Ο μαγνητισμός γύρω μας - Υλικά

Το AlNiCo είναι τώρα ένα γενικό όνομα για μια οικογένεια κραμάτων, γνωστή με πολλές εμπορικές ονομασίες, που περιέχει σημαντικές ποσότητες και των τριών σιδηρομαγνητικών μετάλλων, Fe, Co και Ni, συν μικρότερες ποσότητες Al, Cu και μερικές φορές άλλα στοιχεία. Το όνομα προέρχεται από τα χημικά σύμβολα για αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο, παρόλο που όλα τα AlNiCo έχουν σίδηρο ως κύριο συστατικό. Ήταν κάποτε τα πιο διαδεδομένα υλικά μόνιμου μαγνήτη, αλλά τώρα έχουν αντικατασταθεί σε μεγάλο βαθμό από φερρίτες μόνιμου μαγνήτη και κράματα μεταβατικών μετάλλων σπανίων γαιών. Τα AlNiCo έχουν σχετικά υψηλές θερμοκρασίες Curie και επομένως σχετικά μικρή εξάρτηση από τη μαγνητική ιδιότητα σε θερμοκρασία δωματίου, γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα σε ορισμένες εφαρμογές.

Η ανάπτυξη του AlNiCo χρονολογείται από το 1931, όταν η Mishima στην Ιαπωνία ανακάλυψε ότι ένα κράμα 58% Fe, 30% Ni και 12% Al είχε συνεκτικό πεδίο άνω των 400 Oe, σχεδόν διπλάσια από αυτή του καλύτερου μαγνητικού χάλυβα. Σύντομα ανακαλύφθηκε ότι η προσθήκη Co και Cu βελτίωσε τις ιδιότητες του κράματος Mishima και πολλά σχετικά κράματα έχουν δοκιμαστεί και κατασκευαστεί.

Οι παραγωγοί AlNiCo και άλλων υλικών μόνιμου μαγνήτη δεν καθορίζουν συνήθως τις συνθέσεις των κραμάτων τους, αλλά μόνο τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Τα AlNiCo δεν είναι χάλυβες. Είναι ουσιαστικά χωρίς άνθρακα, δεν σχηματίζουν ούτε περιέχουν μαρτενσίτη και ο μηχανισμός της μαγνητικής σκληρότητάς τους είναι αρκετά διαφορετικός από αυτόν του χάλυβα.

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

Αυτά τα υλικά, γνωστά και ως κεραμικοί μαγνήτες, αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1950 ως αποτέλεσμα της θεωρίας Stoner-Wohlfarth που έδειξε ότι το συνεκτικό πεδίο ενός συστήματος σωματιδίων μιας μαγνητικής περιοχής ήταν ανάλογο με την ανισοτροπία. Η θεωρία παρείχε έτσι την καθοδήγηση για τη βιομηχανία των μόνιμων μαγνητών υποδεικνύοντας τους τύπους υλικών που μπορεί να αποδειχθούν καλοί μόνιμοι μαγνήτες. Αυτό οδήγησε τους κατασκευαστές μόνιμων μαγνητών να προσπαθήσουν να αναπτύξουν εξαιρετικά ανισότροπα υλικά με τη μορφή των συσσωματώσεων των σωματιδίων μιας μοναδικής μαγνητικής περιοχής. Η αιτία της ανισοτροπίας θα μπορούσε να είναι φαινόμενα σχήματος είτε κρυσταλλικών είτε μικρών σωματιδίων.

Ωστόσο, έχει διαπιστωθεί ότι τα συνεκτικά πεδία των πραγματικών υλικών ήταν πάντα πολύ μικρότερα από τις θεωρητικές προβλέψεις των Stoner και Wohlfarth, καθώς μηχανισμοί εκτός της συνεκτικής περιστροφής της μαγνητικής περιοχής είναι σχεδόν πάντα διαθέσιμοι και αυτοί μπορούν να λάβουν χώρα σε χαμηλότερα συνεκτικά πεδία.

Οι σκληροί εξαγωνικοί φερρίτες σε ευρεία χρήση είναι συνήθως είτε φερρίτης βαρίου είτε στροντίου (BaO · 6Fe₂0₃ ή SrO · 6Fe₂0₃). Αυτά τα υλικά είναι σχετικά φθηνά για παραγωγή και εμπορικά παραμένουν τα πιο σημαντικά από τα μόνιμα.

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

Ο μεγάλος κορεσμός των κραμάτων σιδήρου-κοβαλτίου σημειώθηκε για πρώτη φορά από τον Preuss (1912) και επίσης από τον Weiss (1912) στο κράμα Fe₂Co. Το κράμα 50% Co με υψηλότερη διαπερατότητα και μόνο ελαφρώς χαμηλότερο κορεσμό αναφέρθηκε από τον Ellis (1927) αλλά είχε κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον Elman (1929 ένα χρόνο νωρίτερα. Το όνομα Permendur εφαρμόστηκε σε αυτό το κράμα επειδή η διαπερατότητα άντεξε ακόμη και σε υψηλούς κορεσμούς Το 1932, οι White και Wahl (1932) κατοχύρωσαν με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας μια τροποποίηση αυτού του κράματος, η οποία πρόσθεσε βανάδιο σε αυτό για να διευκολύνει την διαδικασία ψύξης. Αργότερα, οι Gould και Wenny (1957) εξειδίκευσαν τη διαδικασία χρησιμοποιώντας υλικά υψηλής καθαρότητας και ειδική επεξεργασία. Το υλικό το ονόμασαν Supermendur.

Πηγή κειμένου: Handbook of modern ferromagnetic materials, A. Goldman, B.S., Springer Science+Business Media New York, Ferrite Technology Worldwide, (1st edition), 1999.

Στην παραγωγή και μετάδοση ηλεκτρικής ενέργειας η μεγαλύτερη ζήτηση είναι για πυρήνες μετασχηματιστών. Σε αυτή την περιοχή το κράμα σιδήρου-πυριτίου χρησιμοποιείται αποκλειστικά. Είναι γνωστό επίσης και ως «ηλεκτρικός χάλυβας» ή χάλυβας πυριτίου, παραπλανητικοί όροι, δεδομένου ότι αυτά τα υλικά δεν είναι πραγματικοί χάλυβες.
Στη βιομηχανία ηλεκτρικής ενέργειας η ηλεκτρική τάση είναι σχεδόν πάντα χαμηλής συχνότητας AC στα 50 ή 60 Hz. Αυτό οδηγεί σε εναλλασσόμενη ροή στους πυρήνες των ηλεκτρομαγνητικών συσκευών και, κατά συνέπεια, στην παραγωγή «ρευμάτων Eddy» εάν το υλικό είναι ηλεκτρικός αγωγός. Τα ρεύματα Eddy μειώνουν την απόδοση των μετασχηματιστών επειδή μέρος της ενέργειας χάνεται μέσω της διάχυσης του ρεύματος.
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους οι ιδιότητες του καθαρού σιδήρου μπορούν να βελτιωθούν προκειμένου να γίνει καταλληλότερος για πυρήνες μετασχηματιστών σε χαμηλές συχνότητες. Πρώτον, η αντίσταση μπορεί να αυξηθεί έτσι ώστε οι απώλειες ρεύματος να γίνουν λιγότερες. Αυτό επιτυγχάνεται με την κράματοποίηση του σιδήρου με πυρίτιο. Ο σίδηρος που περιέχει 3% πυρίτιο εμφανίζει τέσσερις φορές μεγαλύτερη αντίσταση από εκείνη του καθαρού σιδήρου. Με την πάροδο των ετών σημειώθηκαν σημαντικές βελτιώσεις στις απώλειες ρεύματος σιδήρου πυριτίου.
Το πυρίτιο φυσικά είναι ένα πολύ φθηνό υλικό που είναι ένα σημαντικό ζήτημα όταν χρειάζεται τόσος πολύς σίδηρος στους μετασχηματιστές. Έχει δύο βασικά θετικά αποτελέσματα στις ιδιότητες του κράματος. Η αγωγιμότητα μειώνεται καθώς προστίθεται πυρίτιο και μειώνεται η μαγνητοσυστολή. Για AC εφαρμογές αυτή η μείωση της μαγνητοσυστολής είναι ένα επιπλέον πλεονέκτημα, καθώς οι κυκλικές καταπονήσεις που προκύπτουν από μαγνητοσυστολικές τάσεις στελέχη στα 50 ή 60 Hz παράγουν ακουστικό θόρυβο.
Ως εκ τούτου, οποιαδήποτε μείωση της μαγνητοσυστολής είναι επιθυμητή, ιδιαίτερα εάν προκύπτει ως αποτέλεσμα της τροποποίησης του υλικού σύμφωνα με τις υπόλοιπες επιταγές. Ένα τρίτο όφελος που προκαλείται από την προσθήκη πυριτίου είναι ότι μειώνει την ανισοτροπία του κράματος οδηγώντας σε αύξηση της διαπερατότητας του μη προσανατολισμένου πυριτίου-σιδήρου.
Θετική επίδραση έχει επίσης η φυλλόμορφη διαμόρφωση των πυρήνων με τέτοιο τρόπο που τα φύλλα να έχουν την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Αυτό δεν παρεμβαίνει στη διαδρομή μαγνητικής ροής, αλλά μειώνει τις απώλειες ρευμάτων Εddy, περιορίζοντας τα χωρικά σε ένα στενό στρώμα υλικού. Επιπλέον, η επικάλυψη των φύλλων με μονωτικό υλικό βελτιώνει επίσης τις απώλειες ρευμάτων Εddy αποτρέποντας τη διέλευση του ρεύματος από το ένα στρώμα στο άλλο. Το πάχος των φύλλων, για βέλτιστη απόδοση είναι 0.3-0.7 mm.

Ωστόσο, υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα με την προσθήκη πυριτίου στο σίδηρο. Σε υψηλότερη περιεκτικότητα σε πυρίτιο το κράμα γίνεται πολύ εύθραυστο και αυτό συνιστά έναν πρακτικό περιορισμό στο επίπεδο του πυριτίου που μπορεί να προστεθεί χωρίς το υλικό να γίνει πολύ εύθραυστο για χρήση. Αυτό το όριο είναι περίπου 4% και το μεγαλύτερο μέρος του μετασχηματιστή πυριτίου-σιδήρου έχει σύνθεση 3-4% Si, αν και πρόσφατα έχει αναπτυχθεί υλικό με περιεκτικότητα σε πυρίτιο 6% με επαρκείς μηχανικές ιδιότητες για εφαρμογές μετασχηματιστών. Ένα άλλο μειονέκτημα που προκύπτει από την προσθήκη πυριτίου στον σίδηρο είναι η μείωση της επαγωγής κορεσμού.

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

Αυτά ήταν τα αρχικά υλικά για μετασχηματιστές, κινητήρες και γεννήτριες αλλά αντικαταστάθηκαν από σίδηρο πυριτίου τόσο στην προσανατολισμένη μορφή του για μετασχηματιστές όσο και στη μη προσανατολισμένη μορφή του για κινητήρες και γεννήτριες.

Ο μαλακός σίδηρος χρησιμοποιείται ως βασικό υλικό για ηλεκτρομαγνήτες συνεχούς ρεύματος, όπως εργαστηριακούς ηλεκτρομαγνήτες για τους οποίους παραμένει το καλύτερο υλικό. Το κύριο μέλημα είναι απλώς η απόκτηση είτε υψηλών πεδίων είτε πολύ ομοιόμορφων μαγνητικών πεδίων. Ο σίδηρος με χαμηλά επίπεδα προσμείξεων όπως άνθρακας (0,05%) και άζωτο έχει συμπίεση περίπου 80 A/m (1 Oe) και μέγιστη σχετική διαπερατότητα της τάξης των 10000. Με ανόπτηση του υδρογόνου οι προσμείξεις μπορούν να αφαιρεθούν και αυτό οδηγεί σε μείωση του συνεκτικού πεδίου στα 4Α/m (0,05 Oe) και αύξηση της μέγιστης σχετικής διαπερατότητας σε περίπου 100000. Η υψηλότερη σχετική διαπερατότητα που λαμβάνεται για καθαρό σίδηρο είναι 1,5 x 10⁶, ωστόσο το πρόβλημα με αυτό από εμπορική άποψη είναι ότι είναι πολύ ακριβό για πολλές εφαρμογές.

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

Περνάμε τώρα στα ίδια τα υλικά του μαγνήτη. Το παλαιότερο από αυτά ήταν ο λίθος, μερικές φορές «οπλισμένος» συνδέοντας μαλακό σίδηρο σε κάθε άκρο για να συγκεντρωθεί η ροή. Αυτή είναι η προέλευση του όρου "οπλισμός" για ένα μέρος ενός μαγνητικού κυκλώματος. Ακολούθησαν μαγνήτες χάλυβα υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, σκληρυμένοι με απόσβεση (ταχεία ψύξη από υψηλή θερμοκρασία), οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για αιώνες ως βελόνες πυξίδας.

Στα τέλη του 1800, τα κράματα από χάλυβες αναπτύχθηκαν ως εργαλεία κοπής και για δομικούς σκοπούς και οι μαγνητικές ιδιότητες των κραμάτων από χάλυβες απέκτησαν ενδιαφέρον. Μέχρι το 1885 ένας χάλυβας που περιείχε περίπου 5% βολφράμιο χρησιμοποιήθηκε για μαγνήτες. Αυτό αντικαταστάθηκε από τον φθηνότερο χάλυβα χρωμίου κατά τη διάρκεια του Α' Παγκοσμίου Πολέμου. Κανένα από τα δύο είδη δεν είχε συνεκτικό πεδίο έως 100 Oe (8 kA/m). Η επόμενη πρόοδος έγινε το 1917 από τους Ιάπωνες ερευνητές Honda και Takagi, οι οποίοι έδειξαν ότι ένας χάλυβας που περιείχε 30-40% κοβάλτιο, συν βολφράμιο και χρώμιο, είχε καταναγκασμό 230 Oe. Αυτός εξακολουθεί να είναι ο καλύτερος χάλυβας μαγνήτη. που έχει ενεργειακό γινόμενο που πλησιάζει το 1MGOe ή τα 8 kJ/m³ .

Οι μαγνήτες χάλυβα περιέχουν πάντα άνθρακα και χρησιμοποιούνται σε σκληρυμένη κατάσταση. δηλαδή σβήνουν για να παράγουν τη μετασταθερή τετραγωνική μαρτενσιτική δομή. Στους χάλυβες, η μαγνητική σκληρότητα (υψηλό συνεκτικό πεδίο) συνοδεύει τη φυσική σκληρότητα, αν και αυτό δεν ισχύει γενικά για τα μαγνητικά υλικά. Η προέλευση της μαγνητικής σκληρότητας των χάλυβα, όπως είναι, φαίνεται  σαν κάτι μυστήριο. Οι μεμονωμένοι κρύσταλλοι του μαρτενσίτη είναι απρόσιτοι, οπότε η μαγνητική ανισοτροπία του είναι άγνωστη. Ένας μαρτενσιτικός χάλυβας βρίσκεται σε μια πολύπλοκη κατάσταση εσωτερικής καταπόνησης και μπορεί επίσης να υπάρχουν σωματίδια μεταλλικού καρβιδίου. προφανώς και τα δύο αυτά καθιστούν δύσκολη την κίνηση των τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών.

Οι μαγνήτες χάλυβα δεν κατασκευάζονται ούτε χρησιμοποιούνται, αφού διατίθενται πολύ καλύτερα υλικά. Οι φθηνότεροι μαγνήτες χάλυβες έχουν πολύ κακές μόνιμες μαγνητικές ιδιότητες και οι καλύτεροι είναι σχετικά ακριβοί λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε κοβάλτιο.

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

Οι προσπάθειες για την εύρεση καλύτερων και/ή φθηνότερων υλικών μόνιμου μαγνήτη οδήγησαν σε δύο ουσιαστικά ταυτόχρονες ανακαλύψεις του Fe₁₄Nd₂B, ενός άγνωστου προηγουμένως τετραγωνικού κρυστάλλου με ισχυρή μονοαξονική ανισοτροπία και θερμοκρασία Curie ελαφρώς πάνω από 300^oC. Μαγνήτες που έγιναν με παρόμοιες μεθόδους αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για το SmCo₅ ανακοινώθηκαν από την Sumitomo Special Metals Co, στην Ιαπωνία το 1984. Σχεδόν ταυτόχρονα, μαγνήτες της ίδιας σύνθεσης αλλά κατασκευασμένοι με τεχνική ταχείας στερεοποίησης, όπως αυτή που χρησιμοποιείται για άμορφα κράματα, ανακοινώθηκαν από τη General Motors Corp Ακολούθησαν εκτενείς και περίπλοκες διαφωνίες για τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας, αλλά και τα δύο προϊόντα βρίσκονται σε εμπορική παραγωγή μεγάλης κλίμακας και έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τα υλικά Sm-Co, επειδή F_eN_dB είναι φθηνότερο. Το Fe είναι φθηνότερο από το Co, το N_d είναι φθηνότερο από το Sm και το F_eN_dB περιέχει λίγες σχετικά σπάνιες γαίες.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, το συμβατικό F_eN_dB κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας τις ίδιες διαδικασίες και εξοπλισμό με το Sm-Co, γεγονός που βοήθησε να γίνει η υιοθέτησή του αρκετά γρήγορα. Κάποιο ποσοστό από το Fe μπορεί να αντικατασταθεί με Co, το οποίο αυξάνει τη θερμοκρασία Curie και βελτιώνει τη σταθερότητα της θερμοκρασίας. Ορισμένη ποσότητα από τα Nd μπορεί να αντικατασταθεί με μια βαριά σπάνια γαία, συνήθως δυσπροσίων, η οποία αυξάνει το συνεκτικό πεδίο, αλλά μειώνει τη μαγνήτιση. Συχνά προστίθενται και τα δύο. Οι μαγνήτες F_eN_dB διατίθενται σε μια σειρά μαγνητικών ιδιοτήτων, με ενεργειακό γινόμενο από 20 έως 40 MGOe και οι μαγνήτες έχουν κατασκευαστεί με ενεργειακά γινόμενα 50 MGOe ή περισσότερο. (Πολλαπλασιάστε αυτές τις τιμές με 7,96 για να λάβετε μονάδες στο Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) kJ/m³). Είναι τα υλικά επιλογής όταν το μικρό μέγεθος είναι σημαντικό, όπως σε πολλές συσκευές που σχετίζονται με υπολογιστή.

Η ταχεία απόσβεση F_eN_dB παράγεται σε μερικώς άμορφη κατάσταση και ανόπτηση για να παραχθεί ένα πολύ λεπτόκοκκο κρυσταλλικό υλικό. Αυτό αλέθεται σε μια χοντρή νιφάδα, η οποία μπορεί να πιεστεί εν θερμώ σε πλήρη πυκνότητα. Δεδομένου ότι κάθε νιφάδα περιέχει πολλούς κόκκους, προσανατολισμένους τυχαία, οι μαγνήτες που κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο δεν προσανατολίζονται, με ισότροπες μαγνητικές ιδιότητες. Είναι δυνατή η ευθυγράμμιση των εύκολων αξόνων με μια διαδικασία καυτής παραμόρφωσης που είναι γνωστή ως ανατροπή. Ένα κυλινδρικό δείγμα τοποθετείται σε μια μήτρα της οποίας η εσωτερική διάμετρος είναι περίπου διπλάσια από τη διάμετρο του δείγματος και το δείγμα συμπιέζεται σε θερμοκρασία περίπου 725^o C για να γεμίσει το καλούπι. Μετά από αυτήν την επεξεργασία, οι εύκολοι άξονες ευθυγραμμίζονται κυρίως παράλληλα με τον άξονα συμπίεσης.

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

Αυτά είναι κυρίως κράματα νικελίου -σιδήρου που περιέχουν περίπου 50 ή 80% Ni, γνωστά γενικά ως permalloys. Αυτή είναι μια πρώην εμπορική ονομασία, αλλά τώρα χρησιμοποιείται για οποιοδήποτε κράμα Ni -Fe. Εάν ένας αριθμός προηγείται του ονόματος (79 permalloy), δηλώνει το περιεχόμενο Ni. Τα permalloys έχουν υψηλή διαπερατότητα σε χαμηλά πεδία και χαμηλές απώλειες και μπορούν να κυμανθούν σε πολύ μικρά πάχη.

Είναι τα υλικά επιλογής όταν απαιτούνται εξαιρετικές μαγνητικές ιδιότητες και το κόστος δεν είναι το κύριο ζητούμενο. Τα κράματα αναπτύχθηκαν ως εμπορικά υλικά για χρήση στο τηλεφωνικό σύστημα, κυρίως την περίοδο 1913-1921, και περιγράφονται πλήρως στο βιβλίο του Bozorth με τίτλο 'Σιδηρομαγνητισμός'. Υπήρξε σχετικά μικρή αλλαγή ή βελτίωση σε αυτά τα υλικά τα τελευταία 50 χρόνια, αν και οι καλύτερες μέθοδοι κατασκευής αύξησαν την καθαρότητα και τη διαπερατότητα σε κάποιο βαθμό. Τα permalloys κατασκευάζονται και πωλούνται με διάφορες εμπορικές ονομασίες.

Στην κλίμακα 50-80% Ni τα κράματα είναι όλα κυβικά προσανατολισμένα (face-centered cubic). Όταν προσεγγίζουν τη σύνθεση του FeNi_3, τα κράματα μπορούν να υποστούν κάποια κανονιστική διάταξη κάτω από τη θερμοκρασία των 503^ο C. Οι μαγνητικές ιδιότητες των ταξινομημένων κραμάτων είναι κατώτερες από εκείνες των μη ταξινομημένων. Ο μετασχηματισμός από την αταξία στην τάξη είναι ευτυχώς αργός και μπορεί να αποφευχθεί απλά με αρκετά γρήγορη ψύξη στο εύρος 500-400^o C. Η απόσβεση νερού είναι περιττή.

Η διακύμανση της μαγνήτισης κορεσμού και της θερμοκρασίας Curie με τη σύνθεση φαίνεται στο σχήμα. Κράματα κοντά στο 30% Ni περιέχουν δύο φάσεις, bcc a και fcc g. Το μείγμα φάσης, και οι μαγνητικές και άλλες ιδιότητες που προκύπτουν, εξαρτώνται πολύ από τη σύνθεση, το επίπεδο προσμείξεων και τη θερμική ιστορία του δείγματος. Το σχήμα δείχνει επίσης τη διακύμανση της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας και το Κ1 φαίνεται να περνά από το μηδέν σε περίπου 75% Ni.

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

Ένα άλλο εξωτικό κράμα που χρησιμοποιεί πολύ δαπανηρές πρώτες ύλες είναι το κράμα πλατίνα-κοβάλτιο. Το ενεργειακό γινόμενο είναι αρκετά υψηλό στα 5,5 MGO αλλά το κόστος του είναι τόσο απαγορευτικό και με τη διαθεσιμότητα των νέων υλικών υψηλής ενέργειας που θα περιγραφούν στη συνέχεια, η παραγωγή τους έχει σχεδόν εξαφανιστεί. Το υλικό πλατίνας-κοβαλτίου είναι γνωστό εδώ και καιρό και έχει καλές ιδιότητες αλλά το κόστος του είναι απαγορευτικό.

Το ισοατομικό κράμα CoPt είναι το πιο ακριβό μαγνητικό υλικό που κατασκευάστηκε ποτέ εμπορικά. Όπως και τα κράματα που αναφέρονται παραπάνω, όταν υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία για την παραγωγή ενός στερεού διαλύματος μίας φάσης, είναι όλκιμο. Στη συνέχεια υποβάλλεται σε θερμική επεξεργασία για την ανάπτυξη μιας δομής δύο φάσεων, μερικώς ταξινομημένη, η οποία μπορεί να έχει ένα ενεργειακό γινόμενο που πλησιάζει τα 10 MGOe. Μέχρι την ανάπτυξη των μόνιμων μαγνητών σπάνιας γαίας, το CoPt ήταν ο καλύτερος μόνιμος μαγνήτης που κατασκευάσθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε μικροσκοπικές συσκευές όπως ακουστικά βαρηκοΐας και ρολόγια, και σε ορισμένες στρατιωτικές και διαστημικές εφαρμογές όπου το κόστος δεν ήταν σημαντική παράμετρος. Τώρα έχει μόνο λίγες χρήσεις ειδικού σκοπού, κυρίως λόγω της καλής αντοχής στη διάβρωση.

Πηγή κειμένου: Handbook of modern ferromagnetic materials, A. Goldman, B.S., Springer Science+Business Media New York, Ferrite Technology Worldwide, (1st edition), 1999.

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

Αυτή η ένωση έχει εξαγωνική κρυσταλλική δομή και σταθερά ανισοτροπίας περίπου 7,7 x 10⁷ erg/cm³ ή 7,7 x 10⁶ J/m³ , με τον εύκολο άξονα κατά μήκος του άξονα c της μοναδιαίας κυψέλης. Η βασική μέθοδος παραγωγής συνίσταται στην τήξη και τη χύτευση του κράματος, τη σύνθλιψη και την άλεση για να παραχθεί μια σκόνη με μέγεθος σωματιδίων κοντά στα 10mm και το κάθε σωματίδιο να αποτελείται από έναν μόνο κρύσταλλο SmCo₅ . Η σκόνη ευθυγραμμίζεται σε μαγνητικό πεδίο έτσι ώστε οι εύκολοι άξονες όλων των σωματιδίων να είναι παράλληλοι και στη συνέχεια να συμπιέζονται σε μια μήτρα. Συνήθως η ευθυγράμμιση και η συμπίεση γίνονται διαδοχικά στην ίδια συσκευή. Η συμπιεσμένη σκόνη στη συνέχεια συντήκεται σε θερμοκρασία πάνω από 1000^o C για να γίνει ένας τελικός μαγνήτης.

Για τη λήψη υψηλής πυκνότητας και καλών μαγνητικών ιδιοτήτων, προστίθεται μια μικρή ποσότητα σκόνης που παρασκευάζεται με περίσσεια Sm πριν από τη συμπύκνωση. Αυτό το υλικό λιώνει στη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης και βοηθά πολύ στην επίτευξη υψηλής πυκνότητας. Η διαδικασία αναφέρεται ως σύντηξη υγρής φάσης. Το μέγεθος των σωματιδίων της σκόνης πριν από τη σύντηξη αντιστοιχεί στο μέγεθος των κόκκων μετά τη σύντηξη και είναι περίπου μια τάξη ή μέγεθος μεγαλύτερο από το υπολογισμένο μέγεθος των σωματιδίων μιας μονής περιοχής. Αυτά λοιπόν, δεν είναι στην πραγματικότητα μαγνήτες σωματιδίων μονής περιοχής, αν και  αρχικά αναπτύχθηκαν με βάση τη θεωρία του ενός πεδίου.

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

Οι φερρίτες είναι μια οικογένεια σιδηριμαγνητών. Είναι μια ομάδα ενώσεων με χημικό τύπο MO-Fe₂O₃ όπου το Μ είναι ένα δισθενές κατιόν όπως Zn²⁺ , Co²⁺ , Fe²⁺ , Ni²⁺ , Cu²⁺ ή Mn²⁺ . Η κρυσταλλική δομή είναι η δομή σπινέλιου που περιέχει δύο τύπους θέσεων πλέγματος, τετραεδρικές θέσεις (με τέσσερις γειτονικές περιοχές οξυγόνου, αυτές είναι γνωστές ως θέσεις Α) και οκταεδρικές θέσεις (με έξι γειτονικές περιοχές οξυγόνου, αυτές είναι γνωστές ως θέσεις Β). Υπάρχουν δύο φορές περισσότεροι θέσεις Β από τις θέσεις Α. Τα δύο υποπλέγματα είναι μη ισοδύναμα επειδή υπάρχουν δύο τύποι κρυσταλλογραφικής θέσης και περιέχουν δύο τύπους διαφορετικών ιόντων. Σε κανονικά σπινέλιος, το Μ²⁺ κατιόντα κάθονται στις θέσεις Α και τα Fe³⁺ ( ⁶S_5/2 και επομένως μια ροπή 5μ_Β) κάθονται στις θέσεις Β. Σε αντίστροφα σπινέλια, τα κατιόντα M²⁺ βρίσκονται στο μισό των θέσεων Β, ενώ τα κατιόντα Fe³⁺ καταλαμβάνουν το άλλο μισό των θέσεων Β και όλες τις θέσεις Α. Σε αντίστροφα spinels, οι ροπές των κατιόντων Fe³⁺ στις θέσεις Α και Β είναι αντιπαράλληλες, έτσι ώστε η συνολική ροπή του δείγματος να οφείλεται μόνο στα ιόντα Μ²⁺ .

Η περίπτωση του M = Fe, δηλαδή του Fe₃O₄ (που είναι ημιαγωγός, σε αντίθεση με τους άλλους φερρίτες που είναι μονωτές). Μια άλλη οικογένεια σιδηριμαγνητών είναι οι γρανάτες που έχουν τον χημικό τύπο R₃Fe₅O₁₂ όπου το R είναι ένα τρισθενές άτομο σπανίων γαιών. Η κρυσταλλική δομή είναι κυβική, αλλά κάθε μοναδιαίο κελί είναι αρκετά πολύπλοκο. Τρία από τα ιόντα Fe³⁺ βρίσκονται σε τετραεδρικές θέσεις, δύο βρίσκονται σε οκταεδρικές θέσεις και τα ιόντα R³⁺ βρίσκονται σε θέσεις δωδεκαεδρικής συμμετρίας. Σε γρανάτη σιδήρου ύττριου (YIG), Y₃Fe₅O₁₂ , το Y³⁺ δεν έχει μαγνητική ροπή (είναι 4d°) και οι ροπές των ιόντων Fe³⁺ στις τετραεδρικές θέσεις είναι αντιπαράλληλες με αυτές των οκταεδρικών θέσεων, έτσι ώστε η καθαρή ροπή να είναι 5μ_Β .

Ο φερρίτης βαρίου (BaFe₁₂O₁₉ = BaO.6Fe₂O₃) έχει εξαγωνική δομή. Οκτώ από τα ιόντα Fe³⁺ είναι αντιπαράλληλα με τα άλλα τέσσερα, έτσι ώστε η καθαρή ροπή να ισοδυναμεί με τέσσερα ιόντα Fe³⁺ , δηλαδή 20μ_Β . Σε μορφή σκόνης, χρησιμοποιείται σε μαγνητική εγγραφή αφού έχει υψηλό συνεκτικό πεδίο.

Οι περισσότεροι σιδηριμαγνήτες είναι ηλεκτρικοί μονωτές και αυτό το γεγονός είναι υπεύθυνο για πολλές από τις πρακτικές εφαρμογές τους. Οι σιδηρομαγνήτες είναι συχνά μεταλλικοί και επομένως είναι ακατάλληλοι σε εφαρμογές στις οποίες εμπλέκεται ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο. ένα ταχέως μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο προκαλεί τάση και προκαλεί ρεύματα (γνωστά ως ρεύματα Eddy) που ρέουν στους αγωγούς. Αυτά τα ρεύματα προκαλούν αντίσταση θέρμανσης σε ένα μέταλλο (απώλειες ρευμάτων Eddy). Επομένως, πολλοί σιδηριμαγνήτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν όταν ένα υλικό με αυθόρμητη μαγνήτιση απαιτείται να λειτουργεί σε υψηλές συχνότητες, αφού η επαγόμενη τάση δεν θα είναι σε θέση να προκαλέσει τη ροή σημαντικών ρευμάτων Eddy σε μονωτή. Οι στερεοί πυρήνες φερρίτη χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές υψηλής συχνότητας, συμπεριλαμβανομένων κεραίων και μετασχηματιστών που απαιτούν υψηλή διαπερατότητα και χαμηλή απώλεια ενέργειας, καθώς και εφαρμογές σε εξαρτήματα μικροκυμάτων. Επίσης πολλοί σιδηριμαγνήτες είναι πιο ανθεκτικοί στη διάβρωση από τους μεταλλικούς σιδηρομαγνήτες καθώς είναι ήδη οξείδια.

Οι φερρίτες κατασκευάζονται με τον ακόλουθο τρόπο:

1. Αρχικό υλικό. Οξείδιο του σιδήρου Fe₂O₃ και όποια οξείδια ΜΟ απαιτούνται, σε μορφή σκόνης. Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ανθρακικά άλατα μετάλλων. Κατά τη μετέπειτα πυροδότηση, το CO₂ θα εκλύεται και θα μετατρέπεται σε οξείδια.
2. Αλεση. Η παρατεταμένη υγρή άλεση του μίγματος σκόνης σε σφαιρικούς μύλους χάλυβα παράγει καλή ανάμειξη και μικρότερο μέγεθος σωματιδίων, το οποίο με τη σειρά του μειώνει το πορώδες του τελικού προϊόντος. Μετά την άλεση, το νερό απομακρύνεται σε μια πρέσα φίλτρου και ο φερρίτης πιέζεται χαλαρά σε εμπόδια και ξηραίνεται.
3. Προεπιλογή. Αυτό γίνεται στον αέρα και η θερμοκρασία ανεβαίνει στους περίπου 1000^oC και στους 200^oC σε περίπου 20 ώρες. Σε αυτό το βήμα λαμβάνει χώρα τουλάχιστον μερικός σχηματισμός του φερρίτη: MO- Fe₂O₃ . Αυτό το βήμα παράγει ένα πιο ομοιόμορφο τελικό προϊόν και μειώνει τη συρρίκνωση που συμβαίνει κατά τη διάρκεια της τελικής πυροσυσσωμάτωσης.
4. Αλεση. Το υλικό τρίβεται ξανά για να προωθήσει την ανάμιξη τυχόν μη αντιδράσαντων οξειδίων και να μειώσει το μέγεθος των σωματιδίων.
5. Πίεση ή Εξώθηση. Η ξηρή σκόνη αναμιγνύεται με ένα οργανικό συνδετικό υλικό και σχηματίζεται στο τελικό της σχήμα. Τα περισσότερα σχήματα, όπως τοροειδείς πυρήνες, πιέζονται (σε ​​1–10 τόνους/in2, 14–140 MPa), αλλά οι ράβδοι και οι σωλήνες εξωθούνται.
6. Τήξη. Αυτό είναι το τελευταίο και κρίσιμο βήμα. Ο κύκλος θέρμανσης και ψύξης εκτείνεται συνήθως πάνω από 8 ώρες ή περισσότερο, κατά τη διάρκεια των οποίων η θερμοκρασία φτάνει τους 1200-1400^oC. Οποιαδήποτε οξείδια που δεν έχουν αντιδράσει σχηματίζουν φερρίτη, η ενδιάμεση διάχυση γίνεται μεταξύ παρακείμενων σωματιδίων έτσι ώστε να κολλάνε (πυροσυσσωματώνονται) μεταξύ τους και το πορώδες μειώνεται από τη διάχυση κενών στην επιφάνεια του εξαρτήματος. Ο αυστηρός έλεγχος της θερμοκρασίας και της ατμόσφαιρας του κλιβάνου είναι πολύ σημαντικός, επειδή αυτές οι μεταβλητές έχουν σημαντικές επιπτώσεις στις μαγνητικές ιδιότητες του προϊόντος.

Πηγή κειμένου: Magnetism in condensed Matter, Stephen Blundell, Oxford Master Series in Condensed Matter Physics, OXFORD University Press, 2001. 
Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.

Ο καθαρός σίδηρος είναι ένα αρκετά ελκυστικό υλικό λόγω του υψηλού κορεσμού και του χαμηλού κόστους. Απολαμβάνει το τελευταίο πλεονέκτημα λόγω της μεγάλης εμπορικής χρήσης του σε πολλές άλλες μη μαγνητικές εφαρμογές και της έτοιμης διαθεσιμότητάς του.
Ο μαλακός σίδηρος μπορεί να εισαχθεί σε ένα κύκλωμα μόνιμου μαγνήτη, είτε για να παρέχει μια εύκολη διαδρομή επιστροφής για τη ροή είτε για να συγκεντρώσει τη ροή στο αερόσακο, δημιουργώντας έτσι ένα μεγαλύτερο πεδίο σε μικρότερο όγκο. Η πρόσθετη πυκνότητα ροής δεν μπορεί ποτέ να υπερβεί την πόλωση του μαλακού υλικού (π.χ. 2,15 T για σίδηρο ή 2,45 T για permendur) και κανονικά θα είναι μόνο ένα κλάσμα αυτού.
Οι πιο σημαντικές χρήσεις DC που βρίσκουν τα μαλακά μαγνητικά υλικά βρίσκονται στους ηλεκτρομαγνήτες και τα ρελέ. Ο ηλεκτρομαγνήτης είναι κάθε συσκευή στην οποία ένα μαγνητικό πεδίο Η παράγεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα και η προκύπτουσα πυκνότητα ροής Β αυξάνεται με τη χρήση ενός πυρήνα υψηλής διαπερατότητας. Το απλούστερο παράδειγμα είναι μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα που φέρει ένα συνεχές ρεύμα γύρω από έναν σιδηρομαγνητικό πυρήνα. Στους ηλεκτρομαγνήτες ο μαλακός σίδηρος εξακολουθεί να είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο υλικό επειδή είναι σχετικά φθηνό και μπορεί να παράγει πυκνότητες υψηλής μαγνητικής ροής. Συχνά είναι κράμα με μικρή ποσότητα άνθρακα (<0,02%κ.β.) χωρίς να επηρεάζονται σοβαρά οι μαγνητικές του ιδιότητες για αυτήν την εφαρμογή. Επίσης το κράμα Fe-35%Co χρησιμοποιείται στις άκρες των ηλεκτρομαγνητικών πόλων για να αυξήσει τη μαγνήτιση κορεσμού.
Ένα ρελέ είναι μια ειδική μορφή ηλεκτρομαγνήτη DC με κινούμενο οπλισμό που λειτουργεί με διακόπτη. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα για το άνοιγμα και το κλείσιμο ηλεκτρικών κυκλωμάτων και επομένως είναι σημαντικό ως συσκευή ελέγχου.

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

Πηγή κειμένου: Handbook of modern ferromagnetic materials, A. Goldman, B.S., Springer Science+Business Media New York, Ferrite Technology Worldwide, (1st edition), 1999.