آهنرباها اشیای جذابی هستند که برای قرن ها تخیل انسان را به خود جلب کرده اند. از یونانیان باستان تا دانشمندان مدرن، مردم شیفته نحوه عملکرد آهنرباها و کاربردهای فراوان آنها شده اند. آهنرباهای دائمی نوعی از آهنربا هستند که خواص مغناطیسی خود را حتی زمانی که در حضور میدان مغناطیسی خارجی نباشد حفظ می‌کند.
بخش 1: مغناطیس چیست؟
مغناطیس به خاصیت فیزیکی مواد خاصی اشاره دارد که به آنها اجازه می دهد مواد دیگر را با میدان مغناطیسی جذب یا دفع کنند. گفته می شود این مواد مغناطیسی هستند یا خاصیت مغناطیسی دارند.
مواد مغناطیسی با حضور حوزه‌های مغناطیسی مشخص می‌شوند، که مناطق میکروسکوپی هستند که در آنها میدان‌های مغناطیسی اتم‌های منفرد در یک راستا قرار دارند. هنگامی که این حوزه ها به درستی تراز شوند، یک میدان مغناطیسی ماکروسکوپی ایجاد می کنند که می تواند در خارج از ماده شناسایی شود.
مواد مغناطیسی را می توان به دو دسته فرومغناطیسی و پارامغناطیس طبقه بندی کرد. مواد فرومغناطیسی به شدت مغناطیسی هستند و شامل آهن، نیکل و کبالت می شوند. آنها می توانند خواص مغناطیسی خود را حتی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی حفظ کنند. از سوی دیگر، مواد پارامغناطیس دارای خاصیت مغناطیسی ضعیفی هستند و شامل موادی مانند آلومینیوم و پلاتین هستند. آنها فقط زمانی که تحت یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند خواص مغناطیسی از خود نشان می دهند.
مغناطیس کاربردهای عملی متعددی در زندگی روزمره ما دارد، از جمله در موتورهای الکتریکی، ژنراتورها و ترانسفورماتورها. مواد مغناطیسی همچنین در دستگاه های ذخیره سازی داده مانند هارد دیسک و در فناوری های تصویربرداری پزشکی مانند تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می شود.
بخش 2: میدان های مغناطیسی
میدان های مغناطیسی جنبه اساسی مغناطیس هستند و ناحیه اطراف آهنربا یا سیم حامل جریان را توصیف می کنند که در آن می توان نیروی مغناطیسی را تشخیص داد. این میدان ها نامرئی هستند، اما اثرات آنها را می توان از طریق حرکت مواد مغناطیسی یا برهمکنش بین میدان های مغناطیسی و الکتریکی مشاهده کرد.
میدان های مغناطیسی با حرکت بارهای الکتریکی مانند جریان الکترون ها در یک سیم یا چرخش الکترون ها در یک اتم ایجاد می شوند. جهت و قدرت میدان مغناطیسی با جهت گیری و حرکت این بارها تعیین می شود. به عنوان مثال، در یک آهنربای میله ای، میدان مغناطیسی در قطب ها قوی ترین و در مرکز ضعیف ترین است و جهت میدان از قطب شمال به قطب جنوب است.
شدت میدان مغناطیسی معمولاً با واحدهای تسلا (T) یا گاوس (G) اندازه‌گیری می‌شود و جهت میدان را می‌توان با استفاده از قانون دست راست توصیف کرد، که بیان می‌کند اگر شست دست راست به سمت جهت جریان، سپس انگشتان در جهت میدان مغناطیسی خم می شوند.
میدان های مغناطیسی کاربردهای عملی متعددی دارند، از جمله در موتورها و ژنراتورها، دستگاه های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) و در دستگاه های ذخیره سازی داده ها مانند هارد دیسک ها. آنها همچنین در انواع برنامه های علمی و مهندسی، مانند شتاب دهنده های ذرات و قطارهای شناور مغناطیسی استفاده می شوند.
درک رفتار و خواص میدان های مغناطیسی برای بسیاری از زمینه های مطالعاتی از جمله الکترومغناطیس، مکانیک کوانتومی و علم مواد ضروری است.
بخش 3: ترکیب آهنرباهای دائمی
آهنربای دائمی که به عنوان "مواد مغناطیسی دائمی" یا "مواد آهنربای دائمی" نیز شناخته می شود، معمولاً از ترکیبی از مواد فرومغناطیسی یا فرومغناطیسی تشکیل شده است. این مواد به دلیل توانایی آنها در حفظ میدان مغناطیسی انتخاب می شوند که به آنها اجازه می دهد در طول زمان یک اثر مغناطیسی ثابت ایجاد کنند.
متداول ترین مواد فرومغناطیسی مورد استفاده در آهنرباهای دائمی آهن، نیکل و کبالت هستند که می توانند برای بهبود خواص مغناطیسی آنها با عناصر دیگر آلیاژ شوند. به عنوان مثال، آهنرباهای نئودیمیم نوعی آهنربای خاکی کمیاب هستند که از نئودیمیم، آهن و بور تشکیل شده اند، در حالی که آهنرباهای کبالت ساماریوم از ساماریم، کبالت، آهن و مس تشکیل شده اند.
ترکیب آهنرباهای دائمی همچنین می تواند تحت تأثیر عواملی مانند دمای استفاده از آنها، قدرت و جهت میدان مغناطیسی مورد نظر و کاربرد مورد نظر باشد. به عنوان مثال، برخی از آهنرباها ممکن است برای تحمل دمای بالا طراحی شوند، در حالی که برخی دیگر ممکن است برای تولید یک میدان مغناطیسی قوی در یک جهت خاص طراحی شوند.
آهنرباهای دائمی علاوه بر مواد مغناطیسی اولیه خود، ممکن است شامل پوشش ها یا لایه های محافظ برای جلوگیری از خوردگی یا آسیب و همچنین شکل دهی و ماشین کاری برای ایجاد اشکال و اندازه های خاص برای استفاده در کاربردهای مختلف باشند.
بخش 4: انواع آهنرباهای دائمی
آهنرباهای دائمی را می توان بر اساس ترکیب، خواص مغناطیسی و فرآیند ساخت به انواع مختلفی طبقه بندی کرد. در اینجا برخی از انواع رایج آهنرباهای دائمی آورده شده است:
1. آهنرباهای نئودیمیوم: این آهنرباهای خاکی کمیاب از نئودیمیم، آهن و بور تشکیل شده اند و قوی ترین نوع آهنرباهای دائمی موجود هستند. آنها انرژی مغناطیسی بالایی دارند و می توانند در کاربردهای مختلفی از جمله موتور، ژنراتور و تجهیزات پزشکی استفاده شوند.
2. آهنرباهای کبالت ساماریوم: این آهنرباهای خاکی کمیاب از ساماریوم، کبالت، آهن و مس تشکیل شده اند و به دلیل پایداری در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی شناخته شده اند. آنها در کاربردهایی مانند هوافضا و دفاع و در موتورها و ژنراتورهای با کارایی بالا استفاده می شوند.
3. آهنرباهای فریت: آهنرباهای فریت که به آهنرباهای سرامیکی نیز معروف هستند از یک ماده سرامیکی مخلوط با اکسید آهن تشکیل شده اند. آنها انرژی مغناطیسی کمتری نسبت به آهنرباهای خاکی کمیاب دارند، اما مقرون به صرفه تر هستند و به طور گسترده در کاربردهایی مانند بلندگوها، موتورها و آهنرباهای یخچال استفاده می شوند.
4. آهنرباهای آلنیکو: این آهنرباها از آلومینیوم، نیکل و کبالت تشکیل شده اند و به دلیل استحکام مغناطیسی بالا و پایداری دما شناخته شده اند. آنها اغلب در کاربردهای صنعتی مانند سنسورها، مترها و موتورهای الکتریکی استفاده می شوند.
5. آهنرباهای پیوندی: این آهنرباها از مخلوط کردن پودر مغناطیسی با یک چسب ساخته می شوند و می توانند به اشکال و اندازه های پیچیده تولید شوند. آنها اغلب در کاربردهایی مانند سنسورها، قطعات خودرو و تجهیزات پزشکی استفاده می شوند.
انتخاب نوع آهنربای دائمی به الزامات کاربردی خاص، از جمله قدرت مغناطیسی مورد نیاز، پایداری دما، هزینه و محدودیت‌های ساخت بستگی دارد.
بخش 5: آهنرباها چگونه کار می کنند؟
آهنرباها با ایجاد یک میدان مغناطیسی که با سایر مواد مغناطیسی یا با جریان های الکتریکی در تعامل است، کار می کنند. میدان مغناطیسی از هم ترازی گشتاورهای مغناطیسی در ماده ایجاد می شود که قطب شمال و جنوب میکروسکوپی هستند که نیروی مغناطیسی ایجاد می کنند.
در یک آهنربای دائمی، مانند آهنربای میله ای، گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت خاص تراز می شوند، بنابراین میدان مغناطیسی در قطب ها قوی ترین و در مرکز ضعیف ترین است. هنگامی که میدان مغناطیسی در نزدیکی یک ماده مغناطیسی قرار می گیرد، نیرویی بر ماده وارد می کند که بسته به جهت گشتاورهای مغناطیسی آن را جذب یا دفع می کند.
در یک آهنربا، میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی که از سیم پیچی عبور می کند ایجاد می شود. جریان الکتریکی یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت جریان ایجاد می کند و با تنظیم میزان جریان عبوری از سیم پیچ می توان قدرت میدان مغناطیسی را کنترل کرد. الکترومغناطیس ها به طور گسترده در کاربردهایی مانند موتورها، بلندگوها و ژنراتورها استفاده می شوند.
تعامل بین میدان های مغناطیسی و جریان های الکتریکی نیز مبنای بسیاری از کاربردهای تکنولوژیکی از جمله ژنراتورها، ترانسفورماتورها و موتورهای الکتریکی است. به عنوان مثال، در یک ژنراتور، چرخش یک آهنربا در نزدیکی یک سیم پیچ، جریان الکتریکی را در سیم القا می کند که می تواند برای تولید نیروی الکتریکی استفاده شود. در موتور الکتریکی، برهمکنش بین میدان مغناطیسی موتور و جریانی که از سیم پیچ سیم می گذرد، گشتاوری ایجاد می کند که چرخش موتور را به حرکت در می آورد.
با توجه به این مشخصه، ما می توانیم یک آرایش قطب مغناطیسی ویژه برای اتصال به منظور افزایش قدرت میدان مغناطیسی در یک منطقه خاص در حین کار، مانند Halbeck طراحی کنیم.
زمان ارسال: مارس-24-2023