Anizotropia magnetyczna oznacza, że materiał ma preferowany kierunek dla swoich momentów magnetycznych, gdy na niego działa pole magnetyczne. Mówiąc prościej, oznacza to, że sposób, w jaki jest ustawiony materiał, wpływa na jego zachowanie magnetyczne. Niektóre materiały chcą być bardziej namagnesowane w jednym kierunku niż w innych. Nazywamy to osią „łatwą”. Nie chcą być namagnesowane w innych kierunkach.

Przyczyny anizotropii magnetycznej

Istnieje kilka czynników, które powodują anizotropię magnetyczną.

  1. Struktura krystaliczna: Symetria sieci krystalicznej materiału może tworzyć osią łatwą. Materiały sześcienne często chcą kierować swoją magnetyzację wzdłuż przekątnej ciała. Materiały nie-sześcienne chcą kierować swoją magnetyzację wzdłuż określonych osi krystalicznych. Nazywamy to anizotropią magnetokrystaliczną. To jest jedyna wewnętrzna przyczyna anizotropii, ponieważ pochodzi ze struktury materiału.
  2. Anizotropia kształtu: Gdy masz obiekty nieregularne, takie jak cienkie filmy lub małe cząstki, możesz uzyskać anizotropię z powodu efektów powierzchniowych lub brzegowych. Kształt materiału wpływa na to, jak reaguje na zewnętrzne pole magnetyczne. Pola demagnetyzujące są różne w zależności od kierunku pomiaru.
  3. Coupling spin-orbit: Interakcja między spinem elektronów a ruchem elektronów wokół jądra może sprawić, że magnetyzacja będzie chciała wskazywać w określonym kierunku.
  4. Anizotropia magnetoelastyczna: Jeśli na materiał wywierasz naprężenie mechaniczne lub rozciąganie, możesz zmienić jego zachowanie magnetyczne.
  5. Anizotropia wymiany:To związane jest z interakcjami między momentami magnetycznymi w materiałach. Gdy masz połączone materiały ferromagnetyczne i antyferromagnetyczne, warstwa antyferromagnetyczna może wpływać na zachowanie magnetyzacji w warstwie ferromagnetycznej.
  6. Doping i zanieczyszczenia: Możesz celowo wprowadzać zanieczyszczenia lub defekty do materiału, aby zmienić jego strukturę elektroniczną, co może wpływać na jego zachowanie magnetyczne i anizotropię.
  7. Naprężenie: Gdy mechanicznie odkształcasz materiał, deformujesz jego strukturę krystaliczną. To odkształcenie może zmienić miejsce osi łatwej i jej zachowanie magnetyczne.

 

Rodzaje anizotropii magnetycznej

Istnieje kilka różnych rodzajów anizotropii magnetycznej.

  1. Anizotropia krystaliczna:to jest moment, gdy symetria kryształu materiału decyduje o tym, gdzie znajduje się osie łatwe. Widać to w materiałach sześciennych i nieszczęściowych.
  2. Anizotropia kształtu: to jest moment, gdy kształt materiału decyduje o tym, gdzie znajduje się osie łatwe. Widać to w cienkich filmach i nanocząstkach.
  3. Magnetostrykcja: to jest moment, gdy magnetyzm materiału oddziałuje z strukturą sieci krystalicznej, i materiał się rozciąga lub kurczy, gdy na niego działa pole magnetyczne.
  4. Anizotropia pola magnetycznego: To jest moment, gdy materiał ma wysoką podatność magnetyczną, a zewnętrzne pole magnetyczne oddziałuje z momentami magnetycznymi w materiale inaczej, w zależności od kierunku, w którym jest skierowane.

Anizotropia w twardych i miękkich materiałach magnetycznych

Twarde materiały magnetyczne: Te materiały, takie jak magnesy neodymowe, mają wysoką anizotropię magnetyczną, dzięki czemu są odporne na odmagnesowanie. Wykorzystujemy ich silne, kierunkowe właściwości magnetyczne w zastosowaniach takich jak silniki i generatory.

Miękkie materiały magnetyczne: Rzadziej, miękkie materiały magnetyczne mogą również być anizotropowe z powodu wewnętrznych czynników strukturalnych lub zewnętrznych metod obróbki. Przykładami są stal elektryczna o ułożeniu ziaren, używana w transformatorach.

 

Osiąganie lepszej anizotropii magnetycznej

Producenci mogą poprawić anizotropię magnetyczną, starannie kontrolując kilka czynników podczas produkcji:

Dobór materiału: Wybór podstawowego materiału, takiego jak neodym w magnesach wysokiej wydajności, jest kluczowy dla uzyskania silnych właściwości magnetycznych.

Techniki orientacji i obróbki: Podczas produkcji magnesu ustawiamy momenty magnetyczne za pomocą procesów takich jak prasowanie na gorąco lub prasowanie izostatyczne. To pomaga nam tworzyć magnesy o lepszych właściwościach anizotropowych.

Rozmiar i kształt ziaren: Mamy dobrą kontrolę nad rozmiarem i kształtem ziaren materiału, aby zapewnić spójne właściwości magnetyczne.

Zawartość tlenu: Zmniejszamy ilość tlenu podczas produkcji, aby materiał lepiej się przepływał i zachować anizotropię.

Prasowanie prostopadłe pod wpływem pola magnetycznego: Układamy momenty magnetyczne podczas prasowania materiału w trakcie produkcji. W ten sposób uzyskujemy anizotropię w końcowym produkcie.

 

Magnesy anizotropowe a izotropowe

Magnesy anizotropowe: Te magnesy mają właściwości magnetyczne zależne od kierunku. Na przykład, produkujemy spieki neodymowe, które mają ułożone ziarna podczas produkcji. Dzięki temu mają silne właściwości magnetyczne w jednym preferowanym kierunku.

Magnesy izotropowe: W przeciwieństwie do nich, magnesy izotropowe, takie jak magnesy neodymowe wiązane, nie mają preferowanego kierunku namagnesowania. Posiadają podobne właściwości magnetyczne we wszystkich kierunkach. Umożliwia to kształtowanie i magnetyzowanie ich w różnych orientacjach. Zazwyczaj są słabsze od magnesów anizotropowych.

 

Zastosowania magnesów anizotropowych

Magnesy anizotropowe mają wiele zastosowań w różnych branżach, ponieważ charakteryzują się silniejszą siłą magnetyczną i kierunkowością. Oto kilka przykładów:

  1. Czujniki: Używamy magnesów anizotropowych, takich jak magnesy samarium-kobalt, w czujnikach, które zamieniają pole magnetyczne na sygnały elektryczne. Te czujniki znajdziesz w systemach motoryzacyjnych i lotniczych.
  2. Generatory: Używamy pola magnetycznego tworzonego przez magnesy anizotropowe do produkcji generatorów. Na przykład, magnesy w turbinach wiatrowych są anizotropowe.
  3. Chłodnictwo: Ludzie prowadzą badania nad wykorzystaniem magnesów w chłodnictwie. Na przykład, MIT pracuje nad użyciem magnesów jako potencjalnego czynnika chłodniczego.
  4. Rezonans magnetyczny jądrowy (NMR): Używamy magnesów anizotropowych do produkcji spektrometrów NMR. Te urządzenia pozwalają nam badać właściwości fizyczne i chemiczne materiałów.
  5. Zastosowania medyczne: Magnesy anizotropowe są stabilne w wysokich temperaturach, dlatego używamy ich w sterylizowalnych urządzeniach medycznych i implantach.

Znajomość anizotropii magnetycznej pomaga w optymalnym wykorzystaniu magnesów w Twojej konkretnej aplikacji. Magnesy anizotropowe mają określony kierunek, co jest bardzo istotne. Dlatego są używane w tak wielu różnych branżach, od energetyki po opiekę zdrowotną. Magnesy izotropowe dają większą elastyczność w projektowaniu, ale są mniej silne. Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o materiałach magnetycznych i jak mogą Ci pomóc, skontaktuj się z nami w dowolnym momencie.

Anizotropia magnetyczna

Anizotropia magnetyczna. Źródło obrazu: Wikipedia