سنگ راهنما
نویسندگان: علیرضا صف‌شکن، مبینا کریمی، مصطفی بهنام‌فر، سارا ابراهیم‌پور
گویندگان: آیدین خلقی، علیرضا صف شکن، مبینا کریمی، محدثه قانعی
قرن ها قبل از میلاد مسیح، در منطقه‌ی مگنزیا توی آسیای صغیر، انسان متوجه رفتار عجیب یه کانی توی معادن آهن شده بود. تصور میکردن این سنگ توسط خدایان یا اجنه قدرتمند شده؛ رفتار اون در مقابل بقیه سنگ آهن ها باعث به فکر فرو رفتن مردم شده بود. سال‌ها گذشت تا انسان درک کنه میتونه از این سنگ استفاده کنه. با اون چیزی ساختن تا راه رو باهاش پیدا کنن. حالا بهش میگفتن سنگ لودِستون و مثل یک بت باهاش رفتار میکردن. بالاخره توی قرن 17 میلادی بود که ویلیام گیلبرت با شمشیر علم خرافه رو درید تا همه به راز لودستون پی ببرن و اون رو وارد همه جای زندگی بکنن. ما رو همراهی می‌کنید در وولکانو ... سنگ راهنما ...
آهنربا های دائمی از مواد فرومغناطیس ساخته میشن؛ این مواد، بعد از خروج از میدان مغناطیسی این خاصیت رو از میدان به ارث میبرن و در خودشون حفظ میکنن. آهن، نیکل و کبالت تنها عناصری هستند که خاصیت فرومغناطیس دارند. گسترش استفاده از آهنربا ها پیشرفت صنعت رو یه هل حسابی داده و موتورش رو روشن کرده. یک آهنربای دائمی چهار مشخصه مهم داره: 1- پسماند، که به طور ساده میزان نیرو مغناطیسی باقی مونده داخل قطعه رو مشخص میکنه و هرچه بیشتر باشه بهتره. 2- وادارندگی، که به میزان مقاومت آهنربا در مقابل تلاش برای زدودن خاصیت مغناطیسی تعریف میشه. 3- دمای کوری، که به حداکثر دمایی میگن که آهنربا میتونه خاصیت خودش رو حفظ کنه و 4- ناهمسانگردی که مربوط به خاصیت مغناطیسی در جهات مختلف در مقیاس میکرو و ماکرومتری میشه. در ادامه چهار گروه اصلی آهنرباهای دائمی رو بررسی میکنیم.
آهنربای فریتی:
آهنربای فریتی، که به اون آهنربای سرامیکی هم میگیم؛ یک نوع آهنربای دائمیه که نسبت به بقیه سخت تر، شکننده تر و دارای نیروی مغناطیسی کمتریه. این آهنربا ها دو نوعن: استرانسیم فریت و باریوم فریت. که البته استرانسیم فریت شناخته شده تر و پرکاربرد تره و ما بیشتر به اون میپردازیم. اما در کل آهنربا های فریتی مقرون به صرفه ترین آهنربا برای استفاده در حجم های بالا هستن؛ دلیلش هم به روش تولیدشون برمیگرده.
خب از اینجا دیگه بیشتر به نوع استرانسیم فریت می پردازیم. این دسته از ترکیب اکسید آهن (مگنتیت) و کربنات استرانسیم ساخته شدن. مخلوطی از این پودر ها رو کلسینه میکنن و بعد آسیاب میشن تا ذرات کمتر از 2 میکرون حاصل بشه. بعد پودر رو برای فشرده شدن تو قالب میریزن و بعد از اون فرایند زینترینگ روش انجام میشه. یعنی به طور خلاصه با متالورژی پودرتولید میشن. اما نکته اصلی اونجاست که در طی فرآیند فشردن و شکل دادن برای اینکه ما خاصیت آهنربایی رو بدست بیاریم لازمه دو کار انجام بدیم. اول اینکه، مخلوط ما باید دارای آب و رطوبت باشه یعنی تقریبا به حالت دوغآب دربیاد. دوم اینکه، فشردن باید در یک میدان مغناطیسی خارجی انجام بشه تا ذرات ما جهت‌گیری داشته باشن و یک آهنربای ناهمسانگرد رو ایجاد کنن. در غیر این شرایط خواص مغناطیسی‌ای که بدست میاریم خیلی ضعیفه. در آخر هم بعد از اینکه تف‌جوشی انجام شد در صورت نیاز ماشینکاری و روکشکاری الماسی اون انجام میشه اما در نظر داشته باشید که ماشینکاری این آهنربا سخت و هزینه بره؛ پس بیشتر به شکل قطعات ساده مثل مکعب مستطیل یا حلقه استفاده میشه که تا حد زیادی نیاز به ماشینکاری نداشته باشه.
آهنرباهای فریتی، رسانا نیستن و به این دلیل که از اکسید آهن ساخته شدن و نمیتونن مجدد اکسید بشن، مقاومت به خوردگی بالایی دارن. یکی دیگه از خواص خوب اونها، کاربردشون توی دماهای بالاست. عملکرد اونها در دماهای بالا حفظ میشه؛ به طور خاص، مقاومتشون در برابر مغناطیس زدایی با افزایش دما بهبود پیدا میکنه و تا 250 درجه سانتی گراد هیچ گونه افت عملکردی ندارن. این خاصیت اونها رو برای استفاده در موتورهای الکتریکی مناسب میکنه. از نظر خصوصیات الکتریکی، آهنربای فریتی نسبت به آهنربا های فلزی و آلیاژی بهترن و ثابت دی‌الکتریک بالاتری دارن علاوه بر این خاصیت نفوذ پذیری بالایی در فرکانس های بالا نشون میدن این موارد باعث شده که فریت به یک ماده مغناطیسی غیرفلزی تبدیل بشه که به طور گسترده در زمینه‌ی فرکانس بالا و جریان ضعیف کاربرد داره.
به طور کلی، کم هزینه ترین نوع آهنربا های سخت امروزی آهنرباهای فریتی‌ن. مقاومت این قطعات در برابر اکسیداسیون باعث شده نیازی به پوشش محافظ و عملیات سطحی نداشته باشن؛ پس اونها میتونن اولین گزینه برای کاربرد های صنعتی و تجاری باشن. همونطور که نشونه های حضورشون توی موتورها و ژنراتورها و دستگاه های ایجاد کننده جریان گردابی تاااا آهنربا های در یخچال دیده میشه.
آهنربای آلنیکو
آلنیکو خانوادهای از آلیاژهای آهنه که علاوهبر آهن، عناصر آلومینیم، نیکل و کبالت رو هم داره. آلیاژهای آلنیکو فرومغناطیسین و برای ساخت آهنرباهای دائمی استفاده میشن. از لحاظ قدرت بین آهنرباهای دائمی رتبة سوم رو دارن. این آهنرباها مقاومت به خوردگی بالایی دارنو در برابر اکثر اسیدها، حلالها و روغنها مقاومن؛ اما در حین حال بسیار سخت و شکننده هم هستن و امکان برش این آهنرباها وجود نداره. این آلیاژ در دماهای بالا حدود 500 تا 550 درجه سانتیگراد خواص مغناطیسی خودشو حفظ میکنه؛ برای همین در موقعیتی که مقاومت در برابر حرارت اهمیت داره مورد استفاده قرار میگیره. شکنندگی و نقطه ذوب بالای این آهنربا نتیجة تمایل شدید به منظم چیده شدن اتم هاس؛ که بهخاطر پیوندهای میانفلزی بین آلومینیم و بقیه عناصر وجود داره. بعضی از آلیاژهای آلنیکو همسانگرد هستن؛ یعنی قابلیت مغناطیس شدن رو در هر جهتی دارن؛ در نقطه مقابل هم، آلیاژهای ناهمسانگرد آلنیکو قرار گرفتن که فقط در یه جهتِ ترجیحی ظرفیت مغناطیسی بیشتری دارن. بیشتر آلیاژهای آلنیکو که تولید شده ناهمسانگردن. این آلیاژ در صورت استفادة درست یکی از پایدارترین آهنرباهاس و برخلاف آهنرباهای فریتی، رسانای الکتریکیه!
دستهبندی این آهنرباها به دو صورته. یکی بر اساس ترکیب شیمیایی و خاصیت مغناطیسی اونهاس و دومی بر اساس حداکثر انرژی تولیدی و نیروی وادارندگی ذاتی.
همونطور که گفتیم این آهنربا شکنندهس، پس چطور میشه آلنیکو ساخت؟ آلیاژهای ریختگی آلنیکو به روش مرسوم ریختهگری با استفاده از قالبهای شن و ماسهای با رزین تولید میشن. توی این روش، اجزاء به صورت جداگانه ذوب میشن و توی قالب ریخته میشن. اما روش دیگهای که مورد استفاده قرار میگیره متالورژی پودر و زینتر کردن آلنیکوعه؛ این روش معمولا برای ساخت هندسههای پیچیدهست. به این صورته که پودر عناصر مختلف با درصدهای وزنی مشخص با هم مخلوط میشن و در نهایت تحت فشار بالا قرار میگیرنو در دمای 1300 درجه سانتیگراد در خلاء یا اتمسفر محافظ زینتر میشن. آلیاژهای آلنیکو برای بهینه کردن خواص مغناطیسی همسانگرد و ناهمسانگردشون نیاز به عملیات حرارتی مناسب دارن. بعد از عملیات حرارتی این دسته آلیاژ به یک مادهی کامپوزیت تبدیل میشه که از رسوب آهن و کبالت در زمینة غنی از نیکل و آلومینیم تشکیل شده. اگه در طول تشکیل فاز میدان مغناطیسی اعمال شه، سوزنهای آهن کبالت خودشونو هماهنگ میکنن و تک جهته میشن. اما اگه از میدان مغناطیسی استفاده نشه، سوزنهای آهن کبالت به دلخواه قرار میگیرن، اینطوری آهنربا توی همة جهات مغناطیسی میشه ولی بسیار ضعیفه. آهنرباهای آلنیکو میدان مغناطیسی بسیار بزرگی در حدود 3000 برابر قدرت میدان مغناطیسی زمین رو در قطبها تولید میکنن. قدرت این میدانها به شکل آهنربا وابستهست.
آهنرباهای آلنیکو بهطور گستردهای در کاربردهای صنعتی و عمومی مورد استفاده قرار میگیرن، مثلا موتورهای برقی، پیکاپ گیتار برقی، میکروفونها، سنسورها و بلندگوها. اما فعلا کاربردهای بسیار زیاد آهنرباهای آلنیکو توسط آهنرباهای عناصر خاکی جایگزین شدن.
آهنربای ساماریم – کبالت
آهنرباهای خاکی کمیاب، آهنرباهای دائمی و با استحکام بالان که از آلیاژهای عناصر کمیاب، یعنی از سری عناصر لانتانید جدول تناوبی ساخته شدن ؛ اونها میدان‌های مغناطیسی قوی‌تری نسبت به انواع دیگه آهنرباها تولید میکنن و در دو نوع نئودیمیم و ساماریوم-کبالت وجود دارن.
آهنربای ساماریوم کبالت دارای بهترین ضریب دمای برگشت پذیر در میان تمام آهنرباهای خاکی کمیابه، بنابراین کمترین تغییر رو در خواص مغناطیسیش نسبت به تغییرات دما داره و برای تحمل دماهای نسبتاً بالا، انتخاب درجه یکی میتونه باشه؛ به دلیل این پایداری مغناطیسی و مقاومت در برابر خوردگی که در عمل نشون داده، کاربرد گسترده ای در صنایع نظامی و هوافضا، تجهیزات پزشکی، ژنراتورها، انواع موتورها، حسگرها، کوپلینگ پمپ و سیستم های ماهوارهای داره.
آهنربای ساماریوم کبالت از ساماریوم و کبالت با مقادیر کمی آهن، مس، هافنیوم و زیرکونیوم تشکیل شده و بر اساس نسبت ساماریوم و کبالت ، به دوسریِ آلیاژی تقسیم میشه؛ سریِ آلیاژی اول دارای یک اتم ساماریوم به ازای پنج اتم کبالت، و سریِ آلیاژی دوم دارای دو اتم ساماریم به ازای 17 اتم کبالت هستش؛سریِ دوم عملکرد مغناطیسی بالاتری داره اما در محیط های مرطوب به دلیل داشتن آهن در کامپوزیت خود، دچار خوردگی میشه برای همین نیاز به پوشش یا آبکاری داره.
فرآیند تولید این نوع آهنربا شامل آسیاب، فشردن و زینترینگ در اتمسفر بی اثر و سپس مغناطیسی کردن اون هستش. این آهنربا در صورت زینترینگ، شکننده میشه و برای ماشین کاری اون، باید از چرخ های سنگ زنی الماس با غلظت بالا استفاده کرد. همچنین این قطعه نباید به عنوان اعضای مکانیکی مورد استفاده قرار بگیره؛ از اونجا که این آهنربا پخته میشه، مستعد شکستگیه و در کاربردهایی که تماس مستقیم به مکرر اتفاق میفته، دچار آسیب و تَرک میشه، بنابراین باید انتظار داشت که در این آهنربا یا در آهنرباهای فلزی ریختگی، تخلخل یا عیوبی مثل ترک های جزئی دیده بشه.
آهنربای نئودیومی
آهنربای نئودیمیُم یا ،NdFeB ها یک دسته از آهنربای دائمی هستند که از آلیاژ نئودیمیم، آهن و بور ساخته میشه. ساختار بلوری اونها تتراگونال تشکیل میده و قویترین نوع آهنربای دائمی موجود در بازار به حساب میان. آهنربا نئودیمیوم به طور مستقل در سال ۱۹۸۴ توسط جنرال موتورز توسعه یافته که، در بسیاری از محصولات مدرن که به آهنرباهای دائمی قوی احتیاج دارند، استفاده میشن. این آهن ربا در برخی موارد جایگزین انواع دیگر آهنرباها، مانند موتورهای الکتریکی ، درایوهای دیسک سخت و چفت و بست مغناطیسی شدن.
پایه آهنربای نئودیمیوم از عنصر نئودیمیوم ساخته شده. این آهنربا دارای مغناطیس فوق العاده و قوی ترین آهنربای دائمی شناخته شده در دنیا به حساب میاد. آهنرباهای نئودیمیوم می توانند هزاران برابر وزن خود را به راحتی بلند کنن. درجه بندی برای قدرت آنها وجود دارد که بر اساس حداکثر انرژی ، که مربوط به خروجی شار مغناطیسی در واحد حجم است ، درجه بندی میشن. مقادیر بالاتر نشون دهنده آهنرباهای قوی تره.
آهنرباهای نئودیمیوم حساسیت بالایی به خوردگی، به خصوص در راستای مرز دانه ها دارن و به سرعت اکسید میشن. خوردگی میتونه خواص آهنربا رو کاهش بده. و به همین دلیل معمولا سطح آهنربا پوشش داده میشه. پوششهای مرسوم شامل نیکل و یا ترکیبات مس و نیکل ان و در پوششهای غیر مرسوم بقیه فلزات و پلاستیک‌ها به عنوان پوشش براشون استفاده میشه. آهنرباهای نئودیمیوم-آهن- بور در دمای اتاق ماندگاری خاصیت مغناطیسی بسیار خوبی دارن ولی با افزایش دما به بالای 100 درجه سلسیوس ماندگاری اونها به سرعت شروع به کاهش میکنه تا اینکه به نقطه از دست رفتن تمام خاصیت مغناطیسی در 320 درجه سلسیوس میرسن. مهمترین عامل در قدرت مغناطیسی بسیار بالای آهنربای نئودیمیوم، ناهمسانگردی مغناطیسی بسیار بالای ساختار کریستالی تتراگونال اونهاست. این رفتار به این معنیه که کریستال در یک جهت خاص محور کریستالی به راحتی مغناطیسه میشه ولی در سایر جهات مغناطیسه شدن اون بسیار دشواره.
با کمک متالورژی پودر و ریختهگری کلاسیک آهنرباهای متخلخل با مواد اولیه در کوره ذوب شده ، و در قالب ریخته میشه. پس از سرد شدن، شمش ها پودر و آسیاب شده سپس پودر به بلوک های متراکم متخلخل تبدیل میشن. بعد از اون بلوک ها تحت عملیات حرارتی قرار می گیرند ، به شکل موردنظر برش داده می شوند و سطح اونها مغناطیسی میشه.
آهنرباهای نئودیمیوم جایگزین آهنرباهای آلنیکو و فریت در فناوری مدرن شدن که در اون به آهنرباهای دائمی قوی نیازه. از کاربرد اونها میشه به سخت افزار دیسک های سخت رایانه، سیگار الکترونیکی ، طیف سنجNMR ، موتورهای برقی، موتورها لیفتینگ و کمپرسور ها اشاره کرد.
در اپیزود آخر فصل اول پادکست وولکانو با موضوع آهنربا ها همراه ما بودید. امیدوارم در این مدت تلاش من و همکارانم رو دوست داشته باشید و ما تونسته باشیم به هدف خودمون که معرفی موضوعات علمی جذاب بود برسیم. امیدوارم دلتون برامون تنگ بشه و مطمئن باشید در آینده اگر فرصتی بود دوباره مهمون شما خواهیم شد. تشکر از همه کسایی که کمکمون کردن ولی صداشون اینجا شنیده نشد و ممنون از شما که به ما گوش دادید ... روزگار خوش ...
