آهنربا
تاریخچه

انسان از قرن‌ها پیش از میلاد مسیح آهنربای طبیعی را می‌شناخته‌است. آهنربای طبیعی یکی از اکسیدهای آهن (Fe3O4) به نام مگنتیت (Magnetite) است که در برخی معدن‌های آهن یافت می‌شود. در دوران باستان این کانی در منطقه‌ای به نام «مگنزیا» (Magnesia) استخراج می‌شده و کلمهٔ مگنت به معنی آهنربا از نام همین منطقه گرفته شده‌است. در بعضی منابع آمده که مگنزیا منطقه‌ای در استان تسالی در یونان است و در در بعضی دیگر آن را واقع در آسیای صغیر در استان مانیسا در ترکیهٔ کنونی دانسته‌اند. یونانیان دست کم از ۶۰۰ سال پیش از میلاد مسیح که تالس ملطی در نوشته‌هایش به این کانی اشاره کرده آن را می‌شناخته‌اند. نخستین کاربرد آهنربا استفاده از آن در قطب‌نما بود. چینی‌ها از حدود قرن دهم و اروپاییان از حدود قرن دوازدهم میلادی از قطب‌نما استفاده می‌کرده‌اند. این کانی را بعدها «سنگ لودستون» (Lodestone) نامیدند که به معنای «سنگ راهنما» است و اشاره به استفاده از آن در قطب‌نما برای جهت‌یابی دارد. در آن دوران انسان هیچ دانشی از طرز کار قطب‌نما و خواص مغناطیسی آهنربا نداشت و این مقوله کاملاً با خرافات آمیخته بود. نخستین تلاش‌ها برای تشخیص خرافات از واقعیت، توسط شخصی به نام «پیتر پِرِگرینوس» (Peter Peregrinus) در قرون وسطی در ایتالیا انجام گرفت. پرگرینوس در خدمت ارتش پادشاه سیسیل بود و ظاهراً در آن جا یک مهندس نظامی بود. او در تحقیقات خود بر روی آهنربا برای نخستین بار از روش مشاهده و آزمایش استفاده کرد. پرگرینوس اولین کسی بود که وجود دو قطب متمایز را در آهنربا کشف کرد و برای اشاره به آن‌ها واژهٔ «قطب» (polus) را ابداع کرد. وی با استفاده از قطعه‌های شناور سنگ لودستون آزمایش‌هایی ساده ترتیب داد و مشاهده کرد که قطعهٔ باریکی از این سنگ همیشه در جهت خاصی قرار می‌گیرد و دو قطب همنام یکدیگر را دفع و دو قطب ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند و نیز این که با مالیدن آهن به کانی لودستون، خود آهن نیز به آهنربا تبدیل می‌شود. وی تمام آنچه تا آن زمان دربارهٔ آهنربا شناخته شده بود را به همراه نتیجهٔ تحقیقات مهم‌اش در رساله‌ای گردآوری و در ۱۲۶۹ منتشر کرد.
در طول سه قرن بعد استفاده از قطب‌نما همچنان ادامه داشت اما پیشرفت علمی خاصی به دست نیامد. گام مهم بعدی را در این زمینه پزشک و فیزیک‌دان انگلیسی ویلیام گیلبرت (۱۵۴۴–۱۶۰۳) برداشت. او نخستین کسی بود که به بررسی علمی آهنربا و مغناطیس پرداخت و باورهای خرافی پیرامون آن را زدود. گیلبرت در سال ۱۶۰۰ میلادی کتاب معروف خود با عنوان «دربارهٔ آهنربا، اجسام آهنربایی و زمین به مثابه آهنربای بزرگ» (De magnete, magneticisque Corporibus, et de magno magnete tellure) را به زبان لاتین منتشر کرد و در آن به بیان نتایج تحقیقات خود پرداخت. او ویژگی‌های نیروهای جاذبهٔ الکتریکی و مغناطیسی را بررسی کرد و تفاوت الکتریسیته و مغناطیس را مشخص کرد. وی کشف کرد که با نصف کردن یک آهنربا مجدداً دو قطب تازه تشکیل می‌شود. اما مهمترین کشف او این بود که زمین خود یک آهنربای بزرگ است. با این کشف معلوم شد چرا سوزن قطب‌نما همیشه در جهت خاصی قرار می‌گیرد یا چرا هنگامی که به صورت معلق قرار گیرد، یک سر آن به سمت زمین متمایل می‌شود. تا زمان گیلبرت قوی‌ترین آهنربا همان کانی لودستون بود. گیلبرت متوجه شد که با قرار دادن قطعه‌های آهن نرم روی لودستون، می‌توان قدرت آهنربایی این سنگ را افزایش داد. او کلاهک‌هایی آهنی را به دو سر قطعه‌های لودستون نصب کرد و به گفتهٔ خودش «آهنربای مسلح» را ساخت که در زمان خود قوی‌ترین آهنربای موجود بود. گیلبرت در کتابش سه روش شناخته شدهٔ آن زمان برای تبدیل فولاد به آهنربا را شرح داد:
مالیدن فولاد به سنگ لودستون.
گداختن یک میلهٔ فولادی و چکش‌کاری آن در حالی که در امتداد شمال-جنوب (جهت میدان مغناطیسی زمین) قرار دارد.
قرار دادن یک قطعه فولاد گداخته (سرخ شده) در جهت میدان مغناطیسی زمین و رها کردن آن تا زمانی که سرد شود.
او همچنین متوجه شد که میله‌های فولادی‌ای که برای زمان‌های طولانی مثل بیست یا سی سال در امتداد میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند، مثل میله‌های پنجره‌ها، بدون نیاز به گداختن، به آهنربا تبدیل می‌شوند. تا حدود دو قرن بعد، روش‌های اصلی ساخت آهنربا همین‌ها بود.
با دانش و فناوری آن دوران، گیلبرت نمی‌توانست فراتر از آن حد برود؛ ولی راه را برای دانشمندان آینده باز کرد. در طی دو قرن بعد پژوهش‌های بیشتری روی الکتریسیته و مغناطیس انجام شد و پیشرفت‌های بیشتری به دست آمد. در قرن هجدهم میلادی، فیزیک‌دان فرانسوی کولن برهم‌کنش بین دو آهنربای باریک و دراز را بررسی کرد و با استفاده از ترازوی پیچشی، نیروهای دافعه و جاذبهٔ بین قطب‌های همنام و ناهمنام را به صورت کمی اندازه‌گیری کرد. او هر قطب آهنربا را با یک «مقدار مغناطیسی» یا «قطب مغناطیسی» مشخص کرد و مشاهده کرد که نیروی بین آن‌ها با حاصل ضرب مقدارهای مغناطیسی نسبت مستقیم و با مجذور فاصلهٔ آن‌ها از یکدیگر نسبت عکس دارد. این رابطه شبیه رابطهٔ نیروی الکتروستاتیکی بین بارهای الکتریکی است. اما کولن متوجه شد که بر خلاف بارهای الکتریکی، قطب‌های مغناطیسی را نمی‌توان از هم جدا کرد و علاوه بر آن دو قطب یک آهنربا همیشه مقدار مغناطیسی برابری دارند. با این مشاهده، کولن فرض کرد که دو قطب مغناطیسی در ذرهٔ بنیادی سازندهٔ آهنربا از هم تفکیک ناپذیرند. به عبارت دیگر او پذیرفت که هر ذرهٔ کوچک این جسم (اتم، مولکول یا گروه کوچکی از اتم‌ها یا مولکول‌ها) آهنربای کوچکی با دو قطب در دو انتها است. این قدمی مهم در توسعهٔ نظریهٔ مواد مغناطیسی در آینده بود. در قرن نوزدهم مطالعات بیشتری روی رابطهٔ الکتریسیته و مغناطیس انجام شد. اما گام‌های اساسی را در این دوران مایکل فارادی برداشت. او با استفاده از نتایج کارهای دانشمندانی مانند آمپر و اورستد، به مطالعه و آزمایش در زمینهٔ الکتریسیته و مغناطیس پرداخت. فارادی در ۱۸۲۱ کشف کرد که الکتریسیته می‌تواند باعث حرکت فیزیکی آهنربا شود. این پدیده اساس کار موتورهای الکتریکی است. وی در ۱۸۳۱ میلادی نیز کشف کرد که حرکت فیزیکی آهنرباها می‌تواند جریان الکتریسیته تولید کند که این پدیده نیز اساس کار ژنراتورهای برق است. فارادی مطالعات بیشتری روی آهنربا و مغناطیس انجام داد و در ۱۸۴۵ مواد را به دو دسته تقسیم کرد: مواد «پارامغناطیس» که به صورت طبیعی خواص مغناطیسی دارند و جذب میدان مغناطیسی می‌شوند؛ و مواد «دیامغناطیس» که میدان مغناطیسی نمی‌تواند در آن‌ها نفوذ کند و توسط هر دو قطب آهنربا دفع می‌شوند. تا اواخر قرن نوزدهم تمام عنصرهای شناخته شدهٔ آن دوران و بسیاری از ترکیب‌های آن‌ها مورد آزمایش قرار گرفتند و معلوم شد که اکثر آن‌ها دیامغناطیس هستند؛ و فقط سه عنصر آهن، نیکل و کبالت و بعضی ترکیب‌های آن‌ها «فرومغناطیس» هستند. یعنی پس از دور کردن میدان مغناطیسی از آن‌ها، همچنان خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و به آهنربای دائمی تبدیل می‌شوند.
تا آن زمان دستاوردهایی در زمینهٔ ساخت و تولید آهنرباها به دست آمده بود. در دههٔ ۱۷۷۰ میلادی، فیزیک‌دان انگلیسی «گوین نایت» (Gowin Knight) یک آهنربای ترکیبی اختراع و آن را به صورت تجاری تولید کرد. او پودر اکسید آهن را با آب مخلوط کرد و به آن روغن بَزرَک افزود. سپس خمیر به دست آمده را قالب‌گیری کرد و آن را در کوره پخت. آن گاه محصول را مغناطیده کرد (در معرض میدان مغناطیسی قرار داد) و آهنربایی به دست آورد که برای زمان خود آهنربای قوی‌ای محسوب می‌شد. این آهنربا دقت قطب‌نماها را افزایش داد. حدود یک قرن بعد به لطف پیشرفت در صنعت فولاد آهنرباهای قوی‌تری ساخته شد. در دههٔ ۱۸۸۰، با مغناطیده کردن فولادِ آلیاژ شده با تنگستن و کروم، آهنرباهایی ساخته شد که توان آهنربایی‌شان معادل ۲٫۴ کیلوژول بر متر مکعب بود. برای مقایسه، توان آهنربایی کانی لودستون حدود ۱ کیلوژول بر متر مکعب است. به لطف تولید انبوه فولاد، قیمت آهنرباها نیز کاهش یافت و شرکت «وستینگ هاوس الکتریک» (Westing House Electric) با به‌کارگیری آهنرباها در ژنراتورهای برق، در ۱۸۸۶ نخستین نیروگاه برق تاریخ را تأسیس کرد.
اما با دانش آن زمان هنوز شناخت و تشریح دقیق سازوکار آهنربا و میدان مغناطیسی ممکن نبود. در اوائل قرن بیستم و با شناخت ساختار اتم، مشخص شد که خاصیت مغناطیسی مواد، ناشی از اسپین الکترون یا به عبارت دیگر چرخش الکترون به دور خود است که باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود. در ۱۹۰۷ فیزیک‌دان فرانسوی «پی‌یر ارنست وایس» (Pierre-Ernest Weiss) این فرضیه را ارائه کرد که مواد فرومغناطیسی از نواحی بسیار کوچکی به نام «حوزه‌های مغناطیسی» تشکیل شده‌اند که در هر حوزه میدان‌های مغناطیسی تمام الکترون‌ها هم‌جهت هستند. در حالت عادی هر حوزه جهت‌گیری خاص خود را دارد و در نتیجه برآیند کل میدان‌های حوزه‌ها در ماده صفر است. اما هنگامی که این حوزه‌ها در اثر یک میدان مغناطیسی خارجی همراستا می‌شوند، جسم نیز خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند. در ۱۹۳۱ وجود این حوزه‌ها از طریق آزمایش ثابت شد.
به لطف پیشرفت دانش نظری مغناطیس در قرن بیستم، در زمینهٔ ساخت آهنرباها نیز پیشرفت‌های بزرگی حاصل شد. در ۱۹۱۷، فیزیک‌دان ژاپنی «کوتارو هوندا» (Kotaro Honda) و همکارانش کشف کردند که افزودن کبالت به آلیاژ تنگستن-کرومِ فولاد، توان آهنربایی را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد. آن‌ها توانستند آهنربایی با توان ۷٫۶ بسازند. در ۱۹۳۰ ائتلافی از چند شرکت انگلیسی شروع به تولید انبوه این آهنربا کرد.
در همین سال کشفی جدید، مسیر تحقیقات آهنرباها را تغییر داد. آلیاژی از نیکل آلومینیوم و آهن (Ni-Al-Fe) ساخته شد که توان آهنرباییش ۱۰ بود. با افزودن عنصرهایی مانند مس، کبالت، تیتانیم و نیوبیم به ترکیب Ni-Al-Fe، خانوادهٔ جدیدی از آهنرباها به وجود آمد که به آهنرباهای «آلنیکو» معروف شدند. به تدریج با تغییر در ترکیب آلیاژهای این خانواده و همچنین استفاده از فرایندهای جدید متالورژی، توان آهنربایی آلنیکوها به عدد ۱۰۳ رسید. با کشف آهنرباهای آلنیکو برای اولین بار امکان جایگزین کردن آهنرباهای الکتریکی با آهنرباهای دائمی فراهم شد. این امر منجر به ظهور نسل جدیدی از موتورها و ژنراتورهای الکتریکی شد.
در دههٔ ۱۹۵۰، «آهنرباهای فریت» یا سرامیکی توسط شرکت فیلیپس کشف و ارائه شدند. این آهنرباها سرامیک‌هایی هستند که از ترکیب اکسید آهن با فلزهای دو ظرفیتی مانند باریم، سرب یا استرانسیم ساخته می‌شوند. توان آهنربایی آن‌ها کمتر از آلنیکوها است اما قیمت تمام شدهٔ آن‌ها پایین بود و در سطحی وسیع به کار گرفته شدند.
اما پیشرفت انقلابی در این زمینه در دههٔ ۱۹۶۰ رخ داد. در این دهه خانوادهٔ دیگری از آهنرباها موسوم به «آهنرباهای خاکی کمیاب» کشف شد. همان‌طور که از نامشان پیداست این آهنرباها از ترکیبات عنصرهای خاکی کمیاب ساخته می‌شوند. آن‌ها توان بسیار بالایی دارند. نخستین آهنربای این خانواده ترکیبی از ساماریم و کبالت با فرمول SmCo5 بود که توانی برابر ۶۴ داشت. با انجام پژوهش‌های بیشتر توان آن‌ها به ۱۵۸ نیز رسید. نسل دوم این آهنرباها در قالب ترکیب Sm2Co17 تولید شدند که با استفاده از فرایندهای خاص متالورژی و نیز افزودن عنصرهایی مانند وانادیم، تانتال، زیرکونیم و نیوبیم به این ترکیب، آهنرباهایی با توان ۲۳۸ به دست آمد. در ۱۹۸۳ آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور کشف شدند که می‌توان آن‌ها را نسل سوم آهنرباهای عنصرهای خاکی کمیاب دانست. این خانواده به «آهنرباهای نئودیمیم» معروفند. محقق ژاپنی «ماساتو ساگاوا» (Masato Sagawa) با کشف ترکیب Nd15Fe77B8 آهنربایی با توان ۲۹۰ ساخت. با پژوهش‌های بیشتر مشخص شد که حداکثر توان آهنرباهای نئودیمیم در ترکیب Nd2Fe14B حاصل می‌شود. طبق محاسباتی که ساگاوا در ۱۹۸۵ انجام داد، حداکثر توان این ترکیب از لحاظ نظری برابر ۵۱۲ است. تا سال ۲۰۰۰ آهنرباهایی با توان ۴۷۴ نیز ساخته شد که حدود ۹۳٪ حد نظری آن بود. آهنرباهای نئودیمیم در برابر خوردگی و حرارت عملکرد ضعیفی دارند و در حال حاضر پژوهش‌هایی برای بهبود کیفیت آن‌ها در این زمینه‌ها در دست انجام است. هم‌اکنون آهنرباهایی از این خانواده با توان ۴۰۰ به صورت انبوه تولید می‌شوند.
در دههٔ ۱۹۹۰ نیز در دانشگاه دوبلین در ایرلند، آهنربای جدیدی با ترکیب ساماریم-آهن-نیتروژن (Sm-Fe-N) کشف شد. این آهنرباها مقاومت دمایی بالایی دارند و حداکثر توان آهنربایی آن‌ها به ۴۰۰ نیز می‌رسد. اما آهنرباهای نئودیمیم همچنان بالاترین توان آهنربایی را دارند.
همان‌طور که ملاحظه شد در قرن بیستم توان آهنربایی تقریباً هر دوازده سال دو برابر شده‌است. اما علیرغم اینکه فقط تعداد معدودی از ترکیبات سه‌گانه یا چهارگانه بررسی شده‌اند، از اواخر سال ۲۰۰۰ پژوهش‌ها در این زمینه دچار رکود شده و پیشرفت چشمگیری حاصل نشده‌است.