Ο μαγνητισμός γύρω μας - Φαινόμενα

Όταν ένα υλικό υποβάλλεται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, η μεταβολή του B (ή M) με H καταγράφει ένα βρόχο υστέρησης. Ταυτόχρονα, η μεταβολή του λ με το H καταγράφει έναν άλλο βρόχο. Ο δεύτερος είναι στην πραγματικότητα ένας διπλός βρόχος, που μερικές φορές ονομάζεται βρόχος πεταλούδας, όπως απεικονίζεται για το νικέλιο στο παραπάνω σχήμα, επειδή η μαγνητοσυστολική τάση δεν αλλάζει πρόσημο όταν το πεδίο αναστρέφεται. Συνεπώς, το υλικό δονείται στη διπλάσια συχνότητα του πεδίου στο οποίο εκτίθεται. Αυτή η μαγνητοσυστολική δόνηση είναι μια πηγή ήχου, το βουητό που εκπέμπεται από μετασχηματιστές. (Ένας μετασχηματιστής περιέχει έναν «πυρήνα» μαγνητικού υλικού που υποβάλλεται στο εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο που παράγεται από το εναλλασσόμενο ρεύμα στην κύρια περιέλιξη.) Αυτός ο ήχος, που μερικές φορές ονομάζεται "βουητό 60 κύκλων", έχει στην πραγματικότητα μια θεμελιώδη συχνότητα 2× 60=120 Hz. Στην Ευρώπη και σε άλλες χώρες όπου η συχνότητα ισχύος ΑC είναι 50 Hz, το βουητό είναι στα 100 Hz.
Αντίθετα, εάν ένα μερικώς μαγνητισμένο σώμα δονείται μηχανικά, η μαγνήτιση του θα μεταβάλλεται σε μέγεθος γύρω από μια μέση τιμή λόγω του αντίστροφου μαγνητοσυστολικού φαινομένου και αυτή η εναλλασσόμενη μαγνήτιση θα προκαλέσει εναλλασσόμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη σε μια περιέλιξη που περικυκλώνει το σώμα.
Αυτά τα δύο φαινόμενα αξιοποιούνται στο μαγνητοσυστολικό μετατροπέα. Ανήκει στην οικογένεια των ηλεκτρομηχανολογικών μετατροπέων που μπορούν να μετατρέψουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια και το αντίστροφο.
Το σχήμα και το μέγεθος ενός μαγνητοσυστολικού μετατροπέα εξαρτάται από τη φύση της εφαρμογής. Στις πρώτες εφαρμογές, το νικέλιο χρησιμοποιήθηκε συνήθως ως μαγνητοσυστολικό υλικό, αλλά αυτό έχει αντικατασταθεί από ένα κράμα σπάνιας γαίας-σιδήρου με προσεγγιστική σύσταση Tb₃Dy₇Fe₁₉, γνωστό ως Terfenol-D, που παρασκευάζεται με κατευθυνόμενη στερεοποίηση για να έχει ισχυρή κρυσταλλογραφική διάταξη.
 

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

1.    Ηλεκτρική σε Μηχανική
Εάν ένα ρεύμα διαρρέει ένα αγωγό που βρίσκεται εντός του μαγνητικού πεδίου ενός μόνιμου μαγνήτη, θα ασκηθεί δύναμη σε αυτόν τον αγωγό. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας διατάξεων όπως το μεγάφωνο, ο κινητήρας μόνιμου μαγνήτη, τα ηλεκτρικά όργανα κίνησης-πηνίου και τα ακουστικά για σκληρούς δίσκους. Οι κινητήρες είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική.

2.    Μηχανική σε Ηλεκτρική
Αν μεταβληθεί η ροή μέσα από μια περιέλιξη, μια ηλεκτρεγερτική δύναμη θα προκληθεί σε αυτή την περιέλιξη. Η μεταβολή ροής μπορεί να πραγματοποιηθεί από οποιαδήποτε μηχανικά παραγόμενη σχετική κίνηση ενός μαγνήτη και της περιέλιξης. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας για συσκευές όπως ο αναφλεκτήρας (magneto) και το μικρόφωνο. Το magneto αποτελείται από ένα μαγνήτη που περιστρέφεται γύρω από ένα πυρήνα σιδήρου που φέρει μια περιέλιξη. Χρησιμοποιείται για την παραγωγή σπινθήρων ανάφλεξης σε μικρούς βενζινοκινητήρες, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε χλοοκοπτικές  ισχύος και εξωλέμβιους κινητήρες

Το μαγνητικό μικρόφωνο είναι απλά το αντίστροφο του μεγάφωνου. Χρησιμοποιείται σπάνια, εκτός από μερικά απλά συστήματα επικοινωνίας όπου το μεγάφωνο χρησιμεύει επίσης ως μικρόφωνο.

Ένας μετασχηματιστής είναι μια συσκευή που μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια από ένα ηλεκτρικό κύκλωμα σε κάποιο άλλο, παρόλο που τα δύο κυκλώματα δεν συνδέονται ηλεκτρικά. Αυτό επιτυγχάνεται με μια μαγνητική ροή που συνδέει τα δύο κυκλώματα μέσω ενός επαγωγικού πηνίου σε κάθε κύκλωμα. Τα δύο πηνία συνδέονται με μαγνητικό πυρήνα υψηλής διαπερατότητας. Το κύριο μέλημα είναι η επιλογή κατάλληλου υλικού για τον μαγνητικό πυρήνα του μετασχηματιστή. Το υλικό που χρησιμοποιείται για πυρήνες μετασχηματιστών είναι σχεδόν αποκλειστικά κράμα σιδήρου-πυριτίου με προσανατολισμένους κόκκους, αν και οι μικροί πυρήνες εξακολουθούν να χρησιμοποιούν μη προσανατολισμένους κόκκους πυριτίου-σίδηρου. Οι μετασχηματιστές υψηλής συχνότητας χρησιμοποιούν κοβάλτιο-σίδηρο, αν και αυτό αντιπροσωπεύει μόνο ένα μικρό τμήμα της συνολικής αγοράς μετασχηματιστών.
Οι γεννήτριες είναι συσκευές για τη μετατροπή της μηχανικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι κινητήρες είναι συσκευές για τη μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας σε μηχανική ενέργεια. Και τα δύο κατασκευάζονται από μαγνητικά υλικά υψηλής επαγωγής και υψηλής διαπερατότητας. Το πιο κοινό υλικό που χρησιμοποιείται για αυτές τις εφαρμογές είναι το μη προσανατολισμένων κόκκων κράμα πυριτίου-σιδήρου, αλλά πολλοί μικρότεροι κινητήρες χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς χάλυβες (Fe-C) χωρίς πυρίτιο.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2^nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Η μετατροπή της μαγνητικής σε μηχανικής ενέργειας σε άμορφα μεταλλικά γυαλιά με βάση το Fe (π.χ. κράμα Metglas σύνθεσης Fe₈₁B_13.5Si_3.5C₂) μπορεί να φτάσει έως και το 90% όταν οι άμορφες ταινίες ανοπτύονται σε εγκάρσιο μαγνητικό πεδίο και στη συνέχεια ψύχονται πολύ γρήγορα. Σε αυτή την κατάσταση οι ταινίες έχουν μια επαγώμενη εγκάρσια μαγνητική ανισοτροπία. Όταν τοποθετούνται σε ένα διαμήκες μαγνητικό πεδίο, οι μαγνητικές περιοχές περιστρέφονται ομαλά από την κάθετη προς την παράλληλη κατεύθυνση, χωρίς κίνηση των τοιχωμάτων περιοχής. Η περιστροφή μπορεί να επιτευχθεί σε πολύ χαμηλά εφαρμοσμένα πεδία λόγω των πεδίων χαμηλής ανισοτροπίας HK που μπορούν να επιτευχθούν σε αυτά τα άμορφα υλικά. Οι ταινίες επιμηκύνονται λόγω της θετικής μαγνητοσυστολής τους.

Πηγή κειμένου: The physics and chemistry of materials, Joel I. Gersten, Frederick W. Smith, John Wiley & Sons, Inc, United States of America, 2001.

Για αιώνες υπήρχε το όνειρο της μαγνητικής αιώρησης, δηλαδή η σταθερή ανάρτηση στον αέρα ενός σώματος από σίδηρο ή άλλο μαγνητικό υλικό, χωρίς φυσική επαφή, από μια περίτεχνη διάταξη μαγνητών που ασκούσαν κατάλληλες έλξεις και απώσεις. Αλλά τέτοιες ελπίδες διαψεύστηκαν το 1839, όταν ο S. Earnshaw απέδειξε ότι δεν μπορούσε να γίνει. Το θεώρημα του σχετίζεται τόσο με ηλεκτροστατικές όσο και με μαγνητοστατικές δυνάμεις, ή με οποιοδήποτε σύστημα σωματιδίων που ασκούν δυνάμεις το ένα στο άλλο που μεταβάλλονται αντίστροφα με το τετράγωνο της απόστασης. Για τα μαγνητικά συστήματα, το θεώρημα Earnshaw μπορεί να διατυπωθεί ως εξής: Η σταθερή αιώρηση ενός σώματος από ένα ή περισσότερα άλλα σώματα είναι αδύνατη, εάν όλα τα σώματα στο σύστημα έχουν διαπερατότητα μεγαλύτερη από 1.
Η σταθερή αιώρηση μπορεί να επιτευχθεί για ένα υλικό με θετική τιμή διαπερατότητας εάν χρησιμοποιούνται ανιχνευτής θέσης και σύστημα ανάδρασης έτσι ώστε η δύναμη που δρα στο αιωρούμενο αντικείμενο να προσαρμόζεται συνεχώς, συνήθως μεταβάλλοντας το ρεύμα μέσω ηλεκτρομαγνήτη. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας για διάφορα αιωρούμενα αντικείμενα καινοτομίας καθώς και για σχεδόν μηδενικής τριβής εναιωρήματα σε διάφορα είδη περιστρεφόμενων οργάνων και μηχανών.
Αν διαμαγνητικά υλικά περιλαμβάνονται στο σύστημα, η σταθερή αιώρηση γίνεται δυνατή χωρίς κατανάλωση ισχύος. Η αιώρηση αυτού του είδους είναι ευκολότερη με έναν τέλειο διαμαγνήτη, δηλαδή έναν υπεραγωγό. Η εικόνα δείχνει ένα μαγνήτη ράβδων να αιωρείται πάνω από την ελαφρώς κοίλη επιφάνεια του υπεραγώγιμου μολύβδου στους 4K. Ο μαγνήτης αιωρείται στην πραγματικότητα από το δικό του πεδίο, το οποίο δεν μπορεί να διεισδύσει στον μόλυβδο.
Η διαπερατότητα ενός υπεραγωγού είναι μηδενική και υπάρχουν πολλά διαμαγνητικά υλικά με διαπερατότητα ελαφρώς μικρότερη από τη μονάδα. Αλλά δεν υπάρχουν διαμαγνητικά υλικά με ενδιάμεσες τιμές μ, όπως 20,5. Αυτό σημαίνει ότι μόνο πολύ ελαφριά σώματα, μερικά γραμμάρια σε βάρος, μπορούν να αιωρούνται σταθερά σε θερμοκρασία δωματίου με τη βοήθεια συνηθισμένων διαμαγνητικών υλικών, όπως γραφίτης ή βισμούθιο, επειδή οι δυνάμεις απώθησης τους είναι τόσο μικρές σε μέγεθος.
Σημαντικά βαρύτερα φορτία μπορούν να αιωρηθούν από την άπωση μεταξύ μόνιμων μαγνητών, του κατώτερου στερεωμένου σε μια βάση και του άνω μέρους στην κάτω πλευρά του φορτίου. Απαιτείται κάποιος πλευρικός περιορισμός για να σταθεροποιηθεί το φορτίο, αλλά δεν χρειάζεται να είναι ισχυρός. Οι μαγνήτες πρέπει να έχουν υψηλό συνεκτικό πεδίο. Ο φερρίτης βαρίου και οι μαγνήτες σπανίων γαιών είναι κατάλληλοι για αυτήν την εφαρμογή δεδομένου ότι μπορούν να διαμορφωθούν σε επίπεδα κομμάτια αρκετά μεγάλης επιφάνειας, μαγνητισμένα στην κατεύθυνση του πάχους.
 

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey,  Cambridge University Press, 2010.

Οι μόνιμοι μαγνήτες παράγουν σταθερά μαγνητικά πεδία χωρίς συνεχή κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε ορισμένες περιπτώσεις. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές εφαρμογές μόνιμων μαγνητών και όπως έχουμε δει οι γεωμετρικοί περιορισμοί οδηγούν σε πολλές διαφορετικές απαιτήσεις υλικών. Ως εκ τούτου, υπάρχει ένα ευρύ φάσμα μόνιμων μαγνητικών υλικών διαθέσιμων στο εμπόριο. Οι κύριες εφαρμογές των μόνιμων μαγνητών είναι στους ηλεκτρικούς κινητήρες, τις γεννήτριες, τα μεγάφωνα, τους μετρητές κινούμενου πηνίου, τους μαγνητικούς διαχωριστές, τις συσκευές ελέγχου για δέσμες ηλεκτρονίων όπως στις τηλεοράσεις, τα χωρίς τριβή ρουλεμάν, τα συστήματα μαγνητικής αιώρησης, και τις διάφορες μορφές των μαγνητών συγκράτησης όπως στο σταμάτημα πόρτας.
Οι ηλεκτροκινητήρες, στους οποίους η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια, και οι ηλεκτρικές γεννήτριες στις οποίες η μηχανική ενέργεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια είναι η πιο σημαντική εφαρμογή μόνιμων μαγνητών. Το πρόσφατο μόνιμο μαγνητικό υλικό νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου αναπτύχθηκε από την General Motors για χρήση στους κινητήρες εκκίνησης των αυτοκινήτων και των φορτηγών τους. Το μέγεθος των κινητήρων μπορεί να μειωθεί σημαντικά με τη χρήση ισχυρότερων υλικών μόνιμου μαγνήτη και αυτό είναι συχνά ένα σημαντικό ζήτημα που υπερτερεί του πρόσθετου κόστους των μαγνητών υψηλής απόδοσης. Οι μόνιμοι μαγνήτες νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου χρησιμοποιούνται επίσης τώρα στα συστήματα απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού. Αυτή η εφαρμογή απαιτεί μια πολύ υψηλή ομοιογένεια πεδίου, συνήθως 5 ppm (μέρη ανά εκατομμύριο)  σε όγκο διαμέτρου 0.6 m.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.