آهن ربا چیست؟

آهن ربا ماده ای است که می تواند نیروی قابل توجهی را بر روی مواد دیگر اعمال کند بدون این که تماس واقعی با آنها داشته باشد. نیرویی که آهن ربا اعمال می کند به عنوان نیروی مغناطیسی شناخته می شود و ممکن است یا جذب کند و یا دفع کند. تمام مواد شناخته شده نوعی نیروی مغناطیسی خارج می کنند، اما این نیرو در بیشتر مواد به قدری کوچک است که قابل توجه نیست. در مقایسه با سایر مواد، نیروی مغناطیسی خیلی بزرگ تر است و به مواد دارای آن آهن ربا گفته می شود. خود زمین یک آهنربای عظیم است.

انواع آهن ربا

- آهنرباهای دایمی

برخی از آهن رباها که به عنوان آهنرباهای دایمی شناخته می شوند، خودشان بدون کمک هیچ نفوذ خارجی نیرویی را بر اشیا اعمال می کنند. مگنتیت (ماده معدنی مغناطیسی) سنگ آهن، یک آهن ربای دایمی طبیعی است. آهنرباهای دایمی دیگر را می توان با قرار دادن مواد خاصی در معرض نیروی مغناطیسی ساخت. هنگامی که نیروی مغناطیسی برداشته شود، این مواد خواص مغناطیسی خود را حفظ می کنند. اگر چه خواص مغناطیسی ممکن است در طول زمان و یا در دماهای بالا تغییر کند، اما این مواد به طور کلی مغناطیسی دایمی در نظر گرفته می شوند.

- آهن ربای الکتریکی

آهن رباهای دیگر به عنوان الکترومغناطیسی یا آهن ربای الکتریکی شناخته می شوند. این آهن رباهای الکتریکی از طریق احاطه شدن مواد خاصی با یک سیم پیچ از سیم ساخته می شوند. هنگامی که جریان الکتریکی از میان سیم پیچ عبور می کند، این مواد نیروی مغناطیسی خارج می کنند. وقتی جریان الکتریکی قطع می شود، نیروی مغناطیسی این مواد به نزدیک به صفر پایین می آید. مواد الکترومغناطیسی بدون جریان الکتریکی در سیم پیچ مقدار کمی از خواص مغناطیسی را حفظ می کنند.

قطب های آهن ربا

همه آهن رباها دو نقطه دارند که در آنها نیروی مغناطیسی بزرگ تر است. این دو نقطه به عنوان قطب های آهنربا شناخته شده اند. برای یک آهن ربای نواری مستطیل شکل یا استوانه ای، این دو قطب در دو انتهای مخالف قرار دارند. یک قطب در جست و جوی قطب شمال یا قطب شمال شناخته می شود و قطب دیگر در جست وجوی قطب جنوب یا قطب جنوب نامیده می شود. در قطب نما، قطب شمال آهن ربا همیشه به دنبال یا رو به سمت شمال است. این خاصیت آهن ربا به ملوانان کمک کرده درباره جهت ها قضاوت کنند و به سرزمین های دور برسند و دوباره به خانه برگردند.

آهن رباها چه کاربردهایی دارند؟

در فناوری های حال حاضر، کاربردهای آهنربا شامل قطب نما، موتورهای الکتریکی، اجاق های مایکروویو، نور سنج برای عکاسی، بوق خودرو، تلویزیون ها، بلندگوها و ضبط صوت ها است. یکی از کاربردهای ساده آهن ربا در یخچال و فریزر برای بستن در آنها است. دستگاه تصویربرداری رزونانس مغناطیسی پزشکی هم یکی از کاربردهای پیچیده آهن ربا است.

تاریخچه استفاده از آهنربا

سنگ های معدنی مغناطیسی از صدها سال پیش از میلاد شناخته شده بودند. قطب نما هم نزدیک به 1000 سال است که شناخته شده است. در قرن 17، دانشمندی انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت با تأیید مشاهدات قبلی درباره قطب های مغناطیسی نتیجه گیری کرد که زمین یک آهنربا است. در سال 1820، هانس کریستین اُرستد رابطه بین الکتریسیته و نیروی مغناطیسی را کشف کرد و فیزیکدان فرانسوی آندره آمپر در سال 1821 این کشف را بسط داد.

در اوایل قرن بیستم، دانشمندان مطالعه درباره مواد مغناطیسی با پایه آهن و فولاد را آغاز کردند. تا دهه 1930میلادی، محققان اولین آهنرباهای دایمی آلیاژ قوی آلنیکو را تولید کردند. حتی آهنرباهای سرامیکی قوی تر که در ساخت آنها از عناصر خاکی کمیاب استفاده می شود، به طور موفقیت آمیزی در دهه 1970میلادی فرموله شدند. پیشرفت های بیشتری در زمینه ساخت آهن ربا در دهه 1980 انجام شد. امروزه، مواد مغناطیسی بسته به عملکرد مورد نیازشان در کاربردهای نهایی ساخته می شوند.

در ساخت آهن ربا از چه موادی استفاده می شود؟

- مواد خام موجود در آهن رباها

در هنگام ساخت آهن ربا، مواد اولیه اغلب از فرآیند تولید مهم ترند. مواد مورد استفاده در آهنرباهای دائمی با مواد مورد استفاده در الکترومغناطیس ها متفاوت اند. (مواد مورد استفاده در آهن رباهای دایمی گاهی اوقات به نام مواد سخت شناخته می شوند. این نام بازتاب کاربرد اولیه فولادهای آلیاژی برای ساخت آهن رباهای دایمی است. مواد مورد استفاده در الکترومغناطیس ها بعضی مواقع به عنوان مواد نرم شناخته می شوند که این نام بازتاب استفاده از آهن نرم و چکش خوار در آهن رباهای الکترومغناطیسی است.)

- مواد آهنربای دایمی

آهن رباهای دایمی حاوی مگنتیت (آهن مغناطیسی) هستند که یک ماده معدنی فریت آهن کریستالی سخت است و اثر میدان مغناطیسی اش از تأثیر حوزه مغناطیسی زمین بر روی آن ناشی می شود. آلیاژهای مختلف فولاد هم می توانند مغناطیسی باشند. اولین و بزرگ ترین گام در ایجاد مواد آهنرباهای دایمی مؤثرتر در دهه 1930میلادی با ایجاد آهن رباهای آلیاژ آلنیکو برداشته شد.

این آهن رباها نامشان را از نمادهای شیمیایی عناصر سازنده آلیاژ یعنی آلومینیوم- نیکل- کبالت گرفته اند. هنگامی که آهن رباهای آلنیکو مغناطیسی می شوند، بین 5 تا 17 برابر نیروی مغناطیسی مگنتیت را دارند.

آهنرباهای دائمی سرامیکی از فریت باریم ریز پودری و یا فریت استرانسیم که تحت حرارت و فشار شکل گرفته است ساخته شده اند. قدرت مغناطیسی این آهن رباها با همراستا شدن ذرات پودری با یک میدان مغناطیسی قوی در طول شکل گیری افزایش یافته است. آهن ربای سرامیکی از نظر نیروی مغناطیسی قابل مقایسه با آهن ربای آلنیکو است و این مزیت را دارد که قادر است به اشکال مختلف فشرده شود بدون این که ماشین کاری قابل توجهی بر روی آن انجام شود.

آهنرباهای دایمی قابل انعطاف از پودر فریت باریم و یا فریت استرانسیوم که با یک ماده اتصال دهنده مانند لاستیک یا یک پلاستیک انعطاف پذیر مانند پلی وینیل کلرید مخلوط شده اند ساخته می شوند.

در دهه 1970، محققان آهنرباهای دائمی ای را از پودر کبالت ساماریوم ذوب شده تحت حرارت درست کردند. این آهن رباها مزیت مرتب شدن گروه های اتم های کبالت ساماریوم (دامنه های مغناطیسی نامیده می شود) در بلورهای شش ضلعی این ماده که متمایل به همراستایی مغناطیسی هستند را دارند. به خاطر این همراستایی طبیعی، می توان آهن رباهای ساماریوم- کبالتی ساخت که نیروی مغناطیسی ای 50 برابر قوی تر از مگنتیت تولید می کنند.

در هدفون های سیستم های استریوی شخصی کوچک از آهنرباهای دائمی ساماریوم- کبالت استفاده می شود. آهن رباهای ساماریوم- کبالت همچنین این مزیت را  نسبت به آهنرباهای دائمی دیگر دارند که می توان از آنها در دماهای بالاتر بهره برداری کرد بدون این که قدرت مغناطیسی خود را از دست بدهند.

آهنرباهای دایمی مشابهی در دهه 1980 میلادی با استفاده از پودر آهن بور نئودیمیوم ساخته شد که نیروی مغناطیسی ای تقریباً 75 برابر قوی تر از مگنتیت تولید می کنند. اینها قوی ترین آهن رباهای دائمی از نظر تجاری هستند که در دسترس اند.

- مواد آهنربای الکتریکی

آلیاژهای آهن و آهن خالص به طور معمول در الکترومغناطیس ها مورد استفاده قرار می گیرند. آهن سیلیکون و به خصوص آلیاژهای آهن - کبالت در ترانسفورماتور قدرت با فرکانس پایین مورد استفاده قرار می گیرد. یک اکسید آهن ویژه، که اکسید آهن گاما نامیده می شود، اغلب در ساخت نوارهای مغناطیسی برای ضبط صدا و داده ها مورد استفاده قرار می گیرد. مواد دیگری که برای این کاربرد مورد استفاده قرار می گیرند عبارت از اکسید آهن- کبالت اصلاح شده و دی اکسید کروم هستند.

- دیگر مواد مغناطیسی

مایع مغناطیسی می تواند با کپسوله سازی ذرات پودری فریت باریم در یک لایه از مولکول های یک پلاستیک پلیمر زنجیره بلند ساخته شود. ذرات سپس در حالت تعلیق در یک مایع آب مانند یا روغن نگه داشته می شود. به خاطر کپسوله سازی پلاستیک، ذرات مغناطیسی تقریباً بدون هیچ اصطکاکی روی همدیگر سر می خورند. ذرات به قدری کوچک اند که تحریک حرارتی طبیعی مایع مانع ساکن شدن آنها می شود. مایعات مغناطیسی کاربردهای مختلفی دارند.

فرآیند تولید آهن رباها

از آن جایی که مواد مختلفی برای ساخت انواع مختلف آهن رباها مورد استفاده قرار می گیرند، فرآیندهای تولید آهن رباها هم متفاوت اند. بسیاری از الکترومگنت ها با استفاده از تکنیک های استاندارد ریخته گری فلز ساخته می شوند. آهنرباهای دایمی انعطاف پذیر در یک فرایند اکستروژن پلاستیک شکل می گیرند. در این فرایند مواد مخلوط می شوند، گرم می شوند و تحت فشار شکل می گیرند. برخی از آهن رباها با استفاده از یک فرایند متالورژی پودری اصلاح شده شکل می گیرند که در آن فلز پودری ریز تحت فشار، حرارت و نیروهای مغناطیسی قرار می گیرد تا آهنربای نهایی تشکیل شود.