Wat is magnetische anisotropie

Magnetische anisotropie betekent dat een materiaal een voorkeursrichting heeft voor zijn magnetische momenten wanneer je er een magnetisch veld op toepast. In eenvoudigere termen betekent het dat de manier waarop een materiaal is gericht, invloed heeft op hoe het magnetisch gedraagt. Sommige materialen willen meer gemagnetiseerd worden in één richting dan in andere. We noemen dat de “gemakkelijke” as. Ze willen niet in andere richtingen gemagnetiseerd worden.

Oorzaken van Magnetische Anisotropie

Er zijn een paar dingen die magnetische anisotropie veroorzaken.

1. Kristalstructuur: De symmetrie van het kristallijne rooster van een materiaal kan een gemakkelijke as creëren. Kubische materialen willen hun magnetisatie vaak langs de lichaamdiagonaal richten. Niet-kubische materialen willen hun magnetisatie langs bepaalde kristalassen richten. We noemen dit magnetocrystallische anisotropie. Dit is de enige intrinsieke oorzaak van anisotropie omdat het voortkomt uit de structuur van het materiaal.
2. Vormanisotropie: Wanneer je niet-sferische objecten hebt zoals dunne films of kleine deeltjes, kun je anisotropie krijgen door oppervlakte- of randeffecten. De vorm van het materiaal beïnvloedt hoe het reageert op een extern magnetisch veld. De demagnetiserende velden verschillen afhankelijk van de meetrichting.
3. Spin-Orbit Koppeling: De interactie tussen de spin van de elektronen en de beweging van de elektronen rond de kern kan ervoor zorgen dat de magnetisatie in een bepaalde richting wil wijzen.
4. Magneto-elastische Anisotropie: Als je een mechanische spanning of trek op een materiaal uitoefent, kun je de magnetische eigenschappen ervan veranderen.
5. Uitwisselingsanisotropie:Dit heeft te maken met de interacties tussen de magnetische momenten in de materialen. Wanneer je ferromagnetische en antiferromagnetische materialen samenbrengt, kan de antiferromagnetische laag invloed hebben op de manier waarop de magnetisatie zich gedraagt in de ferromagnetische laag.
6. Doping en Onzuiverheden: Je kunt opzettelijk onzuiverheden of defecten in een materiaal introduceren om de elektronische structuur te veranderen, wat invloed kan hebben op hoe het magnetisch gedraagt en op de anisotropie.
7. Spanning: Wanneer je een materiaal mechanisch vervormt, verstoort dat de symmetrie van de kristalstructuur. Deze vervorming kan bepalen waar de gemakkelijke as ligt en hoe het magnetisch gedraagt.

Types van Magnetische Anisotropie

Er zijn een paar verschillende soorten magnetische anisotropie.

1. Kristallijne Anisotropie:Dit is wanneer de kristalstructuur van het materiaal bepaalt waar de makkelijke as ligt. Je ziet dit bij kubieke en niet-kubieke materialen.
2. Vormanisotropie: Dit is wanneer de vorm van het materiaal bepaalt waar de makkelijke as ligt. Je ziet dit bij dunne films en nanodeeltjes.
3. Magnetostrictie: Dit is wanneer de magnetisme van het materiaal interactie heeft met de roosterstructuur, en het materiaal uitzet of krimpt wanneer je er een magnetisch veld op toepast.
4. Magnetische veldanisotropie: Dit is wanneer het materiaal een hoge magnetische susceptibiliteit heeft, en het externe magnetische veld op verschillende manieren interactie heeft met de magnetische momenten in het materiaal, afhankelijk van de richting waarin het veld staat.

Anisotropie in harde en zachte magnetische materialen

Harde magnetische materialen: Deze materialen, zoals neodymiummagneten, hebben een hoge magnetische anisotropie, waardoor ze resistent zijn tegen demagnetisatie. We gebruiken hun sterke, gerichte magnetische eigenschappen in toepassingen zoals motoren en generatoren.

Zachte magnetische materialen: Minder vaak kunnen zachte magnetische materialen ook anisotroop zijn door interne structurele factoren of externe bewerkingsmethoden. Voorbeelden zijn korrelgerichte elektrische staalsoorten die in transformatoren worden gebruikt.

Het bereiken van betere magnetische anisotropie

Fabrikanten kunnen de magnetische anisotropie verbeteren door zorgvuldig verschillende factoren tijdens de productie te controleren:

Materiaalkeuze: De keuze van het basismateriaal, zoals neodymium in hoogpresterende magneten, is essentieel voor het verkrijgen van sterke magnetische eigenschappen.

Oriëntatie- en bewerkingstechnieken: Wanneer we de magneet maken, richten we de magnetische momenten uit met processen zoals warmpersen of isostatisch persen. Dit helpt ons om magneten met betere anisotrope eigenschappen te maken.

Graingrootte en -vorm: We hebben goede controle over de graingrootte en -vorm van het materiaal om ervoor te zorgen dat het consistente magnetische eigenschappen heeft.

Zuurstofgehalte: We verminderen de hoeveelheid zuurstof tijdens de productie om het materiaal beter te laten stromen en de anisotropie te behouden.

Perpendiculaire persing onder een magnetisch veld: We lijnen de magnetische momenten uit wanneer we het materiaal tijdens de productie persen. Zo krijgen we de anisotropie in het eindproduct.

Anisotrope versus isotrope magneten

Anisotrope magneten: Deze magneten hebben magnetische eigenschappen die afhankelijk zijn van de richting. Bijvoorbeeld, we maken gesinterde neodymiummagneten waarbij de korrels tijdens de productie zijn uitgelijnd. Dit geeft ze sterke magnetische prestaties in één voorkeursrichting.

Isotrope magneten: Daarentegen hebben isotrope magneten zoals gebonden neodymiummagneten geen voorkeursrichting voor magnetisatie. Ze hebben vergelijkbare magnetische eigenschappen in alle richtingen. Dit stelt je in staat ze in verschillende oriëntaties te vormen en te magnetiseren. Over het algemeen zijn ze zwakker dan anisotrope magneten.

Toepassingen van anisotrope magneten

Anisotrope magneten hebben veel toepassingen in verschillende industrieën omdat ze sterkere magnetische kracht en richtinggevoeligheid hebben. Hier zijn een paar voorbeelden:

1. Sensoren: We gebruiken anisotrope magneten, zoals samarium-kobaltmagenten, in sensoren die magnetische velden omzetten in elektrische signalen. Je vindt deze sensoren in de auto- en luchtvaartindustrie.
2. Generatoren: We gebruiken het magnetische veld dat door anisotrope magneten wordt gecreëerd om generatoren te maken. Bijvoorbeeld, de magneten in windturbines zijn anisotropisch.
3. Koeling: Er wordt onderzoek gedaan naar het gebruik van magneten in koeling. Bijvoorbeeld, MIT doet onderzoek naar het gebruik van magneten als potentiële koelmiddel.
4. Nucleaire magnetische resonantie (NMR): We gebruiken anisotrope magneten om NMR-spectrometers te maken. Deze machines stellen ons in staat de fysieke en chemische eigenschappen van materialen te bestuderen.
5. Medische toepassingen: Anisotrope magneten zijn stabiel bij hoge temperaturen, daarom gebruiken we ze in sterilisatiebestendige medische apparaten en implantaten.

Kennis van magnetische anisotropie helpt je magneten optimaal te benutten in jouw specifieke toepassing. Anisotrope magneten hebben een richting, wat erg belangrijk is. Daarom worden ze in zoveel verschillende industrieën gebruikt, van energie tot gezondheidszorg. Isotrope magneten bieden meer ontwerpvrijheid maar zijn niet zo sterk. Als je meer wilt weten over magnetische materialen en hoe ze je kunnen helpen, neem dan op elk moment contact met ons op.

Magnetische anisotropie. Afbeeldingsbron: Wikipedia