أنواع المواد المغناطيسية واستخداماتها

تمتلك جميع أنواع المواد نوعًا من الخواص المغناطيسية ، بمعني أن جميع المواد تظهر نوعًا من السلوك المغناطيسي ، وبعد كل شيء ، تتكون من جسيمات مشحونة : إلكترونات وبروتونات ، وإنها الطريقة التي ترتب بها السحب الإلكترونية نفسها في الذرات ، وكيف تتصرف مجموعات هذه الذرات التي تحدد الخصائص المغناطيسية للمادة.

وتصبح الذرة (أو مجموعة الذرات) في الواقع قطبيًا مغناطيسيًا ، أو مغناطيسًا صغيرًا يمكنه المحاذاة وفقًا للمجال المغناطيسي المطبق ، ويحدد التأثير الصافي لكل ثنائي القطب هذه الخواص المغناطيسية ، للمواد المغناطيسية.

أنواع المواد المغناطيسية

ولدراسة الخواص المغناطيسية للمواد المغناطيسية ، توضع المادة عادة في مجال مغناطيسي موحد ، ثم يتنوع المجال المغناطيسي ، وهناك ثلاثة أنواع رئيسية من السلوك المغناطيسي ، نذكرهم كالتالي.

مواد مغناطيسية

هذه المواد ممغنطة بالكاد عند وضعها في مجال مغناطيسي ، ففي الواقع ، تميل ثنائيات القطب المغناطيسية في هذه المواد ، إلى المحاذاة في عكس المجال المطبق ، وينتجون مجالًا مغناطيسيًا داخليًا ، يعارض المجال المطبق ، وتميل المادة إلى صد المجال الخارجي حوله ، ويختفي هذا الحقل المتعارض بمجرد إزالة الحقل الخارجي.

وأيضًا هي المواد التي يتم صدها بمغناطيس مثل الزنك ، حيث يُعرف الزئبق ، والرصاص ، والكبريت ، والنحاس ، والفضة ، والبزموت ، والخشب وما إلى ذلك بالمواد المغناطيسية ، ونفاذية أقل قليلا من واحد ، وعلى سبيل المثال ، النفاذية النسبية للبزموت هي 0.00083 ، والنحاس 0.000005 ، والخشب 0.9999995، وهي ممغنطة قليلاً عند وضعها في مجال مغناطيسي شديد السلسلة ، وتعمل في الاتجاه المعاكس لاتجاه المجال المغناطيسي المطبق. [1]

وكما ذكرنا سابقًا أن في المواد المغناطيسية ، فيكونان المجالان المغناطيسيان الضعيفان نسبيًا بسبب الثورة المدارية ، والدوران المحوري للإلكترونات حول النواة في اتجاهين متعاكسين ، ويلغيان بعضهما البعض ، وثنائيات القطب المغناطيسية الدائمة غير موجودة فيها ، والمواد الديامغناطيسية لها تطبيقات قليلة جدًا ، أو معدومة في الهندسة الكهربائية  ، مثال على هذا النوع المغناطيسي : الذهب ، والماء ، والزئبق وحتى الحيوانات.

المواد البارامغناطيسية

تعرف المواد التي لا تنجذب بقوة إلى المغناطيس بمواد مغناطيسية ، على سبيل المثال: الألمنيوم والقصدير والمغنيسيوم وما إلى ذلك ، ونفاذيتها النسبية صغيرة ولكنها إيجابية ، على سبيل المثال: نفاذية الألومنيوم: 1.00000065. يتم ممغنطة هذه المواد فقط ، عندما توضع على مجال مغناطيسي قوي للغاية ، وتعمل في اتجاه المجال المغناطيسي ، والمواد البارامغناطيسية لها ثنائيات ذرية فردية ، موجهة بطريقة عشوائية ، وبالتالي تكون القوة المغناطيسية الناتجة صفر.

وعندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي قوي ، فإن الأقطاب المغناطيسية الدائمة ، توجههم بموازاة المجال المغناطيسي المطبق ، وتؤدي إلى مغنطة إيجابية ، ونظرًا لأن اتجاه الأقطاب الموازية للمجال المغناطيسي المطبق غير كامل ، فإن المغنطة صغيرة جدًا.

المواد المغناطيسية الحديدية

نحن أكثر دراية بهذه المواد لأنها تظهر أقوى سلوك مغناطيسي ، يتم ترتيب ثنائيات القطب المغناطيسية في هذه المواد ، في المجالات حيث تكون ترتيبات ثنائيات القطب المغناطيسية الفردية ، مثالية بشكل أساسي ، والتي يمكن أن تنتج مجالات مغناطيسية قوية ، وعادة  يتم ترتيب هذه المجالات بشكل عشوائي ، وبالتالي يتم إلغاء المجال المغناطيسي لكل مجال من قبل آخر ، ولا تظهر المادة بأكملها أي سلوك مغناطيسي.

ومع ذلك ، عند تطبيق حقل خارجي ، تعيد المجالات توجيه نفسها لتعزيز المجال الخارجي ، وإنتاج مجال مغناطيسي داخلي قوي على طول المجال الخارجي ، وعند إزالة المجال الخارجي ، تظل معظم المجالات ثابتة ، ولا تزال محاذاة في اتجاه المجال المغناطيسي (السابق) ، وبالتالي ، يستمر المجال المغناطيسي للمواد المغناطيسية حتى عندما يختفي المجال الخارجي ، ويتم استخدام هذه الخاصية لإنتاج مغناطيس دائم نستخدمه كل يوم ، وعادة ما يكون الحديد ، والكوبالت ، والنيكل ، والنيوديميوم ، وسبائكها مغناطيسية عالية للغاية ، وتستخدم لصنع مغناطيس دائم. [2]

1- المواد المغناطيسية الحديدية الناعمة

لديهم نفاذية عالية نسبيًا ، وقوة قسرية منخفضة ، ممغنطة بسهولة ومغناطيسية ولها تباطؤ صغير للغاية ، والمواد المغناطيسية الحديدية الناعمة هي الحديد ، وهي عبارة عن سبائك متنوعة مع مواد مثل النيكل والكوبالت والتنغستن والألمنيوم ، وسهولة المغنطة وإزالة المغنطة تجعلها مناسبة للغاية للتطبيقات التي تنطوي على تغيير التدفق المغناطيسي ، كما هو الحال في المغناطيسيات الكهربائية ، والمحركات الكهربائية ، والمولدات ، والمحولات ، والمستحثات وأجهزة الاستقبال الهاتفية ، والمرحلات وما إلى ذلك.

كما أنها مفيدة في الفحص المغناطيسي ، كما يمكن تحسين خصائصها بشكل كبير من خلال التصنيع الدقيق والتدفئة ، والتليين البطيء وذلك لتحقيق درجة عالية من النقاء البلوري ، وإن العزم المغناطيسي الكبير في الغرفة المعتدلة يجعل المواد المغناطيسية الحديدية الناعمة ، مفيدة للغاية للدوائر المغناطيسية ، ولكن المغناطيسية الحديدية هي موصلات جيدة جدًا ، وتعاني من فقدان الطاقة من التيار الدوامي الناتج داخلها.

وهناك فقدان إضافي للطاقة ، بسبب حقيقة أن المغنطة لا تسير بسلاسة ، ولكن في قفزات دقيقة ، وتسمى هذه الخسارة بفقدان مغناطيسي ، وتعتمد فقط على تواتر كثافة التدفق المتغير وليس على حجمها.

2- المواد المغناطيسية الحديدية الصلبة

لديهم نفاذية منخفضة نسبيًا ، وقوة قسرية عالية جدًا ، وهذه صعبة ، أو ممغنطة وإزالة المغناطيسية ، كما تشتمل المواد المغناطيسية الصلبة النموذجية ، على فولاذ الكوبالت ، وسبائك مغناطيسية حديدية مختلفة من الكوبالت ، والألمنيوم والنيكل ، ويحتفظون بنسبة عالية من مغنطتهم وفقدان التباطؤ العالي نسبيًا ، كما إنها مناسبة للغاية للاستخدام كمغناطيس دائم ، وكمكبرات صوت وأدوات قياس وما إلى ذلك. [3]

الفريت

الفريتات هي مجموعة خاصة من المواد المغناطيسية التي تحتل موقعًا وسيطًا بين المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية. وهي تتكون من جزيئات دقيقة للغاية من مادة مغناطيسية حديديّة ذات نفاذية عالية ، ويتم تثبيتها مع راتينج ملزم. إن المغنطة التي يتم إنتاجها في الفريت كبيرة بما يكفي لتكون ذات قيمة تجارية ولكن تشبعها المغناطيسي ليس مرتفعًا مثل مغنطيسيات المواد المغناطيسية. كما هو الحال بالنسبة للمغناطيسيات الحديدية ، قد يكون الفريت من الفريت الناعم أو الصلب.

1- الفريت لينة

تصنع مغناطيسات السيراميك التي تسمى أيضًا بالسيراميك المغنطيسي من أكسيد الحديد ، Fe2O3 ، مع واحد أو أكثر من أكسيد ثنائي التكافؤ مثل NiO ، أو MnO ، أو ZnO ، وتحتوي هذه المغناطيسات على حلقة تخلفية مربعة ، ويتم تقييم المقاومة العالية وإزالة المغنطة للمغناطيس لآلات الحوسبة ، حيث تكون المقاومة العالية مطلوبة.

والميزة الكبرى للفيريت هي مقاومتها العالية ، وتتمتع المغناطيسات التجارية بمقاومة عالية تصل إلى 10 ^ 9 أوم-سم ، لذلك يتم تقليل التيارات الدوامية الناتجة عن الحقول المتناوبة إلى الحد الأدنى ، ويتم توسيع نطاق تطبيق هذه المواد المغناطيسية إلى ترددات عالية ، حتى إلى الموجات الدقيقة ، ويتم تصنيع الفريت بعناية من خلال مزج أكاسيد البودرة ، والضغط ، والتلبيد عند درجة حرارة عالية ، وغالبًا ما تُصنع محولات الترددات العالية في أجهزة التلفاز ، وأجهزة الاستقبال المُعدّلة بالتردد مع نوى من الفريت.

2- الفريت الصلب

هي مواد مغناطيسية دائمة من السيراميك ، تحتوي أهم عائلة من الفريت الصلب على التركيب الأساسي لـ MO.Fe2O3 حيث M هو أيون الباريوم (Ba) ، أو أيون السترونتيوم (Sr) ، وهذه المواد لها هيكل سداسي ومنخفضة التكلفة والكثافة.

ويتم استخدام الفريت الصلب في المولدات ، والمرحلات والمحركات ، وتشمل التطبيقات الإلكترونية مغناطيسات لمكبرات الصوت ، ومرنات الهاتف وأجهزة الاستقبال ، كما أنها تستخدم في تثبيت الأجهزة من أجل إغلاق الأبواب ، والأختام ، والمزالج ، وفي العديد من تصميمات الألعاب. [4]