Elektronlar ve protonlar gibi yüklü parçacıklardan oluşan farklı türde malzemeler ve maddeler vardır. Bu malzemeler, manyetik alanla mıknatıslandıklarında manyetik özellikler gösterebilirler; bu malzemelere manyetik malzemeler denir. Bu malzemeler, manyetik alanda indüklenmiş veya kalıcı manyetik momentlere sahiptir. Bu malzemelerin manyetik özelliklerini incelemek için genellikle malzeme standartlaştırılmış bir manyetik alana yerleştirilir ve ardından manyetik alan değiştirilir. Modern teknolojide bu malzemeler önemli bir rol oynar ve transformatörler , motorlar ve jeneratörler için önemli bileşenlerdir. Bu makale, manyetik malzemeler hakkında kısa bilgiler sunmaktadır
.
Manyetik Malzemeler Nelerdir?
Dışarıdan uygulanan manyetik alana karşı mıknatıslanan maddelere manyetik maddeler denir. Bu maddeler ayrıca mıknatısa çekildiklerinde de mıknatıslanma kazanırlar. Bu maddelere örnek olarak demir, kobalt ve nikel verilebilir.
Bu malzemeler manyetik olarak sert (veya) manyetik olarak yumuşak malzemeler olarak sınıflandırılır.
Manyetik olarak sert malzemeler, bir elektromıknatıs tarafından oluşturulan çok güçlü bir dış manyetik alan aracılığıyla mıknatıslanır. Bu malzemeler esas olarak, genellikle değişen miktarlarda demir, nikel, alüminyum, kobalt ve samaryum, neodimyum ve disprosyum gibi nadir toprak elementlerinden oluşan alaşımlardan yapılan kalıcı mıknatısların üretiminde kullanılır.
Manyetik olarak yumuşak malzemeler çok kolay mıknatıslanır, ancak oluşan manyetizma geçicidir. Örneğin, kalıcı bir mıknatısı tornavida veya çiviyle ovalarsanız, geçici olarak mıknatıslanır ve zayıf bir manyetik alan oluşturur; çünkü çok sayıda demir atomu, dış manyetik alan aracılığıyla geçici olarak benzer bir yönde hizalanır.
Özellikler
Manyetik malzeme özellikleri, fiziğin en temel kavramlarından biridir. Dolayısıyla, bu özellikler esas olarak aşağıda ele alınan paramanyetizma, ferromanyetizma ve antiferromanyetizmayı içerir.
Paramanyetizma, bazı malzemelerin dışarıdan uygulanan bir manyetik alan tarafından zayıf bir şekilde çekildiği bir manyetizma türüdür. Uygulanan manyetik alanın yönü içinde içsel ve indüklenmiş manyetik alanlar oluşturur. Paramanyetizmada, eşleşmemiş elektronlar rastgele düzenlenmiştir.
Ferromanyetizma, demir gibi bir malzemenin mıknatıslanması ve bu aşamada harici bir manyetik alan içinde mıknatıslanmış halde kalması olayıdır. Ferromanyetizmada, eşleşmemiş elektronların hepsi birbirine bağlıdır.
Antiferromanyetizma, esas olarak bitişik atomların (veya iyonların) manyetik momentlerinin ters yönlerde hizalanması ve net manyetik momentlerin sıfır olması durumunda ortaya çıkan bir manyetik düzen türüdür. Bu davranış esas olarak komşu iyonlar veya atomlar arasındaki değişim etkileşiminden kaynaklanır ve bu etkileşim, sistemin enerjisini azaltmak için antiparalel hizalanmaya yardımcı olur. Genellikle, antiferromanyetik malzemeler, Néel sıcaklığı olarak bilinen belirli bir sıcaklığın altında manyetik düzen sergiler. Bu sıcaklığın üzerindeki malzeme paramanyetik hale gelir ve antiferromanyetik özelliklerini kaybeder.
Manyetik Malzemeler Nasıl Çalışır?
Bu malzemeler, manyetik momentin belirli bir yönde yönlendirilebildiği küçük bölgelere sahiptir; bu bölgelere manyetik alanlar denir ve malzemelerin benzersiz performansından büyük ölçüde sorumludurlar. Malzemenin toplam enerjisi, anizotropi enerjisi, değişim enerjisi ve manyetostatik enerji tarafından basitçe ifade edilebilir. Manyetik malzemenin boyutu küçüldüğünde, malzemedeki çeşitli alanlar artar. Bu nedenle, manyetostatik enerjideki azalma nedeniyle, daha fazla alan duvarı değişim ve anizotropi enerjisini artıracaktır. Dolayısıyla, alanın boyutu manyetik malzemenin doğasını belirleyecektir.
Parçacık çapları, kritik süperparamanyetizma çapına kıyasla daha küçük olan bazı malzemeler için manyetik moment kararlı değildir. Parçacık çapı, kritik süperparamanyetizma çapı ile tek alan çapı arasında olduğunda, manyetik moment kararlı hale gelir.
Manyetik Malzeme Türleri
Piyasada çeşitli manyetik malzeme türleri mevcuttur ve bunlar aşağıda açıklanmıştır.
Paramanyetik Malzemeler
Bu malzemeler, kalay, magnezyum, alüminyum ve daha birçokları gibi mıknatısa güçlü bir şekilde çekilmezler. Bu malzemelerin bağıl manyetik geçirgenlikleri küçüktür, ancak alüminyumun geçirgenliği gibi pozitiftir (1.00000065). Bu malzemeler yalnızca çok güçlü bir manyetik alana maruz kaldıklarında mıknatıslanırlar ve manyetik alan yönünde hareket ederler.
Dışarıdan güçlü bir manyetik alan uygulandığında, kalıcı manyetik dipoller uygulanan manyetik alana paralel hale gelir ve pozitif bir manyetizasyona ulaşır. Eğer dipolün manyetik alana paralel yönü tam değilse, manyetizasyon son derece küçüktür.
Diyamanyetik Malzemeler
Cıva, çinko, kurşun, ahşap, bakır, gümüş, kükürt, bizmut vb. gibi mıknatıstan itilen bu malzemelere diyamanyetik malzemeler denir. Bu malzemelerin manyetik geçirgenliği birden biraz daha düşüktür. Örneğin, bakır malzemenin manyetik geçirgenliği 0,000005, bizmut malzemenin 0,00083 ve ahşap malzemenin 0,9999995’tir.
Bu malzemeler son derece güçlü bir manyetik alanda bulunduklarında, hafifçe mıknatıslanırlar ve uygulanan manyetik alanın ters yönünde hareket ederler. Bu tür malzemelerde, yörünge dönüşü ve elektronların çekirdek etrafındaki eksenel dönüşü nedeniyle oluşan iki oldukça zayıf manyetik alan vardır.
Ferromanyetik Malzemeler
Manyetik alan yoluyla güçlü bir şekilde çekilen bu tür malzemelere ferromanyetik malzemeler denir. Bu malzemelere örnek olarak nikel, demir, kobalt, çelik vb. verilebilir. Bu malzemelerin geçirgenliği birkaç yüz ila bin arasında değişen son derece yüksektir.
Bu malzemelerdeki manyetik dipoller, her bir dipol düzenlemesinin mükemmel olduğu ve güçlü manyetik alanlar üretebildiği farklı alanlara ayrılmıştır. Genellikle bu alanlar rastgele düzenlenir ve her alanın manyetik alanı bir diğeri tarafından iptal edilir, bu nedenle malzemenin tamamı mıknatıs davranışı göstermez.
Bu malzemelere dışarıdan bir manyetik alan uygulandığında, manyetik alanlar kendilerini dış alanı destekleyecek şekilde yeniden yönlendirir ve çok güçlü bir iç manyetik alan oluşturur. Dış alanın ortadan kalkmasıyla, manyetik alanların çoğu bekler ve manyetik alan yönünde birleşmeye devam eder.
Bu nedenle, bu malzemelerin manyetik alanı, dış alan ortadan kalksa bile varlığını sürdürür. İşte bu temel özellik, günlük olarak kullandığımız kalıcı mıknatısların üretiminde kullanılır. Kalıcı mıknatısların yapımında kullanılan malzemeler genellikle demir, nikel, neodimyum, kobalt vb. gibi yüksek oranda ferromanyetiktir.
Ferromanyetik Malzemeler için lütfen bu bağlantıya bakın .
Manyetik Hammaddeler
Genellikle, dünyadaki kalıcı mıknatıslar farklı türde malzemelerden yapılır ve her malzemenin farklı özellikleri vardır. Bu malzemeler başlıca; aşağıda ele alınan alnico, esnek kauçuk, ferrit, samaryum kobalt ve neodimyumdur.
Ferritler
Ferromanyetik ve ferromanyetik olmayan malzemeler arasında orta bir konumda yer alan özel bir ferromanyetik malzeme grubu, ferritler olarak bilinir. Bu malzemeler, yüksek geçirgenliğe sahip ve bir bağlayıcı reçine aracılığıyla birbirine tutturulmuş ince ferromanyetik malzeme parçacıklarından oluşur. Ferritlerde, manyetik doygunlukları ferromanyetik malzemeler kadar yüksek olmasa da, üretilen manyetizasyon oldukça yeterlidir.
Bu malzemelerin üretimi, manyetik güçleriyle bağlantılı olarak, pahalı değildir. Nadir toprak elementlerine kıyasla önemli ölçüde daha zayıftırlar, ancak yine de birçok ticari uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu malzemelerin korozyona ve manyetik alan kaybına karşı direnç gibi güçlü yönleri vardır.
Neodimyum
Neodimyum (Nd) çok nadir bir toprak elementidir ve atom numarası 60’tır. 1885 yılında Avusturyalı kimyager Carl Auer von Welsbach tarafından keşfedilmiştir. Bu madde, bor, demir ve ayrıca praseodimyum ve disprosyum gibi diğer elementlerin izleriyle karıştırılarak, çok güçlü manyetik bir malzeme olan Nd2Fe14b adı verilen ferromanyetik bir alaşım oluşturur. Neodimyum mıknatıslar, çeşitli endüstriyel ve modern ticari cihazlarda diğer malzeme türlerinin yerini almaktadır.
Alnico
Alüminyum, nikel ve kobaltın kısaltması olan ‘alnico’, çoğunlukla alnico manyetik malzeme üretiminde kullanılır. Bu mıknatıslar, nadir toprak mıknatıslarına kıyasla çok güçlü kalıcı mıknatıslardır. Alnico mıknatıslar, motorlarda , hoparlörlerde ve jeneratörlerde kalıcı mıknatısların yerine kullanılabilir.
Samaryum Kobalt
Bu mıknatıslar, 1970’lerin başlarında ABD Hava Kuvvetleri Malzeme Laboratuvarı tarafından geliştirilmiştir. Samaryum kobalt veya SmCo, samaryum, sert metal kobalt, eser miktarda demir, hafniyum, bakır, praseodimyum ve zirkonyum gibi nadir toprak elementlerinin alaşımından yapılan manyetik bir malzemedir. Samaryum kobalt mıknatısları, samaryumun neodimyum gibi benzer bir nadir toprak grubu elementi olması nedeniyle neodimyum gibi nadir toprak mıknatıslarıdır.
Manyetik Malzemeler ve Manyetik Olmayan Malzemeler
Aşağıda bu iki malzeme arasındaki farklar ele alınmıştır.
| Manyetik Malzemeler | Manyetik Olmayan Malzemeler |
| Mıknatıs tarafından çekilen malzemelere manyetik malzemeler denir. | Mıknatıs tarafından çekilmeyen malzemelere manyetik olmayan malzemeler denir. |
| Bu malzemelere örnek olarak demir, kobalt ve nikel verilebilir. | Bu malzemelere örnek olarak; plastik, kauçuk, tüy, paslanmaz çelik, kağıt, mika, gümüş, altın, deri vb. verilebilir. |
| Bu malzemelerin manyetik durumları antiparalel veya paralel düzenlemeler halinde olabilir, bu nedenle dış bir manyetik alanın kontrolü altına girdiklerinde manyetik alana tepki verebilirler. | Bu malzemelerin manyetik durumu rastgele düzenlenebilir, bu nedenle bu alanların manyetik hareketleri birbirini nötrler. Dolayısıyla manyetik alana tepki vermezler. |
| Bu malzemeler, bir mıknatıs vasıtasıyla kolayca mıknatıslanabildikleri için kalıcı mıknatısların yapımına yardımcı olurlar. | Bu malzemeler mıknatıs vasıtasıyla mıknatıslanamaz. Dolayısıyla, asla mıknatıslanabilir bir malzemeye dönüşemez. |
Karşılaştırmak
Aşağıda farklı manyetik malzemeler arasındaki karşılaştırma ele alınmıştır.
| Malzeme Türü | Kompozisyon | Maksimum Çalışma Sıcaklığı | Sıcaklık Katsayısı | Yoğunluk g/cm³ |
| Ferrit | Demir oksit ve seramik malzemeler. | 180 °C | -0.02% | 5 g / cm³ |
| Neodimyum | Başlıca Neodimyum, bor ve demir. | 80 °C | 0.11% | 7,4 g / cm³ |
| Alnico | Başlıca nikel, alüminyum, demir ve kobalt. | 500 °C | -0.2% | 7,3 g / cm³ |
| Manyetik Kauçuk | Baryum/Stronsiyum tozu ve PVC veya Sentetik Kauçuk. | 50 °C | %0,2 | 3,5 g / cm³ |
| Samaryum Kobalt | Başlıca Samaryum ve Kobalt | 350 °C | 0.11% | 8,4 g / cm³ |
Uygulamalar
Manyetik malzemelerin uygulama alanları şunlardır :
- Bunlar, elektrik kullanan cihazlarda elektrik üretmek ve dağıtmak için kullanılır.
- Bunlar ses, video kasetleri ve bilgisayar disklerinde veri depolama amacıyla kullanılır.
- Bu malzemeler günlük yaşamda, üretimde, ulusal savunmada, bilim ve teknolojide yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Bunlar, enerji teknolojisinde çeşitli transformatörlerin ve motorların, elektronik teknolojisinde çeşitli manyetik bileşenlerin ve mikrodalga tüplerinin, iletişim teknolojisinde yoğunlaştırıcıların ve filtrelerin, elektromanyetik silahların, ev aletlerinin ve ulusal savunma teknolojisinde manyetik mayınların üretiminde kullanılmaktadır.
- Bunlar mineral ve jeolojik araştırmalarda, okyanus araştırmalarında ve enerji, bilgi, uzay ve biyoloji alanlarındaki yeni teknolojilerde yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Bu malzemeler elektronik teknolojisi alanında ve diğer bilim ve teknoloji alanlarında önemli bir rol oynamaktadır.
- Bunlar elektronik, tıp, elektrik mühendisliği vb. alanlarda uygulanabilir.
- Bunlar elektrik motorları, transformatörler ve jeneratörler gibi elektronik ve elektrikli cihazların üretiminde kullanılır.
- Bunlar; disketler, sabit disk sürücüleri ve manyetik bant gibi manyetik depolama aygıtlarının üretiminde kullanılır.
- Bu tür malzemeler, Hall etkisi sensörleri, manyetik alan sensörleri ve manyetorezistif sensörler gibi manyetik sensör üretiminde kullanılır.
- Bunlar; MR cihazları, kalp pilleri ve implante edilebilir ilaç dağıtım sistemleri gibi tıbbi ekipmanlarda uygulanabilir.
- Bunlar, manyetik parçacıkları manyetik olmayan parçacıklardan ayırmak için kullanılan manyetik ayırma yöntemlerinde kullanılır.
- Bu malzemeler; hidroelektrik santralleri ve rüzgar türbinleri gibi yenilenebilir enerji üretiminde kullanılmaktadır.
Dolayısıyla, bu, manyetik malzemeler, türleri, farklılıkları, malzeme karşılaştırması ve uygulamalarına dair bir genel bakıştır.