم هستند به طوری که «آلنیکو ۵» عملاً تنها آهنربایی است که می‌تواند به مدت طولانی در دماهایی تا ۵۰۰ درجهٔ سانتی گراد کار کند. نقطه ضعف آلنیکوها این است که وادارندگی آن‌ها به ویژه در مقایسه با آهنرباهای خاکی کمیاب پایین است و همین باعث کمتر بودن توان آهنربایی آن‌ها نیز می‌شود. توان آهنربایی آلنیکوها حداکثر ۸۰ کیلوژول بر متر مکعب است که از فریت‌ها بیشتر و از آهنرباهای خاکی کمیاب کمتر است. با این حال قیمت آن‌ها نسبتاً ارزان است و در ساخت حسگرهای مختلف و موتورها و ژنراتورهایی که در دماهای بالا کار می‌کنند، از آن‌ها استفاده می‌شود.

آهنرباهای خاکی کمیاب

آهنرباهای دائمی را در کل می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: آهنرباهای معمولی و آهنرباهای پرانرژی. توان آهنرباهای معمولی بین ۲ تا ۸۰ کیلوژول بر متر مکعب است و شامل آهنرباهای آلیاژهای مختلف فولاد، آلنیکوها و فریت‌ها هستند. اما آهنرباهای پرانرژی توانی بیش از ۸۰ کیلوژول بر متر مکعب دارند. این مواد نسبتاً جدید هستند و از ترکیبات عنصرهای خاکی کمیاب ساخته می‌شوند. دو گروه اصلی این آهنرباها که به صورت تجاری تولید می‌شوند عبارتند از «آهنرباهای ساماریم-کبالت» و «آهنرباهای نئودیمیمی»:

۱-آهنرباهای ساماریم-کبالت

این مواد جزء آلیاژهایی هستند که از ترکیب آهن یا کبالت و یک فلز خاکی کمیاب مانند ساماریم تشکیل می‌شوند. در این میان دو ترکیب SmCo₅ و Sm₂Co₁₇ به صورت تجاری تولید می‌شوند که با توجه به ترکیب درصدشان اولی را «سری ۱:۵» و دومی را «سری ۲:۱۷» می‌نامند. توان آهنربایی آن‌ها نسبت به آهنرباهای معمولی به طرز چشمگیری بالاتر است و علاوه بر آن وادارندگی بیشتری نیز دارند. این آهنرباها دمای کوری بالایی دارند و «سری ۲:۱۷» می‌تواند در دماهای بالا تا حداکثر ۳۵۰ درجهٔ سانتی‌گراد کارکند. مقاومت آن‌ها به خوردگی بسیار بالاست و نیازی به روکش یا آبکاری ندارند. از آهنرباهای ساماریم-کبالت در جاهایی استفاده می‌شود که نیاز به پایداری مغناطیسی با تغییر دما وجود دارد مانند موتورهای با کارایی بالا، یاتاقان‌های مغناطیسی، جداکننده‌های مغناطیسی و …. مشکل آن‌ها این است که ترد و شکننده هستند و در صورت ضربه خوردن یا افتادن می‌شکنند. همچنین ساماریم عنصری کمیاب و نسبتاً گران است و قیمت و منابع تولید کبالت نیز ثبات کافی ندارند. از این رو تهیهٔ این آهنرباها گران و مشکل است.