Τι πρέπει να ξέρεις - Βασικές γνώσεις

Η μαγνητική πόλωση είναι ένα φυσικό μέγεθος. Σχετίζεται με την ηλεκτροδυναμική της μακροσκοπικής ύλης και χαρακτηρίζει την πυκνότητα της μαγνητικής ροής ενός μαγνητικού υλικού σε κενό όταν αφαιρεθεί η αναλογία του μαγνητικού πεδίου.

Μέσα στον σιδηρομαγνήτη

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά αποτελούνται από πολλούς μικρούς στοιχειώδεις μαγνήτες, που ονομάζονται επίσης μαγνητικές ροπές. Αυτοί, είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνοι για τη μαγνήτιση ενός υλικού. Εάν έχουν καθορισμένη κατεύθυνση μαγνήτισης, τότε κάποιος μπορεί να αναφέρεται στην μαγνητική πόλωση. Εάν δύο μαγνήτες διαφέρουν από τον αντίθετο βόρειο και νότιο πόλο, αυτό ονομάζεται αντίστροφη πόλωση.

Το σύμβολο της μαγνητικής πόλωσης είναι το J και η σχετική Μονάδα μέτρησης είναι το T (Tesla). Η μαγνητική πόλωση συμβαίνει όταν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα υλικό με στοιχειώδεις μαγνήτες. Επειδή, στη συνέχεια, οι μαγνητικές ροπές αθροίζονται, το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Η₀ γύρω από το σταθερό μ μαγνητικό πεδίο ενισχύεται (αντιστοιχεί στη μαγνητική διαπερατότητα). Μια πυκνότητα μαγνητικής ροής Β, η οποία είναι μ μεγαλύτερη από ότι στο κενό, δηλαδή οι σιδηρομαγνήτες αυξάνουν την πυκνότητα της μαγνητικής ροής. Στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, η μαγνητική πόλωση οφείλεται τώρα στην επιδεκτικότητα χ.

Πώς μπορεί να μετρηθεί η μαγνητική πόλωση;
Εάν το ρεύμα ρέει μέσω ενός πηνίου και ένας πυρήνας σιδήρου με διαπερατότητα μεγαλύτερη από 1 ενσωματώνεται στο εσωτερικό του, η πυκνότητα μαγνητικής ροής στο τέλος του πηνίου είναι σημαντικά υψηλότερη απ' ότι χωρίς πυρήνα σιδήρου. Αυτό συμβαίνει επειδή οι στροφορμές του σιδηρομαγνητικού υλικού ευθυγραμμίζονται παράλληλα με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Λόγω της μαγνητικής πόλωσης, η μαγνητική ροή είναι σημαντικά μεγαλύτερη - το μαγνητικό πεδίο γίνεται ισχυρότερο.

Επειδή οι μαγνητικές ροπές των σιδηρομαγνητών έχουν μόνιμη ευθυγράμμιση (λόγω της αλληλεπίδρασης ανταλλαγής), η αποκαλούμενη υπολειπόμενη κατάσταση εμφανίζεται μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, δηλαδή παραμένει μέρος της μαγνητικής πόλωσης.

Η μαγνήτιση, που ονομάζεται επίσης μαγνητική πόλωση, είναι μια διανυσματική ποσότητα που δίνει το μέτρο της πυκνότητας της μόνιμης ή επαγόμενης διπολικής ροπής σε ένα δεδομένο μαγνητικό υλικό. Όπως γνωρίζουμε, η μαγνήτιση προκύπτει από τη μαγνητική ροπή, η οποία προκύπτει από την κίνηση των ηλεκτρονίων στα άτομα ή την περιστροφή των ηλεκτρονίων ή τους πυρήνες. Η καθαρή μαγνήτιση προκύπτει από την απόκριση ενός υλικού στο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, μαζί με οποιαδήποτε μη ισορροπημένη μαγνητική διπολική ροπή που είναι εγγενής στο υλικό λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων του, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως. Η έννοια της μαγνήτισης μας βοηθά στην ταξινόμηση των υλικών με βάση τη μαγνητική τους ιδιότητα. 

Στη φυσική, ένα σιδηρομαγνητικό υλικό λέγεται ότι έχει  μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία  εάν χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για να μαγνητιστεί σε ορισμένες κατευθύνσεις από ό, τι σε άλλες. Αυτές οι κατευθύνσεις σχετίζονται συνήθως με τους κύριους άξονες του κρυσταλλικού πλέγματος του. Είναι μια ειδική περίπτωση μαγνητικής ανισοτροπίας.

Αιτίες
Η αλληλεπίδραση στροφορμής-τροχιάς είναι η κύρια πηγή μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας. Είναι βασικά η τροχιακή στροφορμή των ηλεκτρονίων που συνδυάζεται με το ηλεκτρικό πεδίο του κρυστάλλου και προκαλεί τη συμβολή της πρώτης τάξης στη μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία. Η δεύτερη τάξη προκύπτει λόγω της αμοιβαίας αλληλεπίδρασης των μαγνητικών διπόλων. Αυτό το αποτέλεσμα είναι ασθενές σε σύγκριση με την αλληλεπίδραση ανταλλαγής και είναι δύσκολο να υπολογιστεί από τις βασικές αρχές, αν και έχουν γίνει ορισμένοι επιτυχημένοι υπολογισμοί.

Πρακτική συνάφεια
Η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία έχει μεγάλη επίδραση στις βιομηχανικές χρήσεις σιδηρομαγνητικών υλικών. Τα υλικά με υψηλή μαγνητική ανισοτροπία έχουν συνήθως υψηλό συνεκτικό πεδίο, δηλαδή είναι δύσκολο να απομαγνητιστούν. Αυτά ονομάζονται "σκληρά" σιδηρομαγνητικά υλικά και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Για παράδειγμα, η υψηλή ανισοτροπία των μετάλλων σπανίων γαιών είναι κυρίως υπεύθυνη για τη δύναμη των μαγνητών σπανίων γαιών. Κατά την κατασκευή μαγνητών, ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζει τους μικροκρυσταλλικούς κόκκους του μετάλλου έτσι ώστε οι «εύκολοι» άξονες μαγνήτισης να δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση, παγώνοντας ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο στο υλικό.

Από την άλλη πλευρά, για τα υλικά με χαμηλή μαγνητική ανισοτροπία τα οποία έχουν συνήθως χαμηλό συνεκτικό πεδίο, η μαγνήτισή τους είναι εύκολο να αλλάξει. Αυτά τα υλικά ονομάζονται "μαλακοί" σιδηρομαγνήτες και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών πυρήνων για μετασχηματιστές και επαγωγείς. Η μικρή ενέργεια που απαιτείται για τη στροφή της κατεύθυνσης της μαγνήτισης ελαχιστοποιεί τις απώλειες πυρήνα, ενέργεια που διαχέεται στον πυρήνα του μετασχηματιστή όταν το εναλλασσόμενο ρεύμα αλλάζει κατεύθυνση.

Θερμοδυναμική θεωρία
Η ενέργεια της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας αναπαρίσταται γενικά ως διαστολή στις δυνάμεις των συνημίτονων κατεύθυνσης της μαγνήτισης. Το διάνυσμα μαγνήτισης μπορεί να γραφτεί  M  =  M_s (α, β, γ), όπου  M_s  είναι η μαγνήτιση κορεσμού. Λόγω της συμμετρίας αντιστροφής του χρόνου, επιτρέπονται μόνο οι δυνάμεις των συνημίτονων. Οι μη μηδενικοί όροι στην διαστολή εξαρτώνται από το κρυσταλλικό σύστημα ( π.χ. , κυβικό ή εξαγωνικό). Η  σειρά  ενός όρου στην διαστολή είναι το άθροισμα όλων των εκθετών των συστατικών μαγνήτισης,  π.χ. , το  α β  είναι δεύτερης τάξης.

Η μαγνητοκινητική δύναμη, γνωστή και ως μαγνητικό δυναμικό, είναι η ιδιότητα ορισμένων ουσιών ή φαινομένων να δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο. Η μαγνητοκινητική δύναμη είναι ανάλογη με την ηλεκτροκινητική δύναμη ή την τάση του ηλεκτρισμού.

Η τυπική μονάδα μέτρησης της μαγνητοκινητικής δύναμης είναι η ampere-turn (ΑΤ), που αντιπροσωπεύεται από ένα σταθερό, άμεσο ηλεκτρικό ρεύμα ενός αμπέρ (1 Α) που ρέει σε βρόχο μιας στροφής ηλεκτρικά αγώγιμου υλικού σε κενό. Μερικές φορές μια μονάδα που ονομάζεται gilbert (G) χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση της μαγνητικής κίνησης. Το gilbert ορίζεται διαφορετικά και είναι ελαφρώς μικρότερη μονάδα από τη στροφή του αμπέρ. Για να μετατρέψετε από ampere-turn σε gilberts, πολλαπλασιάστε με 1,25664. Αντίστροφα, πολλαπλασιάστε με 0,795773.

Αν και ο τυπικός ορισμός της μαγνητοκινητικής δύναμης περιλαμβάνει το ρεύμα που διέρχεται από έναν ηλεκτρικό αγωγό, οι μόνιμοι μαγνήτες εμφανίζουν επίσης μαγνητοκινητική δύναμη. Το ίδιο ισχύει για τους πλανήτες με μαγνητικά πεδία, όπως η Γη, ο Δίας, ο Κρόνος, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας. Ο Ήλιος παράγει επίσης μαγνητοκινητικές δυνάμεις, ιδιαίτερα κοντά στις ηλιακές κηλίδες.

Τι είναι το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (ΒΗ);
Υπάρχουν τέσσερις κύριοι δείκτες για τη μέτρηση της απόδοσης των μόνιμων μαγνητών: παραμένουσα μαγνήτιση, συνεκτικό πεδίο, εσωτερικό συνεκτικό πεδίο και μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH) max. Στις επόμενες αναρτήσεις, θα εισαγάγουμε αυτές τις έννοιες και τις εφαρμογές τους μία προς μία. Στο σημερινό άρθρο, ας ρίξουμε πρώτα μια ματιά στο μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH)max.

Το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH) max αντιπροσωπεύει τη μαγνητική πυκνότητα ενέργειας που βρίσκεται στο διάστημα μεταξύ των δύο μαγνητικών πόλων του μαγνήτη, δηλαδή τη στατική μαγνητική ενέργεια ανά μονάδα όγκου του κενού αέρα. Είναι το μέγιστο γινόμενο του υπολειπόμενου μαγνητισμού Br και του εσωτερικού συνεκτικού πεδίου Hcj (μονάδα kJ/ m³ ή GOe), και το μέγεθός του δείχνει άμεσα την απόδοση του μαγνήτη.

Καμπύλη Μαγνητικού Ενεργειακού Γινομένου
Το προϊόν ΒΗ της έντασης μαγνητικής επαγωγής Β και της έντασης μαγνητικού πεδίου Η σε οποιοδήποτε σημείο της καμπύλης απομαγνήτισης του μόνιμου μαγνήτη ονομάζεται ενεργειακό γινόμενο. Το μέγεθός του είναι ανάλογο με τη μαγνητική πυκνότητα ενέργειας του μαγνήτη σε μια δεδομένη κατάσταση λειτουργίας.

Η καμπύλη μεταξύ του μαγνητικού ενεργειακού γινομένου και της έντασης μαγνητικής επαγωγής Β ονομάζεται καμπύλη του μαγνητικού ενεργειακού γινομένου. Είναι μια καμπύλη που λαμβάνεται πολλαπλασιάζοντας την τιμή κάθε σημείου Β και Η στην καμπύλη απομαγνήτισης μόνιμου μαγνήτη ως τετμημένη και την ένταση μαγνητικής επαγωγής Β ως τεταγμένη.

Το μαγνητικό ενεργειακό γινόμενο φτάνει το μέγιστο σε μια συγκεκριμένη θέση στη μέση της καμπύλης απομαγνήτισης, η οποία ονομάζεται μέγιστο μαγνητκό ενεργειακό γινόμενο (ΒΗ)max. Για υλικά μόνιμου μαγνήτη των οποίων η καμπύλη απομαγνήτισης είναι ευθεία, το μαγνητκό ενεργειακό γινόμενο είναι το μεγαλύτερο σε (Br/2, Hc/2).

Η σχέση μεταξύ του μέγιστου ενεργειακού γινομένου και της απόδοσης του μαγνήτη
Για δύο μαγνήτες με το ίδιο μέγεθος, τον ίδιο αριθμό πόλων και την ίδια τάση μαγνήτισης, ο μαγνήτης με υψηλό μαγνητικό ενεργειακό γινόμενο μπορεί να αποκτήσει υψηλό μαγνητισμό επιφάνειας.

Στην ίδια μέγιστη τιμή (BH), τα επίπεδα Br και Hcj έχουν τα ακόλουθα αποτελέσματα στη μαγνήτιση:

1. Το Br είναι υψηλό και το Hcj είναι χαμηλό: υπό την ίδια τάση μαγνήτισης, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερος μαγνητισμός της επιφάνειας.

2. Το Br είναι χαμηλό και το Hcj υψηλό: για να επιτευχθεί ο ίδιος επιφανειακός μαγνητισμός, απαιτείται υψηλότερη τάση μαγνήτισης.

Το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH)max & οι βαθμοί μαγνητών
Οι αριθμοί στους βαθμούς των μαγνητών NdFeB αντιπροσωπεύουν το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (BH)max του προϊόντος. Για παράδειγμα, τα 38 και 45 στα Ν₃₈ και Ν₄₅SH αντιπροσωπεύουν το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο του προϊόντος ως 38MGOe και 45MGOe. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός, τόσο μεγαλύτερο είναι το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο (το γράμμα μετά τον αριθμό αντιπροσωπεύει την ταξινόμηση του εσωτερικού του συνεκτικού πεδίου, τόσο πιο πίσω από το γράμμα δείχνει τόσο μεγαλύτερη είναι το εσωτερικό συνεκτικό πεδίο).

Οι βαθμοί των μαγνητών SmCo, όπως SmCo₁₆ , SmCo₁₈ , SmCo₂₄ , SmCo₂₆ , SmCo₂₈ κ.λπ., οι αριθμοί αντιπροσωπεύουν επίσης την τυπική τιμή του μέγιστου μαγνητικού ενεργειακού γινομένου του προϊόντος.

Ο παραμαγνητισμός αναφέρεται σε μια ιδιότητα ορισμένων υλικών να έλκονται ασθενώς από μαγνητικά πεδία. Όταν εκτίθενται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, σχηματίζονται εσωτερικά επαγόμενα μαγνητικά πεδία σε αυτά τα υλικά που διατάσσονται προς την ίδια κατεύθυνση με το εφαρμοσμένο πεδίο. Μόλις αφαιρεθεί το εφαρμοσμένο πεδίο, τα υλικά χάνουν τον μαγνητισμό τους καθώς η θερμική κίνηση τυχαιοποιεί τον προσανατολισμό της στροφορμής των ηλεκτρονίων. Τα υλικά που εμφανίζουν παραμαγνητισμό ονομάζονται παραμαγνητικά. Κάποιες ενώσεις και τα περισσότερα χημικά στοιχεία είναι παραμαγνητικά υπό ορισμένες συνθήκες. Ωστόσο, οι πραγματικοί παραμαγνήτες εμφανίζουν μαγνητική επιδεκτικότητα σύμφωνα με τους νόμους Curie ή Curie-Weiss και επιδεικνύουν παραμαγνητισμό σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Παραδείγματα παραμαγνητών περιλαμβάνουν το σύνθετο συντονισμό της μυοσφαιρίνης, τα σύνθετα μεταβατικά μέταλλα μετάλλων, το οξείδιο του σιδήρου (FeO), και το οξυγόνο (O₂). Το τιτάνιο και το αλουμίνιο είναι μεταλλικά στοιχεία που είναι παραμαγνητικά. Οι υπερπαραμαγνήτες είναι υλικά που εμφανίζουν καθαρή παραμαγνητική απόκριση, αλλά εμφανίζουν σιδηρομαγνητική ή σιδηριμαγνητική σειρά σε μικροσκοπικό επίπεδο. Αυτά τα υλικά τηρούν τον νόμο Curie, αλλά έχουν πολύ μεγάλες σταθερές Curie. Τα σιδηρορευστά είναι ένα παράδειγμα υπερπαραμαγνητών. Οι συμπαγείς υπερπαραμαγνήτες είναι επίσης γνωστοί ως μικρομαγνήτες. Το κράμα AuFe (χρυσός-σίδηρος) είναι ένα παράδειγμα mictomagnets. Οι σιδηρομαγνητικά συζευγμένες συστάδες στο κράμα παγώνουν κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία.

Υπάρχουν δύο κύριοι διαφορετικοί τύποι μαγνητών, οι μόνιμοι μαγνήτες και οι ηλεκτρομαγνήτες. Ένας μόνιμος μαγνήτης ονομάζεται μόνιμος μαγνήτης επειδή ο μαγνητισμός του είναι «πάντα ενεργοποιημένος», παράγει το δικό του μαγνητικό πεδίο σε αντίθεση με έναν ηλεκτρομαγνήτη που είναι κατασκευασμένος από ένα πηνίο σύρματος τυλιγμένο γύρω από έναν πυρήνα σιδήρου και απαιτεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα για να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο. Ο μαγνητισμός ενός ηλεκτρομαγνήτη μπορεί να ελεγχθεί και να απενεργοποιηθεί ή να ενεργοποιηθεί με το πάτημα ενός διακόπτη, καθώς ο μαγνητισμός εξαρτάται από μια σταθερή ροή ηλεκτρικής ενέργειας.

Εκτός από τους μόνιμους μαγνήτες και τους ηλεκτρομαγνήτες υπάρχουν προσωρινοί μαγνήτες. Ορισμένα μέταλλα ορίζονται ως σιδηρομαγνητικά, που σημαίνει ότι εμφανίζουν τις δικές τους μαγνητικές ιδιότητες και ορίζονται ως «μαλακά» μαγνητικά υλικά. Οι μόνιμοι (σκληροί) μαγνήτες και οι προσωρινοί (μαλακοί) μαγνήτες είναι και οι δύο σιδηρομαγνητικοί, αλλά οι προσωρινοί μαγνήτες εμφανίζουν αξιοσημείωτες μαγνητικές ιδιότητες μόνο όταν επηρεάζονται από έναν μόνιμο μαγνήτη και τείνουν να μην παραμένουν μαγνητισμένοι. Μαλακά μαγνητικά υλικά όπως ο χάλυβας επιδεικνύουν μαγνητισμό όταν συνδέονται με μαγνήτη αλλά αυτό παύει όταν αφαιρείται ο μαγνήτης.

Πώς λειτουργεί ένας μόνιμος μαγνήτης;
Το πώς λειτουργεί ένας μόνιμος μαγνήτης έχει να κάνει με την ατομική του δομή. Όλα τα σιδηρομαγνητικά υλικά παράγουν ένα φυσικό, αν και ασθενές, μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τους πυρήνες των ατόμων τους.

Αυτές οι ομάδες ατόμων μπορούν να προσανατολιστούν προς την ίδια κατεύθυνση και κάθε μία από αυτές τις ομάδες είναι γνωστή ως ένα ενιαίο μαγνητικό πεδίο. Όπως όλοι οι μόνιμοι μαγνήτες, κάθε περιοχή έχει το δικό της βόρειο και νότιο πόλο. Όταν ένα σιδηρομαγνητικό υλικό δεν μαγνητιστεί, οι περιοχές του κατευθύνονται σε τυχαίες κατευθύνσεις και τα μαγνητικά τους πεδία ακυρώνουν το ένα το άλλο.

Για να δημιουργηθεί ένας μόνιμος μαγνήτης, το σιδηρομαγνητικό υλικό θερμαίνεται σε απίστευτα υψηλές θερμοκρασίες, ενώ εκτίθεται σε ένα ισχυρό, εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Αυτό αναγκάζει τα μεμονωμένα μαγνητικά πεδία μέσα στο υλικό να ευθυγραμμιστούν με την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στο σημείο που όλα τα πεδία είναι ευθυγραμμισμένα και το υλικό φτάνει στο μαγνητικό σημείο κορεσμού του. Στη συνέχεια, το υλικό ψύχεται και οι ευθυγραμμισμένες περιοχές κλειδώνονται στη θέση τους. Αυτή η ευθυγράμμιση των περιοχών καθιστά τον μαγνήτη ανισότροπο. Αφού αφαιρεθεί το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα σκληρά μαγνητικά υλικά θα διατηρήσουν τις περισσότερες περιοχές τους ευθυγραμμισμένες, δημιουργώντας έναν ισχυρό μόνιμο μαγνήτη.

Μόνιμη δύναμη μαγνήτη.
Υπάρχουν αρκετές μετρήσεις που όλες συμβάλλουν στη δύναμη ενός μόνιμου μαγνήτη, οι οποίες συχνά μπορεί να φαίνονται συγκεχυμένες. Η δύναμη του μαγνητικού πεδίου (παραμένουσα μαγνήτιση), η αντίσταση στην απομαγνήτιση (συνεκτικό πεδίο) και η δύναμη έλξης συνοψίζονται συχνά ως δύναμη και όλα είναι τα επιθυμητά χαρακτηριστικά ενός μόνιμου μαγνήτη. Ο μοναδικός πρωταρχικός δείκτης της δύναμης ενός μόνιμου μαγνήτη είναι η μέγιστη τιμή του ενεργειακού γινομένου που μετράται σε Mega Gauss Oersteds (MGOe). Όσο υψηλότερη είναι η μέγιστη τιμή του ενεργειακού γινομένου, τόσο μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο θα δημιουργήσει ο μαγνήτης σε μια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο, που αναφέρεται επίσης ως BHmax υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την παραμένουσα μαγνήτιση ενός μαγνήτη (Br) και το συνεκτικό πεδίο (Hc). Οι ισχυρότεροι μαγνήτες στον κόσμο είναι μαγνήτες νεοδυμίου, οι οποίοι κατασκευάζονται σε διαφορετικούς βαθμούς, ωστόσο, κάθε βαθμός έχει ένα εύχρηστο όνομα που σας επιτρέπει να κρίνετε αμέσως ποιος μαγνήτης είναι ισχυρότερος. Οι εμπορικά διαθέσιμοι μαγνήτες νεοδυμίου κυμαίνονται από βαθμούς Ν₃₅ έως Ν₅₂ . Ο αριθμός μετά το γράμμα «Ν» αντιπροσωπεύει το μέγιστο ενεργειακό γινόμενο του μαγνήτη. 

Η ατομική απόδοση ενός μαγνήτη μεταβάλλεται από τη θερμοκρασία και ορισμένοι τύποι μαγνητών αποδίδουν καλύτερα σε υψηλές θερμοκρασίες από άλλους, όπως οι μαγνήτες alnico και σαμαρίου κοβαλτίου. Όλοι οι μαγνήτες χάνουν ένα ποσοστό του μαγνητισμού τους με την αύξηση της θερμοκρασίας και οι πέντε τύποι μαγνητικών υλικών χάνουν τον μαγνητισμό με διαφορετικούς ρυθμούς και έχουν διαφορετικές μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας. Εάν η θερμοκρασία υπερβεί τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας του μεμονωμένου βαθμού, θα απομαγνητιστεί οριστικά.

Φυσικές ιδιότητες.
Οι περισσότεροι μόνιμοι μαγνήτες είναι εκ φύσεως εύθραυστοι και δεν πρέπει να χρησιμοποιούνται ως δομικά συστατικά. Οι διαστάσεις και οι ανοχές διαφέρουν από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, αλλά οι περισσότεροι θα παράγουν μαγνήτες με ανοχή +/- 0.1mm για όλες τις αναφερόμενες διαστάσεις. Οι μόνιμοι μαγνήτες παράγονται σε πολλά σχήματα, όπως τυπικοί δακτύλιοι, ράβδοι και δίσκοι καθώς και προσαρμοσμένα σχήματα όπως τραπεζοειδές, τόξος, μιτροειδές και ακόμη και το «καπέλο».

Οι μόνιμοι μαγνήτες  συχνά επικαλύπτονται για να βελτιώσουν την απόδοσή τους. Πάρτε για παράδειγμα μαγνήτες νεοδυμίου, είναι οι ισχυρότεροι μόνιμοι μαγνήτες που διατίθενται, αλλά είναι οι πιο επιρρεπείς στη διάβρωση λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε σίδηρο, επομένως σχεδόν πάντα παρέχονται με επίστρωση. Οι τυπικές επικαλύψεις περιλαμβάνουν, νικέλιο, ανοξείδωτο χάλυβα, PTFE (τεφλόν), εποξικό, καουτσούκ, χρυσό, τιτάνιο, χρώμιο και πολλά άλλα.

Τα στοιχεία σπανίων γαιών είναι μια ομάδα δεκαεπτά χημικών στοιχείων που εμφανίζονται μαζί στον περιοδικό πίνακα (βλέπε εικόνα). Η ομάδα αποτελείται από  yttrium και 15 στοιχεία λανθανιδών (lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium και lutetium). Το scandium βρίσκεται στις περισσότερες αποθέσεις στοιχείων σπάνιων γαιών και μερικές φορές ταξινομείται ως στοιχείο σπάνιας γαίας. Η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας περιλαμβάνει το scandium στον ορισμό των στοιχείων σπανίων γαιών.

Τα στοιχεία σπανίων γαιών είναι όλα μέταλλα και η ομάδα αναφέρεται συχνά ως "μέταλλα σπανίων γαιών". Αυτά τα μέταλλα έχουν πολλές παρόμοιες ιδιότητες και αυτό συχνά τα κάνει να βρίσκονται μαζί σε γεωλογικά κοιτάσματα. Αναφέρονται επίσης ως "οξείδια σπανίων γαιών" επειδή πολλά από αυτά πωλούνται συνήθως ως ενώσεις οξειδίων.

Χρήσεις Στοιχείων Σπανίων Γαιών

Μέταλλα και κράματα σπανίων γαιών που τα περιέχουν χρησιμοποιούνται σε πολλές συσκευές που οι άνθρωποι χρησιμοποιούν καθημερινά, όπως μνήμη υπολογιστή, DVD, επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, κινητά τηλέφωνα, καταλυτικούς μετατροπείς, μαγνήτες, φωτισμό φθορισμού και πολλά άλλα.

Τα τελευταία είκοσι χρόνια, υπήρξε μια έκρηξη στη ζήτηση για πολλά είδη που απαιτούν μέταλλα σπανίων γαιών. Πριν από είκοσι χρόνια πολύ λίγοι άνθρωποι κατείχαν ένα κινητό τηλέφωνο, αλλά σήμερα πάνω από 5 δισεκατομμύρια άνθρωποι κατέχουν μια κινητή συσκευή. Η χρήση στοιχείων σπανίων γαιών στους υπολογιστές έχει αυξηθεί σχεδόν τόσο γρήγορα όσο τα κινητά τηλέφωνα.

Πολλές επαναφορτιζόμενες μπαταρίες κατασκευάζονται με ενώσεις σπανίων γαιών. Η ζήτηση για μπαταρίες οφείλεται στη ζήτηση για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, αναγνώστες, φορητούς υπολογιστές και κάμερες.

Αρκετά κιλά σπάνιων γαιών υπάρχουν σε μπαταρίες που τροφοδοτούν κάθε ηλεκτρικό όχημα και υβριδικό-ηλεκτρικό όχημα. Καθώς οι ανησυχίες για την ενεργειακή ανεξαρτησία, την κλιματική αλλαγή και άλλα ζητήματα οδηγούν στην πώληση ηλεκτρικών και υβριδικών οχημάτων, η ζήτηση μπαταριών που κατασκευάζονται με ενώσεις σπανίων γαιών θα αυξηθεί ακόμη πιο γρήγορα.

Οι σπάνιες γαίες χρησιμοποιούνται ως καταλύτες, φωσφόροι και ενώσεις στίλβωσης. Αυτά χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, φωτιζόμενες οθόνες σε ηλεκτρονικές συσκευές και το γυάλισμα γυαλιού οπτικής ποιότητας. Όλα αυτά τα προϊόντα αναμένεται να παρουσιάσουν αυξανόμενη ζήτηση.

Άλλες ουσίες μπορούν να αντικατασταθούν από στοιχεία σπανίων γαιών στις πιο σημαντικές χρήσεις τους. Ωστόσο, αυτά τα υποκατάστατα είναι συνήθως λιγότερο αποτελεσματικά και δαπανηρά.

Από τη δεκαετία του 1950 έως τις αρχές της δεκαετίας του 2000, το οξείδιο του cerium ήταν ένα πολύ δημοφιλές lapidary βερνίκι. Ήταν φθηνό και πολύ αποτελεσματικό. Οι πρόσφατες αυξήσεις των τιμών έχουν σχεδόν εξαλείψει τη χρήση του οξειδίου του cerium στην πτώση των βράχων και στις τέχνες lapidary. Άλλοι τύποι γυαλιστικών, όπως το οξείδιο του αργιλίου και το οξείδιο του τιτανίου, χρησιμοποιούνται τώρα στη θέση του.

Είναι πραγματικά αυτά τα στοιχεία "σπάνια";

Τα στοιχεία  σπάνιων γαιών δεν είναι τόσο «σπάνια» όσο υποδηλώνει το όνομά τους. Το Thulium και lutetium είναι τα δύο λιγότερο άφθονα στοιχεία σπάνιων γαιών - αλλά το καθένα έχει μια μέση αφθονία φλοιού που είναι σχεδόν 200 φορές μεγαλύτερη από την αφθονία του φλοιού του χρυσού. Ωστόσο, αυτά τα μέταλλα είναι πολύ δύσκολο να εξορυχθούν επειδή είναι ασυνήθιστο να τα βρούμε σε συγκεντρώσεις αρκετά υψηλές για οικονομική εξόρυξη.

Τα πιο άφθονα στοιχεία σπάνιων γαιών είναι το cerium, yttrium, lanthanum και neodymium. Έχουν μέση αύξηση φλοιού παρόμοια με τα κοινά χρησιμοποιούμενα βιομηχανικά μέταλλα όπως χρώμιο, νικέλιο, ψευδάργυρο, μολυβδαίνιο, κασσίτερο, βολφράμιο και μόλυβδο. Και πάλι, σπάνια βρίσκονται σε εξαγόμενες συγκεντρώσεις.

Η μαγνητική αντίσταση, είναι μια έννοια που χρησιμοποιείται στην ανάλυση μαγνητικών κυκλωμάτων. Ορίζεται ως ο λόγος της μαγνητοκινητικής δύναμης (mmf) προς τη μαγνητική ροή. Αντιπροσωπεύει την αντίθεση στη μαγνητική ροή και εξαρτάται από τη γεωμετρία και τη σύνθεση ενός αντικειμένου.

Η μαγνητική αντίσταση σε ένα μαγνητικό κύκλωμα είναι ανάλογη με την ηλεκτρική αντίσταση σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, καθώς η αντίσταση είναι ένα μέτρο της αντίθεσης στο ηλεκτρικό ρεύμα. Ο ορισμός της μαγνητικής αντίστασης είναι ανάλογος με τον νόμο του Ohm από αυτή την άποψη. Ωστόσο, η μαγνητική ροή που διέρχεται από μια αντίσταση δεν προκαλεί διάχυση της θερμότητας όπως συμβαίνει με το ρεύμα μέσω μιας αντίστασης. Επομένως, η αναλογία δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για μοντελοποίηση ροής ενέργειας σε συστήματα όπου η ενέργεια διασχίζει το μαγνητικό και το ηλεκτρικό πεδίο. Μια εναλλακτική αναλογία με το μοντέλο αντίστασης που αντιπροσωπεύει σωστά τις ροές ενέργειας είναι το μοντέλο γυριστή -πυκνωτή.

Η μαγνητική αντίσταση  είναι μια κλιμακωτή μεγάλη ποσότητα, παρόμοια με την ηλεκτρική αντίσταση. Η μονάδα  μαγνητικής αντίστασης είναι αντίστροφη του henry, H⁻¹ .

Ιστορία
Ο όρος αντίσταση επινοήθηκε τον Μάιο του 1888 από τον Oliver Heaviside. Η έννοια της "μαγνητικής αντίστασης" αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον James Joule το 1840. Η ιδέα για έναν νόμο μαγνητικής ροής, παρόμοιο με τον νόμο του Ohm για τα κλειστά ηλεκτρικά κυκλώματα, αποδίδεται στον Henry Augustus Rowland σε ένα έγγραφο του 1873. Ο Rowland είναι επίσης υπεύθυνος για τη δημιουργία του όρου μαγνητοκινητική δύναμη το 1880, επίσης επηρεασμένος, προφανώς ανεξάρτητα, λίγο αργότερα το 1883 από τον Bosanquet.

Η αντίσταση συνήθως παριστάνεται με το κεφαλαίο κεφαλαίο R.

Ο κορεσμός εμφανίζεται συνήθως σε λεπτότερα κομμάτια επεξεργασίας όπου υπάρχει λιγότερος όγκος υλικού για δράση. Πολλές φορές, ολόκληρο το επεξεργαζόμενο κομμάτι δεν έχει κορεστεί και στην πραγματικότητα υπάρχει μια κλίση μέσα στο επεξεργαζόμενο κομμάτι όπου μόνο κάποια τμήματα οδηγούνται σε κορεσμό. Ακόμα κι αν ολόκληρο το επεξεργαζόμενο κομμάτι δεν κορεστεί, η δύναμη εξακολουθεί να είναι περιορισμένη επειδή οι περιοχές που δεν θα κορεστούν δεν συμβάλλουν στην ελκτική δύναμη.

Η άμεση μέτρηση του βαθμού κορεσμού μέσα σε ένα υλικό μπορεί να είναι δύσκολη καθώς αυτό είναι ένα εσωτερικό φαινόμενο. Υπάρχουν, ωστόσο, μερικές μέθοδοι πρώτης τάξης που μπορεί να υποδηλώνουν ότι ένα σύστημα βρίσκεται σε κορεσμό. Μια επιλογή είναι να εξετάσετε τη μη λειτουργική όψη του τεμαχίου εργασίας (η πρόσοψη που βρίσκεται απέναντι από το εξωτερικά εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο) και να προσπαθήσετε να παρατηρήσετε οποιοδήποτε πεδίο "διαρρέει". Ο βαθμός διαρροής είναι ένας καλός δείκτης κορεσμού και υποδηλώνει ότι το επεξεργαζόμενο κομμάτι θα ωφεληθεί από το να είναι παχύτερο. Η άλλη επιλογή είναι να αυξήσετε το πάχος του κομματιού και να δείτε τι επίδραση έχει. Εάν κάποιος διπλασιάσει το πάχος του επεξεργαζόμενου κομματιού και λάβει μια μετρήσιμη αύξηση της ελκτικής δύναμης, τότε το αρχικό επεξεργαζόμενο κομμάτι ήταν κορεσμένο, ωστόσο, υπάρχει ένα σημείο μείωσης των αποδόσεων.  Η αύξηση του πάχους ενός τεμαχίου εργασίας είναι γενικά πάντα ευεργετική, αλλά θα επηρεάσει το κόστος, τη μάζα και ενδεχομένως την ευκολία κατασκευής.

Συμπερασματικά:

1. Ο κορεσμός μπορεί να επηρεάσει αρνητικά ένα σχέδιο μειώνοντας τη συνολική μαγνητική απόδοση του συστήματος.
2. Ο κορεσμός ενός υλικού μπορεί να θεωρηθεί ως το όριο στο οποίο το υλικό μπορεί να μεταφέρει μαγνητική ροή. Μια αναλογία σωλήνων λειτουργεί καλά καθώς υπάρχει ένα όριο στον όγκο του υλικού που μεταφέρεται από έναν σωλήνα και υπάρχει ένα όριο μαγνητικού πεδίου που μπορεί να μεταφέρει ένα υλικό.
3. Υπάρχει ένα όριο στην ποσότητα που ο επαγόμενος μαγνητισμός είναι δυνατός σε ένα υλικό. Όταν δεν μπορεί να δημιουργηθεί πια εσωτερικός μαγνητισμός μέσα σε ένα υλικό, λέγεται ότι είναι κορεσμένος.
4. Ο κορεσμός είναι μια ρευστή κατάσταση που εξαρτάται από τα μαγνητικά χαρακτηριστικά του υλικού και την ένταση και την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου.
5. Τα λεπτότερα κομμάτια εργασίας  συνήθως υποφέρουν από κορεσμό περισσότερο από παχύτερα κομμάτια.
6. Ο μαγνητικός κορεσμός στο κομμάτια εργασίας περιορίζει την αποτελεσματική ελκτική δύναμη μεταξύ του κομματιού εργασίας και ενός μαγνήτη.