ما هي المادة المغناطيسية الحديدية؟
هذه مجموعة مختارة من المعادن التي تمتلك القدرة على أن تصبح مغناطيس دائم بسبب تميزها الفريد من نوعه الخواص المغناطيسية. وهي تتمتع بقابلية عالية نسبيًا للمجالات المغناطيسية مما يسمح بمغنطستها بسهولة. ويظهر هذا النوع من المغناطيسية في فئة من المعادن يُشار إليها باسم المعادن الحديدية، ويُعد الحديد والكوبالت والنيكل أمثلة على هذه الأنواع من المعادن.
تحتوي هذه المواد على إلكترونات غير مزدوجة بالإضافة إلى ثنائيات الأقطاب الذرية. وتزيد هذه الخصائص إلى جانب بنيتها البلورية من قابليتها للمغناطيسية وقدرتها على أن تصبح مغناطيسية على الفور.
أنواع الفلزات والسبائك المغناطيسية الحديدية
تعرض العديد من المواد هذه الخاصية. وتشمل هذه المواد ما يلي;
يحتوي هذا الفلز على بنية بلورية ذات إلكترونين غير مزدوجين في الأغلفة الخارجية. والتباين ألفا للمعدن هو تباين مغناطيسي حديدي. وتبلغ نقطة كوري للمعدن 1043 درجة كلفن حيث يفقد بعدها خصائصه الفائقة. يحتوي على نطاقات تدور فيها إلكتروناته غير المزدوجة لتكوين المجال المغناطيسي أثناء اصطفافها. سيؤدي التعرض المطول إلى تشبع المعدن مغناطيسيًا. كما أنه شديد التأثر بالمجالات المغناطيسية الخارجية التي تسمح بمغنطته بسهولة.
ويتمتع بتشبع مغناطيسي عالٍ نسبيًا مما يزيد من قدرته على التمغنط الدائم. ومثله مثل الحديد، يمكنه الحفاظ على خواصه حتى يصل إلى نقطة كوري التي تبلغ 1145 درجة مئوية. تتأثر خواصه المغناطيسية بحجم جزيئاته وقد تختلف باختلاف أحجامها. ويُظهر تبايناً مغناطيسياً يتميز بمحاذاة الإلكترون في اتجاه متشابه. يمكن إزالة مغناطيسية المعدن مؤقتًا باستخدام مغناطيس أقوى. كما أن له نفاذية مغناطيسية قوية.
النيكل هو آخر مادة مغناطيسية حديدية أن المعروضات التي تعرض البارامغناطيسية في حالته النقية. ومع ذلك، إذا كان يحتوي على أثر من الحديد أو الكوبالت، فإنه يصبح مغناطيسيًا حديديًا مع قابلية مغناطيسية عالية. وتعتمد قدرته المغناطيسية الحديدية إلى حد كبير على العناصر الأخرى الموجودة فيه. يفقد جميع قدراته المغناطيسية الحديدية عند درجة حرارة 355 درجة مئوية.
وهي مادة ذات قابلية عالية للتأثر بالتأثير المغناطيسي وبالتالي يمكن ممغنطتها بسهولة. وتتأثر خواصها المغناطيسية بدرجة الحرارة وتظهر خواص مغناطيسية حديدية تحت درجة حرارة 85 درجة مئوية. وفي مستواه القاعدي، يتعرض للمغنطة التلقائية بالإضافة إلى زيادة في درجة الحرارة في وجود مجال مغناطيسي.
التيربيوم هو عنصر أرضي نادر يكون بارامغناطيسيًا في درجة حرارة الغرفة ولكنه يُظهر خواص مغناطيسية حديدية تحت 237 درجة مئوية. وبمجرد تعريضه لمجال مغناطيسي تبدأ درجة حرارته في الارتفاع.
وعادةً ما يتم دمج هذه المادة بمواد مثل البورون والحديد التي تعزز خصائصها المغناطيسية بشكل كبير على الرغم من أنها في حالتها الطبيعية مضادة للمغناطيسية. وهي ممغنطة على طول محور بلوري معين بسبب التباين الأحادي المحور المرتفع. وتُعد بنيته المجهرية وبنيته البلورية بعض الخصائص التي تجعله مغناطيساً قوياً بشكل استثنائي.
المواد المغناطيسية اللينة مقابل المواد المغناطيسية الصلبة
هناك تصنيفان رئيسيان للمواد المغناطيسية الحديدية؛ المواد المغناطيسية الحديدية اللينة والصلبة. يتأثر تصنيفها بخصائص مختلفة بما في ذلك سعة الاحتفاظ والنفاذية والإكراه. والعامل الآخر الذي يحدد الفئة هو منحنيات تباطؤها.
لا تتطلب المغناطيسية اللينة المغناطيسية سوى تأثير مغناطيسي خارجي محدود لإزالة مغناطيسيتها ومن ثم يكون لها إكراه منخفض. كما أنها تطلق طاقة محدودة في الحلقة مما يجعل منحنى التباطؤ فيها ضيقًا وحادًا. كما أن لها قدرة احتفاظ ونفاذية منخفضة.
ومن ناحية أخرى، تتمتع المواد الحديدية المغناطيسية الصلبة بقوة مغناطيسية أعلى مع زيادة الإكراه. يتطلب الأمر مجالًا مغناطيسيًا أقوى لإزالة مغناطيسيتها مما يسمح لها بقدرة احتفاظ أعلى. ويكون منحناها عريضًا لأنها تطلق الكثير من الطاقة في حلقة التباطؤ.
التطبيقات العملية للمواد المغناطيسية الحديدية
نظرًا لقدراتها المغناطيسية فإن المواد المغناطيسية الحديدية لها العديد من الاستخدامات. وتشمل هذه الاستخدامات إنتاج ما يلي;
- مغناطيسات دائمة
- نوى المحولات
- أجهزة تخزين مغناطيسية
- المعدات الكهربائية والكهروميكانيكية
- مغناطيسات كهربائية
الأنواع المختلفة من المواد المغناطيسية الحديدية مناسبة للاستخدامات المختلفة. المواد المغناطيسية الحديدية مناسبة للغاية للتطبيقات التي تعتمد على الخواص المغناطيسية. ومع اختلاف خصائصها المختلفة، من المهم اختيار مادة مغناطيسية حديدية تلبي جميع متطلباتك.
أسباب المغناطيسية الحديدية
تنتج المغناطيسية الحديدية عن العوامل التالية:
ثنائي القطبين الذريين
يشير هذا إلى انفصال الشحنات الموجبة والسالبة في الجزيء. هناك أقسام في المواد التي تُظهِر مغناطيسية حديدية تُسمَّى المجالات التي تحدث فيها محاذاة هذه الثنائيات القطب الذرية. ويؤدي هذا الاصطفاف إلى توليد عزم مغناطيسي صافٍ يكون معدومًا في هذه المواد لأنه يحدث في اتجاه معاكس.
البنية البلورية
يؤثر التركيب البلوري بشكل كبير على اتجاه ثنائيات القطب الذري والخصائص المغناطيسية الأخرى للمواد المغناطيسية الحديدية. ويمكن للهيكل أن يسهّل دوران ثنائيات القطب أو يمكن أن يعمل كعائق يمنع توليد عزم مغناطيسي. كما أنها تؤثر أيضًا على خصائص مثل بنية المجال، والترتيب المغناطيسي، والمجموعات الفضائية، وتباين الخواص ودرجة حرارة كوري.
التأثيرات الميكانيكية الكمية
تتحكم ميكانيكا الكم في الإلكترونات في المواد المغناطيسية الحديدية. يحدد مبدأ الاستبعاد الباولي اتجاه الإلكترونات الذي ينص على أنه عندما تكون الإلكترونات متقاربة لا يمكن للإلكترونات أن تصطف في اتجاه متشابه. وهذا يجعلها متوازية بشكل متضاد مما يؤدي إلى تنافر قوي يتسبب في محاذاة الإلكترونات للدوران
التباطؤ
يشير هذا إلى تأخر واصطفاف النطاقات عندما تتعرض المادة لمجالات مغناطيسية من مؤثر خارجي مما يؤدي إلى زيادة المغنطة. وتؤثر هذه الظاهرة على الخواص المغناطيسية الأخرى مثل التشبُّع والإكراه والقابلية للتأثر. وتتأثر درجة التباطؤ بقوة المجال المغناطيسي الخارجي.
تتضمن خواص المواد المغناطيسية الحديدية ما يلي
- تحتوي هذه المواد على ترتيب متناهي الصغر للمغازل الإلكترونية التي تخلق نطاقات مغناطيسية تكثف المجال المغناطيسي للمواد.
- في مجالها، يكون لهذه المواد عزم ثنائي القطب دائم ثنائي القطب في اتجاه منتظم مماثل للمجال الخارجي.
- وتنتهي مغناطيسية هذه المواد عندما تتعرض المادة لدرجات حرارة أعلى من نقطة كوري. ويحدث ذلك بسبب اختفاء ترتيبها بعيد المدى الناجم عن درجات الحرارة هذه.
- وتتمتع المواد بمستويات مرتفعة من القابلية المغناطيسية مما يسمح بمغنطتها بسهولة وإظهار خصائص مغناطيسية متزايدة.
- عندما يتم تطبيق مجال خارجي على هذه المواد ستستمر قوة هذه المواد من حيث قدرتها المغناطيسية في النمو حتى حدها الأقصى. ويمكن تسمية هذا الحد أيضاً بمستوى التشبع.
- يمكن تصوير قدراتها المغناطيسية بيانيًا كشكل من أشكال المجال المغناطيسي المطبق. ويشار إلى هذا الرسم البياني بحلقة التباطؤ ويسمح بتتبع المواد الممغنطة والمزالة مغناطيسيتها والمعاد مغناطيسيتها.
تمر المواد المغناطيسية الحديدية بتغير يُعرف باسم الانتقال الطوري عند تعرضها لدرجات حرارة أعلى من درجة حرارة كوري. وتؤدي درجات الحرارة التي تزيد عن الحد الأقصى للمادة إلى فقدان قدرة المادة على المغنطة. وستظهر المادة الناتجة خصائص شبه مغناطيسية فقط.
تشمل درجة حرارة كوري للمواد المغناطيسية الحديدية;
- الحديد: 770 درجة مئوية
- نيكل 360 °C
- الكوبالت: 1121 درجة مئوية
- المواد المغناطيسية الحديدية مقابل المواد المغناطيسية القطعية
وتتميز المواد المغناطيسية الحديدية بجذب شديد عند تعرضها لمجالات مغناطيسية وهو ما ينتج عن دوران الإلكترونات غير المزدوجة أثناء سقوطها في خط مستقيم نحو مجال خارجي. وعلى الجانب الآخر من الموازين توجد المواد ثنائية المغناطيسية التي لا تحتوي على مثل هذه الإلكترونات. وبسبب ذلك تتعرض هذه المواد لشكل مستحث من العزوم المغناطيسية مما يؤدي إلى تأثير تنافري.
ومن ثم يمكن تمييز المواد المغناطيسية الثنائية المغناطيسية بقدرتها على توليد حركة تنافر بغض النظر عن القطب الذي تتعرض له. وبالمثل، تنجذب المواد المغناطيسية الحديدية نحو المجال بغض النظر عن اتجاه القطب.
- المواد المغناطيسية الحديدية مقابل المواد شبه المغناطيسية
المواد شبه المغناطيسية هي مواد تُظهِر تجاذبًا خافتًا لصالح قطب واحد فقط بسبب وجود إلكترونات غير مزدوجة في بنيتها. كما أنها تحتوي على عزم ثنائي القطب دائم يتشكل نتيجة الإلغاء غير الكامل لدوران الإلكترونات. وعند تعريضها لمجال خارجي تفقد أي خاصية تظهر بسبب القرب من المجال
من ناحية أخرى، فإن المواد المغناطيسية الحديدية التي لها عزم ثنائي القطب دائم وإلكترونات غير مزدوجة تتعرض لجاذبية لكلا القطبين. ولديها نطاقات مغناطيسية تزيد من قوتها المغناطيسية. وهي تحتفظ بخصائصها المغناطيسية حتى في غياب التأثير الخارجي.
- المواد المغناطيسية الحديدية مقابل المواد المضادة للمغناطيسية
وتتضمن العزوم المغناطيسية للمواد المضادة للمغناطيسية ذرات تصطف في تشكيل مضاد للتوازي عندما تكون بالقرب من بعضها البعض، مما يؤدي إلى انعكاس خواصها المغناطيسية. وتحتوي المواد المضادة للمغناطيسية على عزم ثنائي القطب المغناطيسي منخفض يصطف في الاتجاه المعاكس للمجال المغناطيسي. ومن ناحية أخرى، تحتوي المواد المغناطيسية الحديدية على عزم ثنائي القطب المغناطيسي المتزايد الذي يواجه اتجاهًا مماثلًا للمجال المغنغنطيسي.
Arabic 
English 
Spanish 
German 
French 
Portuguese