آهنربای دائم: ماندگاری مغناطیس بدون جریان الکتریکی
۱. چرا برخی مواد خاصیت مغناطیسی دائمی دارند؟
برای درک آهنربای دائم، باید به درون ماده سفر کنیم. هر اتم به دلیل حرکت الکترونها و خاصیتی به نام اسپین1، یک میدان مغناطیسی بسیار کوچک دارد. در بیشتر مواد، این میدانکها در جهتهای تصادفی قرار گرفته و اثر یکدیگر را خنثی میکنند. اما در موادی مانند آهن، نیکل و کبالت، برهمکنشهای کوانتومی باعث میشود اسپین الکترونهای اتمهای همسایه در یک جهت (موازی) بایستند. به این پدیده، فرومغناطیس2 میگویند. وقتی تعداد زیادی از این حوزههای مغناطیسی همجهت شوند، ماده یک آهنربای دائمی قدرتمند ایجاد میکند.
مثال ساده تصور کنید یک آهنربای میلهای را به میخ کوچکی نزدیک میکنید. میخ خودش آهنربا نیست، اما در حضور میدان خارجی، حوزههای مغناطیسی درون میخ تا حدودی همجهت شده و موقتاً به آهنربا تبدیل میشود. این خاصیت نرممغناطیس3 نام دارد و با قطع میدان از بین میرود، اما در آهنربای دائم، این همجهتی پایدار است.
۲. انواع اصلی مواد آهنربای دائم
آهنرباهای دائمی بر اساس ترکیبات و روش ساخت به چند دسته اصلی تقسیم میشوند. هر کدام ویژگیهای منحصربهفردی از نظر قدرت مغناطیسی، مقاومت در برابر زنگزدگی و قیمت دارند.
| نوع آهنربا | ماده اصلی | قدرت نسبی | کاربردهای رایج |
|---|---|---|---|
| آلنیکو | آلومینیوم، نیکل، کبالت | متوسط | سنسورها، گیتارهای الکتریک، ابزار دقیق |
| فریت (سرامیکی) | اکسید آهن و استرانسیم/باریم | کم تا متوسط | بلندگوها، آهنربای یخچال، موتورهای الکتریکی ارزان |
| ساماریم-کبالت | ساماریم (عنصر خاکی کمیاب)، کبالت | بالا | صنایع هوافضا، دماهای بالا، تجهیزات نظامی |
| نئودیمیم (NdFeB) | نئودیمیم، آهن، بور | بسیار بالا | هارد دیسکها، موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی، توربینهای بادی، هدفون |
۳. کاربردهای روزمره و صنعتی آهنربای دائم
شاید اولین چیزی که با شنیدن آهنربا به ذهن میرسد، آهنربای روی در یخچال باشد. اما دنیای آهنرباهای دائمی بسیار گستردهتر است. از بلندگوهای کوچک در گوشی همراه تا موتورهای غولپیکر قطارهای سریعالسیر، همگی به نیروی بیصدا و پاک آهنربای دائم وابسته هستند.
در پزشکی، دستگاههای تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) از میدانهای مغناطیسی فوقالعاده قوی (تولید شده توسط آهنرباهای ابررسانا یا گاهی آهنرباهای دائمی قدرتمند) برای تهیه تصاویر دقیق از اندامهای داخلی بدن استفاده میکنند. همچنین در صنعت خودروسازی، موتورهای خودروهای هیبریدی و الکتریکی مانند تسلا، برای بهینهسازی مصرف انرژی و افزایش گشتاور، از آهنرباهای نئودیمیم با بازده بالا بهره میبرند.
۴. چالشهای مفهومی در مورد آهنرباهای دائم
بله. اگر آهنربا را تا دمای بالاتر از دمای کوری4 حرارت دهیم، انرژی حرارتی باعث میشود حوزههای مغناطیسی بههم ریخته و خاصیت خود را برای همیشه از دست بدهد. برای آهن، این دما حدود ۷۷۰ درجه سانتیگراد است. ضربههای شدید یا قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی مخالف قوی نیز میتواند آن را ضعیف کند.
مواد فرومغناطیس مانند آهن، نیکل و کبالت دارای ساختار حوزهای هستند که در حضور میدان خارجی بهشدت همجهت میشوند. اما مس و آلومینیوم خاصیت دیامغناطیس5 یا پارامغناطیس6 ضعیفی دارند. در این مواد، الکترونها به گونهای جفت میشوند که میدان مغناطیسی خالص بسیار ناچیزی ایجاد کرده و یا حتی میدان خارجی را بسیار ضعیف دفع میکنند. در نتیجه نیروی قابل توجهی بین آهنربا و این مواد ایجاد نمیشود.
دقیقاً. آهنرباها همیشه دارای یک جفت قطب شمال و جنوب هستند. اگر یک آهنربای میلهای را از وسط بشکنید، هر قطعه دوباره به یک آهنربای کامل با دو قطب تبدیل میشود. این پدیده نشان میدهد که منشأ مغناطیس در سراسر ماده پخش است، نه فقط در قطبها. تکقطبی مغناطیسی (مونوپل) تاکنون در طبیعت یافت نشده است.
پاورقی
1 اسپین (Spin): یک ویژگی کوانتومی ذرات بنیادی مانند الکترون که میتوان آن را بهصورت یک تکانه زاویهای ذاتی در نظر گرفت و عامل اصلی ایجاد گشتاور مغناطیسی در مواد است.
2 فرومغناطیس (Ferromagnetism): خاصیت برخی مواد مانند آهن که در آن اسپین الکترونهای اتمهای مجاور در یک جهت همراستا شده و موجب ایجاد مغناطیسی شدن خودبهخودی و پایدار ماده میشود.
3 نرممغناطیس (Soft Magnet): مادهای که بهراحتی در حضور میدان مغناطیسی خارجی مغناطیسی شده و با قطع میدان، خاصیت خود را از دست میدهد. مثال: آهن نرم در هسته ترانسفورماتورها.
4 دمای کوری (Curie Temperature): دمایی که در آن، انرژی حرارتی باعث بههم ریختگی نظم حوزههای مغناطیسی شده و ماده خاصیت فرومغناطیس خود را بهطور کامل از دست میدهد.
5 دیامغناطیس (Diamagnetism): خاصیتی بسیار ضعیف در همه مواد که باعث دفع میدان مغناطیسی خارجی میشود. در موادی مانند بیسموت و آب قابل مشاهده است.
6 پارامغناطیس (Paramagnetism): خاصیتی ضعیف در برخی مواد که در آن اتمها دارای گشتاور مغناطیسی هستند اما این گشتاورها با یکدیگر برهمکنش قوی نداشته و فقط در حضور میدان خارجی اندکی همراستا میشوند.
