مواد مغناطیسی

مواد مغناطیسی آن دسته از موادی هستند که وقتی در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند از خود واکنش نشان داده و به اصطلاح خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند. با توجه به اینکه عکس العمل مواد نسبت به میدان مغناطیسی چگونه است، آن ها را به صورت زیر دسته بندی می کنند.

فرو مغناطیس:

بعضی از مواد فلزی دارای گشتاور مغناطیسی دائمی در غیاب میدان خارجی هستند و خاصیت مغناطیسی (مغناطش) خیلی بزرگ و دائمی از خود نشان می دهند. این مواد فرومغناطیس نامیده میشوند. فلزات واسطه مثل آهن، کبالت، نیکل و بعضی ازفلزات خاکی نادر مانند گادولینیم (Gd) دارای این خاصیت هستند. این مواد با اعمال یک میدان مغناطیسی کوچک به شدت مغناطش پیدا کرده و با حذف میدان مغناطیسی، مغناطش خود را به طور کامل از دست نمیدهند. در این مواد بردارهای گشتاورهای مغناطیسی مجاور از نظر اندازه برابر هستند و تمایل دارند که با یکدیگر هم جهت شوند (دوقطبی‌ها تمایل دارند به صورت موازی هم مرتب شوند).

دیا مغناطیس:

موادی هستند که مولکول‌ها، اتمها و یا یون‌های آنها به گونه‌ای رفتار میکنند که گشتاور مغناطیسی خالص آنها صفر است. اگر میدان مغناطیسی خارجی به این مواد اعمال شود، اتم‌های آن دارای گشتاور مغناطیسی القایی می‌شوند (مثل اتم مس) و جهت این گشتاور مغناطیسی خلاف جهت میدان اعمالی است. این دسته از مواد اگر در میدان مغناطیسی قرار گیرند، مغناطش منفی از خود نشان می‌دهند.

پارامغناطیس:

دراین مواد، برخلاف مواد دیا مغناطیس در مولكول ها، اتم‌ها و یا یونها گشتاور مغناطیسی كوچكی وجود دارد. ولی گشتاورها با جهات اتفاقی توزیع شده و یكدیگر را خنثی می‌كنند و مغناطش خالص برابر صفر می شود. اگر این دسته ازمواد دریك میدان مغناطیسی قرارگیرند، تعدادی از گشتاورها درجهت میدان می‌چرخند وماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی از خود نشان می‌دهد. بعضی از فلزات قلیایی ویا برخی از فلزات واسطه مانند كروم، تیتانیم، تنگستن و پلاتین دارای خاصیت پارا مغناطیس هستند.

فری مغناطیس:

در این مواد جهت بردارهای گشتاورهای مغناطیسی مجاور عكس یكدیگر است ولی اندازه آن‌ها برابر نیست. رفتار این مواد مشابه با مواد فرو مغناطیس است. گروهی از آهنرباهای دائم كه به نام فریت شناخته می‌شوند از این دسته هستند.

آنتی فرومغناطیس:

دراین مواد بردارهای گشتاور مغناطیسی مجاور ازنظر اندازه برابر ولی از نظر جهت، عكس یكدیگر هستند. بنابراین یكدیگر را خنثی می‌كنند. درصورتی‌كه چنین ماده‌ای درمیدان مغناطیسی قرار گیرد، گشتاورهای هم جهت با میدان تقویت می‌شوند و ماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی ازخود نشان می‌دهد.

همان‌گونه که در بالا نیز عنوان شد، مواد فرومغناطیس با حذف میدان مغناطیسی خاصیت مغناطیسی خود را به‌طور کامل از دست نمی‌دهند. به این ویژگی، اثر پسماند می‌گویند. به‌طور کلی، تمایل یک ماده در به‌خاطر آوردن تاریخچه مغناطیسی آن هیسترزیس نامیده می‌شود و میدان مغناطیسی‌ای که برای جبران این پسماند لازم است، وادارندگی نام دارد.

وقتی به یک ماده‌ مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطیش آن سریعاً افزایش می‌یابد. با افزایش شدت مغناطیسی اعمالی، شتاب افزایش مغناطیسی کاهش یافته تا به مقدار اشباع خود برسد. تغییرات مغناطیس مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند بلکه مقداری انرژی در خود ذخیره می‌کند. بنابراین وقتی که میدان اعمالی در محیط صفر شود؛ مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطیس پسماند گفته می‌شود. با کاهش بیش‌تر شدت میدان به سمت مقادیر منفی خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک میدان منفی، خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود، این میدان مغناطیس زدا را با H_c نشان می‌دهند و به نیروی ضدپسماند یا همان وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارت است از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطیس به صفر نیاز است. با کاهش بیش‌تر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه‌ پسماند را کامل می‌کند.

مواد فرومغناطیسی را همچنین می‌توان از نظر رفتار آنها در میدان مغناطیسی به دو گروه مواد مغناطیسی نرم و مواد مغناطیسی سخت تقسیم‌بندی کرد.

مواد مغناطیسی نرم:

مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده میشود و با قطع میدان سریعا گشتاور مغناطیسی خود را از دست میدهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایینی هستند. این مواد همچنین دارای اشباع مغناطیسی بالا و پسماند پایین هستند. مواد مغناطیسی نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است، مانند موتورها، هدهای مغناطیسی، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار میگیرد.

مواد مغناطیسی سخت:

مواد مغناطیسی سخت موادی هستند که براحتیِ مواد مغناطیسی نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری، جهت مغناطیده کردن آنها نیاز است. این مواد، گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان مغناطیسی در خود حفظ میکنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است.