فلزات مغناطیسی

آهن‌ربا اولین بار توسط تمدن‌های باستانی ۲۵۰۰ سال قبل کشف شد و در قرن‌های ۱۲ و ۱۳ پس از میلاد، قطب‌نماهای مغناطیسی برای ناوبری در چین و اروپا مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه آهنرباها از اجزاء ضروری تکنولوژی مدرن محسوب می‌شوند و تقریبا در هر وسیله‌ای که فکرش را کنید، از بلندگوهای تلفن همراه تا موتورهای الکتریکی، ماشین لباسشویی و تهویه مطبوع، یافت می‌شوند.

از آنجا که تقاضا برای قطعات مدار مغناطیسی که به طور گسترده در تجهیزات صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند روز به روز در حال افزایش است، صنعت تولید آهنربا طی سال‌های اخیر رشد چشمگیری داشته است. پیشرفت‌های تکنولوژیکی باعث شده آهنرباهای امروز ۶۰ برابر قوی‌تر از آهنرباهای ۹۰ سال پیش باشند.

کدام فلزات خاصیت مغناطیسی دارند؟

فلزات مغناطیسی عبارتند از آهن، نیکل، کبالت و برخی از آلیاژهای فلزات خاکی کمیاب. هر یک از فلزات مغناطیسی در یکی از دسته‌های زیر قرار می‌گیرند:

• آهنرباهای دائمی
• الکترومغناطیس
• آهنرباهای نئودیمیم

آهنرباهای دائمی نوعی از فلزات مغناطیسی

اکثر ما با شنیدن اسم آهنربا به آهنربای دائمی فکر می‌کنیم. از این اجسام برای ایجاد میدان مغناطیسی مغناطیسی استفاده می‌شود. رایج‌ترین مثال این نوع آهنربای یخچال است که از آن برای نگه داشتن یادداشت‌ها روی درب یخچال استفاده می‌کنیم.

رایج‌ترین فلزات مورد استفاده برای آهنرباهای دائمی آهن، نیکل، کبالت و برخی از آلیاژهای فلزات خاکی کمیاب هستند.

دو نوع آهنربای دائمی وجود دارد: دسته‌ای که از مواد مغناطیسی «سخت» و دسته‌ای که از مواد مغناطیسی «نرم» ساخته می‌شوند. فلزات مغناطیسی «سخت» تمایل دارند تا مدت زمان طولانی خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کنند و از رایج‌ترین آن‌ها می‌توان آلیاژ آلنیکو، آلیاژ آهن با آلومینیوم، نیکل و کبالت اشاره کرد.

• آلیاژهای آلنیکو آهنرباهای دائمی قوی می‌سازند که به طور گسترده در لوازم الکترونیکی صنعتی و مصرفی مثل موتورهای الکتریکی بزرگ، میکروفون‌ها، بلندگوها، پیکاپ گیتار برقی و مایکروویو مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• فریت یک ترکیب سرامیکی متشکل از اکسید آهن و سایر عناصر فلزی است که از آن برای ساخت مگنت‌های روی یخچال و موتورهای الکتریکی کوچک استفاده می‌شود.

فلزات مغناطیسی «نرم» مثل آلیاژهای آهن-سیلیکون و آلیاژهای نیکل-آهن را می‌توان مغناطیسی کرد؛ اما به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. این مواد معمولاً در صنعت الکترونیک مثل ترانسفورماتورها و محافظ‌های مغناطیسی کاربرد دارند.

الکترومغناطیس‌ها از دیگر انواع فلزات مغناطیسی

الکترومغناطیس‌ها از پیچیده‌شدن یک سیم به دور یک هسته آهنی، نیکلی یا کبالتی ساخته می‌شود. با عبور جریان الکتریکی از سیم پیج میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود؛ اما به محض آنکه جریان متوقف شود، میدان مغناطیسی هم ناپدید خواهد شد. الکترومغناطیس‌ها برای فعالیت به برق نیاز دارند و اساس کار آن‌ها تغییر قدرت میدان مغناطیسی از طریق کنترل جریان الکتریکی در سیم است.

از الکترومغناطیس‌ها معمولا در موتورهای الکتریکی و ژنراتورها استفاده می‌شود. اساس کار این اجسام القای الکترومغناطیسی است. این اصل در سال ۱۸۳۱ توسط دانشمند مایکل فارادی کشف شد و می‌گوید جریان الکتریکی متحرک می‌تواند یک میدان مغناطیسی ایجاد کند و بالعکس. بنابراین جریان الکتریکی در موتورهای الکتریکی نوعی میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و به وسیله آن موتور را حرکت می‌دهد.

در ژنراتورها یک نیروی خارجی مثل باد، آب جاری یا بخار شفتی را می‌چرخاند و به این ترتیب مجموعه‌ای از آهن‌رباها را حول یک سیم پیچ حرکت کرده و در نتیجه جریان الکتریکی تولید می‌کند.

همچنین این اجسام در سوئیچ رله‌ها، در مبادلات تلفنی، سیگنال‌دهی راه آهن و چراغ‌های راهنمایی کاربرد دارند.

در جرثقیل‌ها نیز برای بلند کردن و رها کردن وسایل نقلیه بزرگ آهنرباهای الکتریکی گنجانده می‌شود. این الکترومغناطیس‌ها در قالب یک صفحه گرد در انتهای جرثقیل نصب می‌شوند.

نوعی سیستم قطار مدرن تحت عنوان Maglev (مخفف شناور مغناطیسی) از آهنرباهای الکتریکی برای معلق کردن قطار در بالای ریل استفاده می‌کند و به این ترتیب با کاهش اصطکاک، سرعت حرکت قطار را به مراتب بیشتر می‌کند.

از کاربردهای پیشرفته الکترومغناطیس‌ها به عنوان فلزات مغناطیسی می‌توان به دستگاه‌های تصویرسازی تشدید مغناطیسی (MRI) و شتاب‌دهنده‌های ذرات (مانند برخورد دهنده هادرونی بزرگ) اشاره کرد.

آهنرباهای نئودیمیم از انواع فلزات دارای خاصیت مغناطیسی

آهنرباهای نئودیمیم نوعی آهنربای خاکی کمیاب هستند که از آلیاژ نئودیمیم، آهن و بور تشکیل می‌شوند و اولین بار در سال ۱۹۸۲ توسط جنرال موتورز و سومیتومو متالز ابداع شدند. این نوع آهنرباها، قوی‌ترین نوع آهنربای دائمی موجود در بازار موجود به شمار می‌روند. در مواردی که آهنرباهای دائمی قوی مورد نیاز است، به ویژه در موتورهای ابزار بی‌سیم، درایوهای دیسک سخت و بست‌های مغناطیسی از آهنرباهای نئودیمیم استفاده می‌شود.

تبدیل فلزات غیر مغناطیسی به آهنربا

مس و منگنز معمولا فلزات مغناطیسی نیستند. با این حال یک تکنیک جدید توسط Oscar Cespedes از دانشگاه لیدز انگلستان معرفی شد که می‌تواند این دو فلز را به آهنربا تبدیل کند.

Cespedes و تیمش لایه‌هایی از مس و منگنز را روی ساختارهای کربنی به نام Buckyballs ایجاد کردند. پس از اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی و سپس حذف آن، این لایه‌ها ۱۰٪ از میدان مغناطیسی را در خود حفظ کردند. این تکنیک جدید آمده‌است تا روشی برای ساخت دستگاه‌های MRI ارائه دهد که با محیط زیست سازگارتر باشد.

از دیگر کاربردهای احتمالی این تکنیک می‌توان به توربین‌های بادی اشاره کرد. در حال حاضر در توربین‌های بادی از کبالت آهن و نیکل با عناصر کمیاب خاکی استفاده می‌شود. اما از آنجا که فرایند استخراج این عناصر دشوار و هزینه‌بر است، تکنیک ارائه‌شده فرصتی برای انتخاب جایگزین‌های ارزان‌تر ارائه می‌دهد.