Materiali magnetici: proprietà, funzionamento, tipi, differenze e loro applicazioni

Esistono diversi tipi di materiali e anche sostanze costituite da particelle cariche: come; elettroni e protoni. Questi materiali possono mostrare qualche tipo di proprietà magnetica quando sono magnetizzati da un campo magnetico esterno noto come materiali magnetici. Questi materiali hanno momenti magnetici indotti o permanenti nel campo magnetico. Per studiare le proprietà magnetiche di questi materiali, solitamente, il materiale viene posizionato in un campo magnetico standardizzato, quindi il campo magnetico viene modificato. Nella tecnologia moderna, questi materiali svolgono un ruolo chiave e sono componenti importanti per trasformatori , motori e generatori. Questo articolo fornisce brevi informazioni su materiali magnetici .

Cosa sono i materiali magnetici?

I materiali magnetizzati su un campo magnetico applicato esternamente sono noti come materiali magnetici. Anche queste sostanze ottengono magnetizzazione ogni volta che sono attratte dal magnete. Esempi di questi materiali sono; Ferro, cobalto e nichel.

Questi materiali sono classificati in materiali magneticamente duri (o) magneticamente morbidi.

I materiali magneticamente duri vengono magnetizzati attraverso un campo magnetico esterno molto forte generato da un elettromagnete. Questi materiali vengono utilizzati principalmente per creare magneti permanenti costituiti da leghe solitamente costituite da quantità variabili di ferro, nichel, alluminio, cobalto e elementi di terre rare come samario, neodimio e disprosio.

I materiali magneticamente morbidi si magnetizzano molto facilmente sebbene il magnetismo indotto sia temporaneo. Ad esempio, se si accarezza un magnete permanente con un cacciavite o un chiodo, si magnetizzerà temporaneamente e genererà il suo debole campo magnetico a causa di una grande quantità di ferro atomi sono allineati temporaneamente in una direzione simile attraverso il campo magnetico esterno.

Proprietà

Proprietà dei materiali magnetici sono uno dei concetti fondamentali della fisica. Quindi, le proprietà includono principalmente; paramagnetismo, ferromagnetismo e antiferromagnetismo che sono discussi di seguito.

Il paramagnetismo è un tipo di magnetismo in cui alcuni materiali sono attratti debolmente da un campo magnetico applicato esternamente. Forma campi magnetici interni e indotti nella direzione del campo magnetico applicato. Nel paramagnetismo gli elettroni spaiati sono disposti in modo casuale.

Il ferromagnetismo è un fenomeno in cui un materiale come il ferro viene magnetizzato e rimane magnetizzato all'interno di un campo magnetico esterno per quella fase. Nel ferromagnetismo gli elettroni spaiati sono tutti collegati.

L’antiferromagnetismo è un tipo di ordine magnetico che si verifica principalmente ogni volta che i momenti magnetici degli atomi (o) degli ioni adiacenti si allineano in direzioni inverse e si traducono in momenti magnetici netti pari a zero. Quindi questo comportamento è principalmente dovuto all'interazione di scambio tra ioni o atomi vicini, che aiuta l'allineamento antiparallelo per ridurre l'energia del sistema. Di solito, i materiali antiferromagnetici mostrano un ordinamento magnetico a una temperatura specifica nota come; Temperatura di Néel. Il materiale oltre questa temperatura diventerà paramagnetico e perderà le sue proprietà antiferromagnetiche.

Come funzionano i materiali magnetici?

Questi materiali hanno piccole regioni in cui il momento magnetico può essere diretto all'interno di una direzione specifica chiamata domini magnetici che sono principalmente responsabili delle prestazioni esclusive dei materiali. L’energia completa dei materiali può essere fornita semplicemente dall’energia di anisotropia, dall’energia di scambio e dall’energia magnetostatica. Ogni volta che le dimensioni del materiale magnetico vengono ridotte, vengono migliorati vari domini nel materiale. Quindi, a causa della riduzione dell’energia magnetostatica, più pareti del dominio aumenteranno lo scambio e l’energia di anisotropia. Pertanto, la dimensione del dominio deciderà la natura del materiale magnetico.

Il momento magnetico non è stabile per alcuni materiali che hanno diametri delle particelle più piccoli rispetto al diametro critico del superparamagnetismo. Ogni volta che il diametro della particella è compreso tra il diametro critico del superparamagnetismo e il dominio singolo, il momento magnetico diventerà stabile.

Tipi di materiali magnetici

Sul mercato sono disponibili diversi tipi di materiali magnetici, discussi di seguito.

Materiali paramagnetici

Questi materiali non sono attratti fortemente da un magnete; stagno, magnesio, alluminio e molti altri. Questi materiali hanno una permeabilità relativa piccola ma positiva come la permeabilità dell'alluminio che è: 1.00000065. Questi materiali vengono magnetizzati solo quando si trovano su un campo magnetico molto forte e funzionano nella direzione del campo magnetico.

Ogni volta che viene fornito esternamente un forte campo magnetico, i dipoli magnetici permanenti li regolano in autoparallelo per il campo magnetico applicato e aumentano fino a una magnetizzazione positiva. Se l'orientamento del dipolo è parallelo al campo magnetico applicato non è completo, la magnetizzazione è estremamente piccola.

Materiali diamagnetici

Questi materiali vengono respinti attraverso un magnete come mercurio, zinco, piombo, legno, rame, argento, zolfo, bismuto, ecc. Sono chiamati materiali diamagnetici. Questi materiali hanno una permeabilità leggermente inferiore a 1. Ad esempio, la permeabilità del materiale di rame è 0,000005, il materiale di bismuto è 0,00083 e il materiale di legno è 0,9999995.

Quando questi materiali si trovano in un campo magnetico estremamente forte, saranno leggermente magnetizzati e agiranno nella direzione opposta al campo magnetico applicato. In questi tipi di materiali, ci sono due campi magnetici piuttosto deboli causati dalla rivoluzione orbitale e dalla rotazione assiale degli elettroni attorno al nucleo.

Materiali ferromagnetici

Questi tipi di materiali che vengono attratti fortemente da un campo magnetico sono chiamati materiali ferromagnetici. Esempi di questi materiali sono; nichel, ferro, cobalto, acciaio, ecc. Questi materiali hanno una permeabilità estremamente elevata che varia da diverse centinaia a migliaia.

I dipoli magnetici all'interno di questi materiali sono semplicemente disposti in domini diversi laddove la disposizione dei singoli dipoli è significativamente perfetta e ciò può generare forti campi magnetici. Di solito, questi domini sono disposti in modo casuale e il campo magnetico di ogni dominio viene annullato da un altro e l’intero materiale non mostra il comportamento di un magnete.

Ogni volta che a questi materiali viene fornito un campo magnetico esterno, i domini si riorienteranno per supportare il campo esterno e genereranno un campo magnetico interno molto forte. Deducendo il campo esterno, la maggior parte dei domini attendono e continuano ad essere alleati nella direzione del campo magnetico.
Pertanto, il campo magnetico di questi materiali persiste anche quando il campo esterno si allontana. Quindi questa proprietà principale viene utilizzata per produrre magneti permanenti che utilizziamo quotidianamente. I materiali utilizzati nella realizzazione dei magneti permanenti sono generalmente altamente ferromagnetici come ferro, nichel, neodimio, cobalto, ecc.

Si prega di fare riferimento a questo collegamento per Materiali ferromagnetici .

Materie prime magnetiche

Solitamente i magneti permanenti in tutto il mondo sono realizzati con diversi tipi di materiali e ogni materiale ha caratteristiche diverse. Questi materiali includono principalmente; alnico, gomma flessibile, ferrite, samario cobalto e neodimio che vengono discussi di seguito.

Ferriti

Il gruppo speciale di materiali ferromagnetici che occupano una posizione intermedia tra i materiali ferromagnetici e non ferromagnetici è noto come ferriti. Questi materiali hanno particelle di materiale ferromagnetico fini che possiedono un'elevata permeabilità e sono tenute insieme attraverso una resina legante. Nelle ferriti la magnetizzazione generata è molto sufficiente sebbene la loro saturazione magnetica non sia elevata come nei materiali ferromagnetici.

Questi materiali non sono costosi da generare, il che è legato alla loro forza magnetica. Questi sono significativamente più deboli rispetto ai materiali delle terre rare, ma anche loro sono ampiamente utilizzati in diverse applicazioni commerciali. Questi materiali hanno forza come resistenza alla corrosione e alla smagnetizzazione.

Neodimio

Il neodimio è un elemento terrestre molto raro ((Nd) e il suo numero atomico è 60. Fu scoperto semplicemente nel 1885 dal chimico austriaco Carl Auer von Welsbach. Questo materiale è mescolato con boro, ferro e anche tracce di altri elementi come; praseodimio e disprosio per generare una lega ferromagnetica chiamata Nd2Fe14b che è il materiale magnetico più potente. I magneti al neodimio sostituiscono altri tipi di materiali in diversi apparecchi commerciali industriali e moderni.

Alnico

L'acronimo di alluminio, nichel e cobalto è 'alnico' dove questi tre elementi principali vengono utilizzati principalmente nella creazione di materiale magnetico alnico. Questi magneti sono magneti permanenti molto potenti rispetto ai magneti delle terre rare. I magneti in alnico possono essere sostituiti con magneti permanenti all'interno motori , altoparlanti e generatori.

Samario Cobalto

Questi magneti sono stati semplicemente sviluppati dall’U.S. Air Force Materials Laboratory all’inizio degli anni ’70. Il samario cobalto o SmCo è un materiale magnetico realizzato con una lega di elementi terrestri insoliti come; samario, cobalto metallo duro, tracce di ferro, afnio, rame, praseodimio e zirconio. I magneti in samario-cobalto sono magneti di terre rare come il neodimio perché il samario è un elemento di un elemento simile del gruppo delle terre rare come il neodimio.

Materiali magnetici e materiali non magnetici

Le differenze tra questi due materiali sono discusse di seguito.

Confronto

Il confronto tra diversi materiali magnetici è discusso di seguito.

Applicazioni

IL applicazioni dei materiali magnetici include il seguente.

• Questi vengono utilizzati per creare e distribuire elettricità negli apparecchi che utilizzano elettricità.
• Sono utilizzati per l'archiviazione di dati su dischi audio, videocassette e computer.
• Questi materiali sono ampiamente utilizzati nella vita, nella produzione, nella scienza e nella tecnologia della difesa nazionale.
• Questi vengono utilizzati nella produzione di diversi trasformatori e motori nell'ambito della tecnologia energetica, diversi componenti magnetici e tubi a microonde nell'ambito della tecnologia elettronica, intensificatori e filtri nell'ambito della tecnologia delle comunicazioni, cannoni elettromagnetici, elettrodomestici e mine magnetiche nell'ambito della tecnologia di difesa nazionale.
• Questi sono ampiamente utilizzati nell'esplorazione mineraria e geologica, nell'esplorazione oceanica e nelle nuove tecnologie nell'ambito dell'energia, dell'informazione, dello spazio e della biologia.
• Questi materiali svolgono un ruolo significativo nel campo della tecnologia elettronica e in altri campi scientifici e tecnologici.
• Questi sono applicabili in elettronica, medicina, ingegneria elettrica, ecc.
• Questi sono utilizzati nella produzione di dispositivi elettronici ed elettrici come motori elettrici, trasformatori e generatori.
• Questi sono utilizzati nella produzione di dispositivi di memorizzazione magnetica come; floppy disk, unità disco rigido e nastri magnetici.
• Questi tipi di materiali vengono utilizzati nella produzione di sensori magnetici come; Sensori ad effetto Hall, sensori di campo magnetico e sensori magnetoresistivi.
• Questi sono applicabili in apparecchiature mediche come; Macchine per risonanza magnetica, pacemaker e sistemi di somministrazione di farmaci impiantabili.
• Questi sono utilizzati nei metodi di separazione magnetica, che vengono utilizzati per disconnettere le particelle magnetiche dalle particelle non magnetiche.
• Questi materiali sono utilizzati nella generazione di energia rinnovabile come; centrali idroelettriche e turbine eoliche.

Quindi, questo è una panoramica del magnetico materiali, tipi, differenze, confronto dei materiali e sue applicazioni. Ecco una domanda per te: cos'è un magnete?