آهنربا چگونه کار می‌کند؟ بررسی قدرت، گرید و عمر آهنرباها

آهنربا یکی از آشنا‌ترین پدیده‌هایی است که در زندگی روزمره با آن روبه‌رو می‌شویم؛ از مگنت‌های ساده روی یخچال گرفته تا موتورهای الکتریکی، بلندگوها، تجهیزات صنعتی و آهنرباهای قدرتمند نئودیمیوم. اما سؤال اصلی اینجاست: آهنربا چگونه کار می‌کند و چرا بعضی مواد می‌توانند اجسام فلزی را جذب کنند؟

پاسخ این سؤال به دنیای درون اتم‌ها برمی‌گردد. در مواد فرومغناطیسی، الکترون‌ها و حوزه‌های مغناطیسی کوچک می‌توانند در یک جهت منظم شوند و همین نظم باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شود. هرچه این هم‌راستایی بیشتر و پایدارتر باشد، آهنربا قدرت بیشتری خواهد داشت.

در این مقاله به زبان ساده بررسی می‌کنیم آهنربای دائمی چگونه ساخته می‌شود، گرید آهنرباهای نئودیمیوم مانند N35 و N55 چه معنایی دارد، آیا روی هم چیدن آهنرباها قدرت آن‌ها را بیشتر می‌کند و چه عواملی باعث کاهش عمر و قدرت آهنربا می‌شوند.

آهنربا چگونه کار می کند؟

نحوه ی عملکرد یک آهنربای دائمی کاملاً به ساختار اتمی آن مربوط می شود، تمام مواد فرومغناطیسی یک میدان مغناطیسی طبیعی، هرچند ضعیف، تولید می کنند که توسط الکترون هایی که هسته ی اتم هایشان را احاطه کرده اند، ایجاد می شود. این گروه های اتم می توانند خود را در یک جهت قرار دهند و هر یک از این گروه ها به عنوان یک حوزه مغناطیسی واحد شناخته می شوند. مانند تمام آهنرباهای دائمی، هر حوزه قطب شمال و قطب جنوب خود را دارد. هنگامی که یک ماده فرومغناطیسی مغناطیسی نمی شود، حوزه های آن در جهات تصادفی قرار می گیرند و میدان های مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی می کنند.

برای ساخت آهنربای دائمی، ماده فرومغناطیسی در دماهای فوق العاده بالا در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار می گیرد، این امر باعث می شود که حوزه های مغناطیسی منفرد درون ماده با جهت میدان مغناطیسی خارجی همسو شوند تا جایی که همه حوزه ها همسو می شوند و ماده به نقطه اشباع مغناطیسی خود می رسد. سپس ماده خنک می شود و حوزه های هم تراز در موقعیت خود قفل می شوند، این هم ترازی حوزه ها باعث ناهمسانگردی آهنربا می شود. پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، مواد مغناطیسی سخت بیشتر حوزه های خود را هم تراز نگه می دارند و یک آهنربای دائمی قوی ایجاد می کنند.

«N» در یک آهنربای نئودیمیوم به چه چیزی اشاره دارد؟

گریدهای مختلفی از نئودیمیوم به صورت تجاری از N35 تا N55، همراه با گریدهای حرارتی آن ها، در دسترس هستند. گرید «N» مربوط به حداکثر انرژی حاصل از آهنربا است که معیاری از قدرت آهنربا می باشد. برای مثال، یک آهنربای نئودیمیوم N35 حداکثر حاصلضرب انرژی 35 مگا گاوس اورستد (MGOe) و یک آهنربای N55 حداکثر حاصلضرب انرژی 55 مگا گاوس اورستد خواهد داشت. به طور کلی، هرچه گرید بالاتر باشد، آهنربا قوی تر است.

گاهی اوقات شاهد تغییراتی در گریدبندی آهنربا با یک یا دو حرف بعد از عدد خواهید بود، این حروف نشان دهنده درجه های دمای بالا هستند و هر کدام حداکثر دمای کارکرد متفاوتی دارند.

آیا روی هم چیدن آهنرباها آنها را قوی تر می کند؟

بله. استفاده از دو آهنربا روی هم مانند داشتن یک آهنربا به اندازه مجموع آن ها خواهد بود. برای مثال، اگر دو آهنربا با قطر ۱۰ میلی متر و ضخامت ۲ میلی متر را روی هم قرار دهید، عملاً یک آهنربا با قطر ۱۰ میلی متر و ضخامت ۴ میلی متر ایجاد کرده اید که اساساً قدرت و کشش آهنربا را تقریبا دو برابر می کند. زمانی که طول آهنربا از قطر آن بیشتر شود، آهنربا در سطح بهینه کار می کند و افزایش بیشتر طول مغناطیسی، تنها افزایش کمی در عملکرد ایجاد می کند.

آیا می توانم قدرت آهنربایی که از قبل دارم را افزایش دهم؟

وقتی یک آهنربا کاملاً مغناطیسی شود، دیگر نمی توان آن را قوی تر کرد زیرا کاملاً «اشباع» شده است. با اضافه کردن یک آهنربا به آهنربای دیگر، مانند روی هم قرار دادن آهنرباها، آهنرباهای روی هم قرار گرفته به عنوان یک آهنربای بزرگتر عمل می کند و عملکرد مغناطیسی بیشتری اعمال می کند.

آهنربای دائمی چقدر دوام دارد؟

یک آهنربای دائمی، اگر در شرایط کاری بهینه نگهداری و استفاده شود، خاصیت مغناطیسی خود را برای سال های سال حفظ خواهد کرد. به عنوان مثال، تخمین زده می شود که یک آهنربای نئودیمیوم تقریباً 5٪ از خاصیت مغناطیسی خود را هر 100 سال از دست می دهد.

شرایط کاری بهینه شامل قرار ندادن آهنربا در دمای بالاتر از حداکثر دمای عملیاتی آن، محافظت از آن در برابر خوردگی و قرار ندادن آن در معرض میدان های مغناطیسی قوی است.

دو عامل وجود دارد که می تواند طول عمر یک آهنربا را کوتاه کند:

گرما

اگر دمای آهنربا از حداکثر دمای عملیاتی، مثلاً ۸۰ درجه سانتی گراد برای آهنرباهای نئودیمیوم گرید N42، بیشتر شود، آهنربا خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد که با خنک شدن بازیابی نمی شود.

آهنرباهای ساماریوم کبالت به اندازه آهنرباهای نئودیمیوم قوی نیستند، اما دمای عملیاتی بسیار بالاتری یعنی تا 350 درجه سانتی گراد دارند.

خوردگی

اگر آبکاری روی آهنربا آسیب ببیند و آب بتواند به داخل آن نفوذ کند، آهنربا زنگ می زند. این امر منجر به کاهش عملکرد مغناطیسی می شود. آهنرباهای ساماریوم کبالت و آهنرباهای فریت هر دو در برابر خوردگی مقاوم هستند اما به اندازه آهنرباهای نئودیمیوم قوی نیستند.