براساس این استدلال, انتظار می رود که هر اتم از عنصر با عدد اتمی فرد یک گشتاور مغناطیسی ناشی از الکترون منفرد داشته باشد, اما این حالت همیشه برقرار نیست, در اغلب این گونه عناصر تک الکترون مدار خارجی یک الکترون ظرفیت بوده و به دلیل تأثیر متقابل الکترونهای ظرفیت هر اتم به طور متوسط گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی کرده و ماده در کل , رفتار مغناطیسی نخواهد داشت. اما عناصر معینی, مانند فلزات واسط, دارای سطح انرژی داخلی هستند کهبه طور کامل با جفت الکترون پر نشده است. ساختار الکترونی عناصر اسکاندیم (Sc) تا مس(Cu) که در جدول پایین نشان داده شده است. از این نوع است.

به استثنای کرم و مس, که در آنها الکترونهای ظرفیت در سطح 4s با جفت الکترون پر شده است. تک الکترونها در کرم و مس درنتیجه تأثیرات متقابل بادیگر اتمها, اثر خود را از دست می دهند بنابراین اوربیتالهای 3dدرمس به طور کامل پر است و مس رفتار مغناطیسی از خود نشان نمی دهد. وجود تک الکترونها در لایه های الکترونی داخلی می تواند گشتاورهای دو قطبی مثبت کوچکی داشته باشد. مانند الکترونهای اوربیتالهای 3d در Fe , Co و Ni .

رفتار دیا مغناطیسی درمواد

با تاثیر میدان مغناطیسی خارجی در اتمهای ماده ای که در این میدان قرار می گیرد. تعادل الکترونهای آنها کمی برهم می خورد و دو قطبیهای مغناطیسی کوچکی در داخل اتمها ایجاد می شود. این دو قطبیها با میدان مغناطیسی خارجی مخالفت می کنند. این کنش یک اثر مغناطیسی منفی ایجاد می کند که رفتار  دیا مغناطیسی نامیده می شود. نتیجه رفتار دیا مغناطیسی یک ضریب حساسیت مغناطیسی منفی بسیار کوچک است. رفتار دیا مغناطیسی در بسیاری از مواد مانند کادمیم, مس, نقره, قلع و روی دردمای معمولی محیط ایجاد می شود.

رفتار پارامغناطیسی درمواد

بعضی از عناصر واسط و عناصر قلیایی خاکی , شامل لایه های داخلی با الکترونهای منفرد هستند.موقعی که این الکترونها با دیگر الکترونهای ظرفیت ماده به حالت تعادل در نیایند, یک گشتارو مغناطیسی در نتیجه چرخش این الکترونها باهر اتم همراه می شود. وقتی این گونه مواد در این میدان مغناطیسی قرار گیرند. با هم ردیف شدن گشتاورهای دو قطبیهای مغناطیسی اتمها یا مولکولها یک ضریب حساسیت مغناطیسی مثبت کوچکی به دست می آید این اثر رفتار پارا مغناطیسی نامیده می شود.

رفتار فرو مغناطیسی در فلزات

رفتار دیا مغناطیسی و پارا مغناطیسی با به کارگیری میدان مغناطیسی خارجی ایجاد می شود و فقط در مدت زمانی که میدان مغناطیسی حفظ می شود خاصیت مغناطیسی باقی می ماند. اما رفتار فرو مغناطیسی بدون اعمال میدان مغناطیسی خارجی در بعضی از مواد ظاهر می شود و اهمیت صنعتی زیادی دارد .رفتار فرو مغناطیسی ناشی از وجود الکترونهای منفرد درسطوح انرژی3d فلزات واسط آهن, کبالت و نیکل است چنین رفتاری در فلزات قلیایی خاکی کمیاب بااوربیتهای الکترونی منفرد (نیمه پر) 4f  و 5dمانند عناصر sm,Eu و Gd که برای مواد مغناطیسی دائمی وجود دارد. در نمونه هایی از Fe, Co یا Ni باتاثیر متقابل اوربیتالهای الکترونی اتمهای مجاور اسپین الکترونهای خارجی پر نشده 3d درامتدادی موازی با یکدیگر جهت گیری می کنند.

این جهت گیری اسپینهای اوربیتالهای با الکترون منفرد باآرایش خاص فقط در دماهای پایی پایدار است در دماهای بالای به دلیل ارتعاشات حرارتی و به هم خوردگی پایین پایدار است در دماهای بالا به دلیل ارتعاشات حرارتی و به هم خوردگی شبکه جهت گیری اسپینها خاصیت مغناطیسی محو می شود. درجه حرارتی که در آن رفتار فرو مغناطیسی کاملا ناپدید می شود دمای کوری (Tc) نامیده می شود برای مثال دمای کوری آهن 7690c  , نیکل 3850c و کبالت 11310cاست

در پایینتر از دمای کوری جهت گیری دو قطبیهای مغناطیسی اتمی مواد مغناطیسی در محدوده های کوچکی که حوزه های مغناطیسی نامیده می شود. در ردیفهای خاص و منظمی خواهد بود. اگر حوزه های مغناطیسی به صورت اتفاقی و بی نظم جهت گیری یافته باشند. دراین صورت رفتار مغناطیسی در کل نمونه وجود نخواهد داشت. دردماهای بالاتر ازدمای کوری ماده پارا مغناطیسی است و دیگر به عنوان ماده فرو مغناطیسی هیچ گونه اهمیتی ندارد. البته چنانچه این ماده فرو مغناطیسی به آرامی از درجه حرارت بالای دمای کوری سردشود. حوزه های مغناطیسی شکل می گیرد و بدین ترتیب رفتار فرو مغناطیسی مجددا پدیدار می شود.مواد فرو مغناطیسی عمدتا شامل فلزات واسط, آهن, کبالت و نیکل هستند. اما مخلوطی از اکسید آهن با دیگر اکسیدها به نام مواد مغناطیسی سرامیکی نیز وجود دارند. مواد فرو مغناطیسی سرامیکی از پختن (زینتر کردن) تحت فشار, در دمای بالا , تولید می شوند. البته خاصیت مغناطیسی این گونه مواد مانند مواد فرو مغناطیسی فلزی نیست. عنصر MnO درشکل نمایش داده شده است. این مواد رفتار ضد مغناطیسی یا غیر مغناطیسی دارند.

رفتار فری مغناطیسی در سرامیکها

در مواد سرامیکی , یونهای مختلف, گشتاورهای مغناطیسی متفاوتی دارند دو قطبیهای یون B در خلاف جهت میدان صف می کشند، اما به دلیل اینکه قدرت تحمل دو قطبیها برابر نیستند، نتیجه، ظاهر شدن رفتار مغناطیسی و مغناطیس شدن ماده است.مواد فری مغناطیسی می توانند کاربرد میدان اعمالی را بهبود بخشند. فریتها دارای هدایت الکتریکی کمی بوده و بدین دلیل برای بسیاری از کاربردهای الکترونیکی سودمندند.

چگونگی تشکیل مغناطیسی نرم و سخت

اثر حذف میدان: تمام مواد فرو مغناطیسی درمیدان مغناطیسی خارجی، مغناطیس می شوند، اما نوع رفتار مغناطیسی بعد از حذف میدان در آنها بسیار متفاوت است. بسیاری از مواد به آسانی مغناطیس می شوند و بعد از حذف میدان، خاصیت مغناطیسی خود را نیز به آسانی از دست می دهند. این گونه مواد، مواد مغناطیسی نرم نامیده میشوند. در مقابل این مواد، موادی که به سختی مغناطیس می شوند و پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی رفتار مغناطیسی خود را هنوز درحد بسیار بالایی حفظ می کنند، مواد مغناطیسی سخت نامیده می شوند. مواد مغناطیسی سخت برای ساخت مغناطیسهای دائمی به کار می روند.

مواد مغناطیسی

فلزات مغناطیسی : آهن خالص، نیکل و کبالت معمولاً برای کاربردهای الکتریکی به کار نمی‌روند، زیرا که آنها الکتریکی و حلقه هیسترزیس نسبتاً بزرگی دارند که به اتلاف بیش ازحد توان منجر می‌شود. علاوه بر آن، آنها مغناطیسهای دائمی ضعیفی هستند و حوزه‌ها در آنها به راحتی جهت گیری مجدد می‌یابند و مغناطیس باقیمانده و حاصلضربBH درمقایسه با آلیاژهای پیچیده کمتر است، در نتیجه وجود بعضی عیوب درشبکه کریستالی، تغییراتی در خواص مغناطیسی رخ می‌دهد. نابجاییها، مرزدانه‌ها، مرزهای بین فازهای چند گانه و عیوب نقطه‌ای به قفل شن مرزهای حوزه‌ها کمک می‌کنند. دراین صورت موقعی که میدان مغناطیسی حذف شود، جهت‌گیری حوزه‌ها حفظ می‌شود.

انواع مواد مغناطیسی

1-آلیاژهای آهن – نیکل

بعضی از آلیاژهای آهن- نیکل، مانند پرم آلوی (%55Fe-% 45Ni)، نفوذ پذیری بالایی دارند، که این خاصیت آنها را به عنوان مغناطیسهای نرم مفید ساخته است. به عنوان مثال می‌توان از هد نام برد، که اطلاعات را بر دیسکت کامپیوتر ذخیره می‌کند یا می‌خواند، هنگامی که دیسکت می‌چرخد، در زیرهد ، جریان، یک میدان مغناطیسی درهد ایجاد می‌کند . میدان مغناطیسی در هد، به نوبه خود، بخشی از دیسکت را مغناطیسی می‌کند جهت این میدان در هد جهت ذرات مغناطیسی موجود در دیسکت را تعیین کرده و نیتجتا اطلاعات را ذخیره می کند. اطلاعات می‌تواند با چرخیدن مجدد دیسکت در زیر هد مجددا کسب شود. محدوده مغناطیس شده در دیسکت جریانی در هد ایجاد می‌کند. جهت این جریان به جهت میدان مغناطیسی در دیسکت بستگی دارد.

2-آهن – سیلیسیم

با افزودن 3 تا %5Si به آهن آلیاژی به دست می‌آید  که بع از فرآیند خاصی (نورد و آنیل کردن) در کاربردهای الکتریکی ، مانند موتورها و ژنراتورها مفید است . از رفتار مغناطیسی ناهمسانگرد ورق آهن سیلیسیم دار، که در آن دانه‌ها جهت‌دار شده‌اند، استفاده کرد.

3-مغناطیسهای کامپوزیتی

کامپوزیت لایه‌ای از ورقهای نازک آهن- سیلیسیم‌دار با ورقهایی از ماده عایق (دی الکتریکی) تولید می‌شود. لایه‌ها مقاومت ویژه مغناطیسهای کامپوزیتی را افزایش می‌دهند و آن را در فرکانسهای پایین و متوسط مناسب می‌سازند.

فلزهای شیشه‌ای

فلزی بی‌شکل (غیر کریستالی ) اغلب آلیاژهای پیچیده Fe-B با به کارگیری سرعت سرد کردن فوق العاده بالا در حین انجماد ( فرآیند انجماد سریع) تولید می‌شوند. شیشه‌های فلزی به صورت نوارهای نازک تولید شده و با انباشتن بر روی هم به مواد بزرگتر تبدیل می شوند. رفتار این مواد همانند مغناطیسهای نرم با نفوذ پذیری مغناطیسی بالا خواهد بود. عدم وجود مرزدانه‌ها حرکت آسان حوزه‌ها را ممکن می‌سازد.

دو روش برای تولید مواد مغناطیسی وجود دارد:

1- تبدیل فاز                   

2- متالورژی پودر

1- آلنیکو ، یکی از متداولترین آلیاژهای فلزی پیچیده ، ساختار تک فازیbcc در دماهای بالا دارد. اما موقعی که آلنیکو به آرامی تا زیر دمای8000c سرد شود، فاز دومی با ساختار bcc با رسوبهای زیادی از آهن ونیکل به دست می‌آید. فاز دوم به اندازه‌ای ریزاست که هر ذره رسوب یک تک حوزه است. بدین ترتیب ماده‌ای مغناطیسی با رفتار مغناطیسی مناسب تولید می شود. غالبا ردیف کردن حوزه‌ها دراین آلیاژها باید با به کارگیری یک میدان مغناطیسی درحین سرد کردن و تبدیل انجام گیرد. آلیاژهای آهن- کرم کبالت ( باحدود %11Co, %28Cr, %61Fe-) از لحاظ ساختار شبیه به آلیاژهای آلنیکو بوده واز جمله آلیاژهای دائمی هستند. این نوع مغناطیسی بیشتر در گوشیهای تلفن استفاده می شوند.

-متالورژی پودر

برای گروهی از آلیاژهای فلزات قلیایی خاکی نادر، شامل زاماریم- کبالت به کار می‌رود. یک ترکیب آن Co5SM ترکیب بین فلزی است ، کهPH بالایی نسبت به چرخش مغناطیسی الکترونهای منفرد در الکترونهای 4f زاماریم دارد. این ترکیب بین فلزی ترد برای تولید پودر ریزی، که در آن هر ذره یک حوزه باشد، خرد می‌شود. سپس این پودر، درحالی که برای جهت گیری و ردیف شدن حوزه‌ها در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. متراکم می‌شود. فرآیند پخت (زینترینگ) باید با دقت تمام انجام شود. تا از رشد ذرات جلوگیری شود.

مواد سرامیکی فری مغناطیسی

سرامیکهای مغناطیسی متداول فریتها هستند، که ساختار کریستالی اشپینل دارند. هر یون فلزی در ساختار کریستالی به عنوان یک دو قطبی عمل می کند. اگر چه گشتاورهای دو قطبی هر نوع یون می‌تواند با دیگری مخالف کند، ولی قدرت تحمل دو قطبیها متفاوتند.مغناطیسهای الکتریکی نرم موقعی به دست می‌آید که یون Fe2+توسط مخلوطهای گوناگونی از Mn ، Zn، Ni و Cu جایگزین شود. یونهای نیکل و منگنز گشتاورهای مغناطیسی دارند.کارکرد این گونه مواد را در فرکانسهای بالا ممکن می سازد. فریتهایی که در کامپیوترها به کار می‌روند، گروه دیگر مغناطیسهای سرامیکی نرم بر پایه سنگ لعل Y3Fe5O12 هستند. این اکسیدهای پیچیده که می‌توانند با آلومینیم یا کرم به جای آهن و یا لانتانیم به جای یتریم جایگزین شده وبهبهود یابند، رفتاری بسیاری شبیه فریتها دارند. سنگ دیگر بر پایه گادولینیم و گالیم است که می تواند به صورت لایه‌های نازک تولید شود. حوزه‌های مغناطیسی بسیار کوچک می‌تواند در این لایه‌ها ایجاد شود. این حوزه‌ها حافظه خود را در نتیجه قطع ناگهانی از دست نمی‌دهند.مغناطیسهای سرامیکی سخت، که به عنوان مغناطیسهای دائمی انتخاب می‌شوند شامل اکسیدهای فلزی پیچیده دیگری هستند ( فریتهای هگزاگونال ) این فریتهای هگزاگونال شامل pbFe12O19, BaFe12o19,SrFe12O19 هستند.

کاربردهای الکتریکی

مواد فرو مغناطیسی نرم برای بالا بردن میدان مغناطیسی موقعی که جریان الکتریکی از ماده عبور می کند, به کار می روند کاربرد این مواد بیشتر به عنوان هسته الکترومعناطیسها، موتورهای الکتریکی، ترانسفورموتورها، ژنراتورها و دیگر تجیهزات الکتریکی است. ازآنجا که در این دستگاهها میدان مغناطیسی متناوبی به کار می رود، ماده هسته به طور متناوب و پیوسته داخل حلقه هیسترزیس عمل می کند.

مواد مغناطیسی برای حافظه‌های کامپیوتر

مواد مغناطیسی برای ذخیره سازی اطلاعات کامپیوتر به کار می روند. حافظه با مغناطیس کردن ماده در جهت معینی پر می‌شود. برای مثال، اگر قطب شمال بالا باشد واحد اطلاعاتی ذخیره شده 1 است و اگر قطب شمال پایین باشد یک صفر ذخیره شده است .

فریتهای مغناطیسی شامل منگنز، منیزیم یا کبالت می تواند این خواسته را برآورده سازد.

مواد مغناطیسی برای مغناطیسهای دائمی

آلیاژهای آهن – نیکل

بعضی از آلیاژهای آهن – نیکل ، مانند پرم آلوی (%55Fe-%45Ni) نفوذ پذیری بالایی دارند، که این خاصیت آنها را به عنوان مغناطیسهای نرم مفید ساخته است. به عنوان مثال، می‌توان از هد نام برد که اطلاعات را بر روی دیسکت کامپیوتر ذخیره می کند.

منبع : بانک اطلاعات متالورژی

www.mbank.lxb.ir