می توانید آهن ربا را در همه جا پیدا کنید ، از آهنرباهای یخچال کوچک که لیست های خرید شما را به آهنرباهای بزرگی که در دستگاه های MRI و موتورها یافت می شود ، پیدا کنید. استحکام آهن ربا به طور مستقیم به تغییرات دما بستگی دارد.
افراد به طور معمول عملکرد آهنربا را با آهنرباهای نوار که پین را جذب می کنند و به درب یخچال می چسبند ، مرتبط می کنند. قدرت میدان های مغناطیسی به میزان قابل توجهی به دمای مواد بستگی دارد. یک تغییر قابل توجه در دما بر آهنربا تأثیر می گذارد ، بنابراین خصوصیات مغناطیسی آنها قابل توجه است.
در این مقاله ، پایه و اساس علمی اثرات مغناطیسی همراه با کاربردهای عملی آنها در سیستم های مغناطیسی توضیح داده شده است.
قدرت مغناطیسی چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟
شما باید قبل از بحث در مورد اثرات دما ، ماده آسیب دیده را درک کنید. قدرت میدان های مغناطیسی که آهنربا تولید می کنند ، قدرت مغناطیسی آنها را تعیین می کند. استحکام مغناطیسی یک آهنربا توانایی آن در جذب فلزات آهن و قدرت آن برای دفع سایر آهن ربا را کنترل می کند.
دانشمندان قدرت میدان مغناطیسی را از طریق دو واحد اندازه گیری معروف به تسلا (T) و گاوس (G) ارزیابی می کنند. یک آهنربای یخچال استاندارد یک میدان مغناطیسی از 0 01 T تولید می کند ، که برابر با 100 دستگاه G. MRI است که به میدان های مغناطیسی بالاتر از 1.5 T (15 ، {6} G) نیاز دارند تا تصاویر واضح از بدن انسان تولید کنند.
استفاده از پرسنل آزمایشگاهیگوش متربرای اندازه گیری مقاومت مغناطیسی از طریق روشهای آزمایش. همچنین روشهای گاه به گاه بیشتری وجود دارد ، مانند زمان بندی یک جریان ناشی از سیم در سیم یا بررسی اینکه تعداد کاغذهای کاغذی به طور همزمان به یک آهنربا می چسبند. درک هر دو اندازه گیری و قدرت نسبی انواع مختلف آهنربا برای کاربردهای مؤثر مهم است.
از موتورها و ترمزهای اتومبیل گرفته تا سنسورها در فرودگاه ها ، نقش آهن ربا و کالیبراسیون قدرت دقیق آنها بر بسیاری از جنبه های مهندسی و زندگی روزمره تأثیر می گذارد. حال بیایید ببینیم که چرا دما می تواند این خصوصیات مغناطیسی حساس را مختل کند.
چگونه دما بر مغناطیس تأثیر می گذارد: علم توضیح داد
گرما و مغناطیس
در سطح اتمی ، مغناطیس از چرخش و حرکت الکترون ها در فلزات مانند آهن ناشی می شود. این الکترونهای روان در اصل دامنه های مغناطیسی ریز ایجاد می کنند که برای تولید یک میدان مغناطیسی کلی تراز می شوند.
با این حال ، دما از طریق افزایش همزن اتمی از گرما بر آهنربا تأثیر می گذارد. با ورود انرژی حرارتی بیشتر به فلز ، چرخش های الکترون و مدار مختل می شود. تراز بین حوزه های مغناطیسی همسایه در حالی که حرکت ذرات بر نیروهای جذب مغناطیسی غلبه می کند ، تجزیه می شوند.
فراتر از یک دمای خاص منحصر به فرد برای هر ماده ، به نام نقطه کوری ، حرکت حرارتی تصادفی کاملاً بر نیروهای مغناطیسی غلبه می کند. این امر منجر به کاهش سریع مقاومت آهنربا می شود.
گرم کردن یک آهنربا بالاتر از نقطه کوری خود برای هر مدت زمان ، به طور موثری خواص مغناطیسی را از بین می برد. تحریک اتمی حتی اگر آهنربا بعداً خنک شود ، تراز دامنه را از بین می برد.
سرد و مغناطیس
از طرف تلنگر ، کاهش درجه حرارت در واقع می تواند آهن ربا را تقویت کند. خنک کننده حرکت اتمی را کاهش می دهد و به دامنه های مغناطیسی اجازه می دهد تا مناطق بزرگتر را بدون تداخل حرارتی تراز کنند. این امر باعث افزایش میدان مغناطیسی جمعی می شود.
با این حال ، آهنرباهای ابرقدرت فقط قدرت خود را تا یک نقطه خاص افزایش می دهد. هنگامی که دما به صفر مطلق نزدیک می شود ، خنک کننده اضافی دیگر بر تحریک اتمی یا استحکام مغناطیسی تأثیر نمی گذارد. قدرت آهنربا به سادگی فلات در حداکثر مقدار ممکن خود است.
با این وجود ، برای برنامه هایی که آهنربا گرمایش روتین را تجربه می کنند ، خنک کننده استراتژیک می تواند به جبران تلفات حرارتی کمک کند. تجهیزات فضاپیما یک نمونه را ارائه می دهد ، که در آن آهنرباهای پردازنده با وجود نوسانات دما گسترده باید استحکام را حفظ کنند.
انواع مختلف آهن ربا و پاسخ آنها به دما
همه آهن ربا ها وقتی آنها را گرم می کنید یا آنها را خنک می کنید ، یکسان نیستند. خواصی مانند نقطه کوری و از دست دادن قدرت در طول زمان به ماده مغناطیسی درگیر بستگی دارد.
آهنرباهای نئودیمیوم
آهنرباهای ndfebبا استفاده از آلیاژهای فلزی نادر زمین ، وضعیت خود را به عنوان قوی ترین آهنرباهای دائمی بدست آورید. ترکیبی از انرژی بالا و ابعاد جمع و جور ، آهنرباهای نئودیمیوم را برای کاربردهای الکترونیکی و سیستم های حرکتی و کار مونتاژ مغناطیسی مناسب می کند.
آهنرباهای Neodymium دارای نقطه ای از کوری از 310 تا 400 درجه سانتیگراد (590 تا 750 درجه فارنهایت) هستند. درجه حرارت بالایی که بیش از این محدوده باشد باعث تخریب فوری و دائمی خواص مغناطیسی در این مواد می شود. آهنرباهای Neodymium قدرت خود را حفظ می کنند اما در برابر هر فرآیند کوتاه گرمایشی به محافظت نیاز دارند.
آهنرباهای فریت (سرامیک)
فریت ها نمایانگر آهنرباهای سرامیکی هستند که ناشی از مخلوط کردن اکسید آهن با استرانسیوم یا باریم است. تولید کنندگان آهنربای فریت را به سه شکل استاندارد تولید می کنند که شامل میله ، دیسک و بلوک است.
نقطه کوری آهنرباهای فریت از 450 درجه (840 درجه فارنهایت) فراتر می رود ، که مقاومت دما بهتر از آهنرباهای نئودیمیوم را فراهم می کند. حداکثر قدرت میدان مغناطیسی این آهنربا در زیر محدوده کلی باقی می ماند.
آهنرباهای آلنیکو
خانواده Alnico از آلیاژهای آلومینیوم ، نیکل و کبالت برای تولید آهنرباهای مقاومت متوسط با مقاومت در برابر حرارت بالا استفاده می کنند. ترکیبات مختلف آلیاژ منجر به چندین درجه Alnico با خواص متنوع می شود.
برخیآهنرباهای آلنیکوقدرت قابل ملاحظه ای را حتی تا 800 درجه (1470 درجه فارنهایت) حفظ کنید ، اگرچه عملکرد اوج اغلب به طور موقت از 500 درجه (930 درجه فارنهایت) کاهش می یابد. پاسخ های دما منحصر به فرد آنها باعث می شود که Alnico در صورت عدم موفقیت نئودیمیوم ، Alnico را برای برنامه های با درجه حرارت بالا انتخاب کند.
مقایسه نوع آهنربا
|
مغناطیس |
حداکثر قدرت |
کوری نقطه |
مقاومت در برابر گرما |
|
نیودیمیم |
بسیار قوی |
310-400 درجه |
کم |
|
فریت |
واسطه |
450 درجه + |
واسطه |
|
النیکو |
قوی |
500-800 درجه |
عالی |
چرا استحکام و دما مگنت
اکنون که علم را درک کردید ، بیایید در نظر بگیریم که چرا می دانیم که چگونه دما بر قدرت مغناطیسی تأثیر می گذارد ، مفید است. خواه با آهنرباهای یخچال کوچک یا دستگاه های MRI عظیم ، ما به عملکرد آهنربای مداوم در محیط ها بستگی داریم.
در بخش هایی مانند الکترونیک و هوافضا ، مهندسان بر اساس دمای عملیاتی مورد انتظار و تغییرات حرارتی انواع آهنربا را انتخاب می کنند. ضعف دائمی بالاتر از نقاط کوری یا حتی کاهش تدریجی از گرمایش مکرر می تواند منجر به خرابی محصول و مشکلات ایمنی شود.
درک محدودیت های حرارتی امکان انتخاب مناسب آهنربا را به همراه خنک کننده یا اضافی در صورت لزوم امکان پذیر می کند. به همین ترتیب ، برخی از برنامه ها از گرمایش و سرمایش استراتژیک برای دستکاری خواص مغناطیسی در صورت تقاضا استفاده می کنند.
در حالی که آهنرباهای یخچال بی ضرر به نظر می رسند ، حتی استفاده از خانه اثرات دما را در مقیاس کوچک نشان می دهد. توجه کنید که چگونه آهنرباهای معمولی به آرامی به مرور زمان از جلو می روند زیرا دهانه های درب در نزدیکی آنها را به طور مکرر گرم می کنند. سیستم های صنعتی این تأثیرات مداوم را به سادگی تقویت می کنند.
آیا می توانید پس از آسیب دما ، استحکام آهنربا را بازیابی کنید؟
یک سوال متداول این است که آیا می توان آسیب حرارتی به آهنرباهای دائمی را معکوس کرد. متأسفانه ، گرم کردن فراتر از نقطه کوری آهنربا باعث ایجاد تغییرات غیرقابل برگشت در ساختار دامنه مغناطیسی می شود. این منجر به خسارات دائمی در قدرت میدان می شود.
با این حال ، تمام قرار گرفتن در معرض دما به آهنربا غیرقابل برگشت آسیب نمی رساند. مدت زمان گرمایش کوتاه تر یا باقی مانده در زیر نقاط کوری فقط ممکن است به طور موقت یک آهنربا را تضعیف کند. در این موارد ، بازسازی مجدد می تواند حوزه های مغناطیسی را مجدداً تنظیم کرده و قدرت از دست رفته را بازگرداند.
فرآیندهای صنعتی برای بازسازی آهنرباهای ضعیف تر با استفاده از میدان های خارجی قوی یا جریان های الکتریکی ناشی از آن وجود دارد. این مجدداً تراز دامنه را برای تقویت قدرت کلی میدان تنظیم می کند. با این حال ، نتایج به سطح اولیه آسیب حرارتی بستگی دارد.
برای بهترین طول عمر ، مهندسان توصیه می کنند که هر زمان که ممکن باشد آهنربا را زیر آستانه حداکثر دمای خود نگه دارید. برخی از مراحل خنک کننده یا محافظ نیز می تواند برای کاهش گرمایش مکرر در محیط های گرمتر انجام شود.
ایده آزمایش: استحکام آهنربا را در دماهای مختلف تست کنید
کنجکاو برای دیدن اثرات دما بر روی آهن ربا برای خودتان؟ این آزمایش ساده را امتحان کنید تا تغییرات قدرت مغناطیسی را در شرایط گرم و سرد مقایسه کنید:
مواد مورد نیاز:
- انواع مختلف آهنربا
- دماسنج
- ظرف آب گرم
- ظرف آب یخ
- کاغذهای کاغذی یا سایر اشیاء فلزی کوچک
ابتدا با شمارش تعداد کاغذهای کاغذی که می تواند به یکباره بلند شود ، استحکام هر آهنربا را در دمای اتاق آزمایش کنید. این مقدار پایه را ضبط کنید.
در مرحله بعد ، هر آهنربا را در آب گرم بالاتر از 80 درجه (175 درجه فارنهایت) به مدت 3 دقیقه غوطه ور کنید. با چسبیدن به صورت داغ ، دوباره با احتیاط انجام دهید و دوباره تست کنید. انتظار عملکرد ضعیف را داشته باشید.
سرانجام ، تست قدرت را پس از غوطه ور شدن آهنربا در آب سرد زیر 10 درجه (50 درجه F) به مدت 3 دقیقه تکرار کنید. برای مقایسه عملکرد ، مجدداً کاغذ را بشمارید.
برای هر آهنربا سه نقطه داده را امتحان کنید. شما باید در شرایط گرم کاهش مقاومت مغناطیسی را مشاهده کنید ، اما قدرت افزایش یافته پس از سرمازدگی در زیر دمای اتاق.
نکات ایمنی و ذخیره سازی آهنربا در محدوده دما
ذخیره سازی و استفاده مناسب از آهن ربا در هر محیطی ، از جمله کلاس ها و کارگاه های آموزشی و امکانات صنعتی ، از استحکام مغناطیسی آنها در برابر تضعیف ناخواسته ناشی از تغییرات دما محافظت می کند. آهن ربا را در یک فضای خشک و خنک که جدا از منابع حرارتی از جمله رادیاتورها و اجاق گاز و پنجره های آفتابی است ، نگه دارید. استحکام مغناطیسی هنگامی که آهن ربا در شرایط گرم باقی بماند که به دمای نقطه کوری نرسد ، به آرامی کاهش می یابد.
آهنرباهای با کارایی بالا مانند نئودیمیوم برای محافظت در برابر تغییرات دما ، نیاز به ذخیره سازی با فاصله های محافظ یا ظروف عایق دارند. شکنندگی آهن ربا پس از گرم شدن یا سرمایش افزایش می یابد ، بنابراین از اعتصاب یا رها کردن آنها در هر زمان خودداری کنید.
محیط های متغیر در فضای باز و دما نیاز به آهن ربا را در محفظه های مقاوم در برابر دما محصور می کنند یا با سینک های گرما یا سیستم های خنک کننده در ارتباط هستند. شیوه های نگهداری منظم به حفظ عملکرد مغناطیسی مداوم در تمام برنامه ها کمک می کند.
اقدامات پیشگیرانه ساده از قدرت آهنربا و عمر عملیاتی محافظت می کند ، که نیازهای جایگزینی را کاهش می دهد و برنامه های کاربردی حرفه ای و خانگی را پشتیبانی می کند.
پایان
همانطور که آموخته اید ، قدرت آهنربا به شدت به شرایط دمای اطراف بستگی دارد. گرمایش و سرمایش بر تراز اتمی تأثیر می گذارد ، با پیامدهای دنیای واقعی برای کاربردهای مغناطیسی.
در حالی که آهنرباهای یخچال نمایشی بی ضرر ارائه می دهند ، تغییرات شدید دما به اندازه کافی می تواند تجهیزات حساس را مختل کند. چه برخورد با دستگاه های MRI ، سیستم های هوافضا یا فرآیندهای صنعتی ، مهندسان باید هنگام انتخاب آهنرباهای دائمی ، حداکثر رتبه بندی و محیط های عملیاتی روتین را در نظر بگیرند.
به طور مشابه ، هر کسی که در مورد آهنربا آزمایش می کند باید این اصول را در محل کار تشخیص دهد ، به ویژه خطر آسیب غیر قابل برگشت بالاتر از نقاط کوری خاص مواد. به عنوان یک منطقه تحقیقاتی در حال انجام ، آهنرباهای با درجه بالا ، فرصتی را برای مبتکران فراهم می کند. در حال حاضر ، مواظب باشید که اثرات دما را بر قدرت میدان مغناطیسی دست کم نگیرید.
