چگونگی شناخت آهن‌ربا Magnet در 13 گام و شناخت ساختار آن با الکترومارکت

آهن‌ربا چیست؟
آهنربا چه کاربردی دارد؟
چگونه یک آهن‌ربا را انتخاب کنیم؟
آهن‌ربای دائمی چیست؟
تاریخچه آهنربا چیست؟
انواع آهنربا
کاربرد آهنربا در زندگی
آهنربا نئودیمیوم
ساخت آهنربا

من یوسف رجبی در ابن مقاله جواب سؤالات بالا را می‌دهم.

در پروسه پیشرفت فنّاوری و انرژی‌های نو با توجه به سؤالات فراوان دوستان لازم دیدم این مقاله را ارائه نمایم.

این مقاله یک تحقیق جامع در مورد آهن ربا است

آهن‌ربا چیست؟

گام اول

آهن‌ربا یا مگنت به جسمی گفته می‌شود که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و بعضی از فلزات مثل آهن را به خود جذب می‌کند.

هر آهن‌ربا دو قسمت متمایز به نام «قطب» دارد که در آن‌ها شدت میدان مغناطیسی آهن‌ربا بیشتر از قسمت‌های دیگر آن است.

یکی از این قطب‌ها «قطب شمال» (یا «قطب شمال یاب») و قطب دیگر «قطب جنوب» (یا «قطب جنوب‌یاب») نامیده می‌شود.

دو قطب همنام یکدیگر را دفع و دو قطب غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.

آهن‌رباها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:

آهن‌رباهای الکتریکی:

برای ایجاد میدان مغناطیسی مستلزم جریان الکتریکی خارجی هستند.

آهن‌رباهای دائمی:

برای ایجاد میدان مغناطیسی نیازی به توان خارجی ندارند.

در این مقاله منظور از آهنربا آهن‌ربای دائمی است.

برای ساختن یک آهن‌ربای دائمی، موادی مثل آهن، نیکل و کبالت باید در معرض میدان‌های مغناطیسی قرار گیرند تا خاصیت مغناطیسی پیدا کنند.

آهن‌ربا های دائمی دارای دو ویژگی دارند که در کاربردهای آن‌ها نقشی اساسی دارند:

پسماند:

وقتی‌که جسمی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار داده می‌شود تا به آهنربا تبدیل شود، پس از بین بردن میدان خارجی، کمی از حالت مغناطیس خود را حفظ می‌کند.

این مغناطیس باقیمانده در جسم، پسماند یا (پسماند مغناطیسی) نامیده می‌شود.

هرچه قدر پسماند بیشتر باشد آهن‌ربا قوی‌تر است.

وادارندگی آهن‌ربا:

آهنربا برای اینکه خاصیت مغناطیسیش را از دست بدهد باید در معرض میدان مغناطیسی با جهت مخالف قرار داده شود.

میدان مغناطیسی موردنیاز برای این کار وادارندگی نام دارد.

هرچه وادارندگی بیشتر باشد آهن‌ربا دائمی‌تر است.

در کاربردهای گوناگون آهن‌رباها، مقادیر مختلفی از پسماند و وادارندگی موردنیاز می‌باشد.

امروزه، آهن‌رباهای دائمی کاربردهای گسترده‌ای در:

• موتورهای الکتریکی
• ژنراتورهای برق
• بلندگوها،
• میکروفون‌ها،
• حافظه‌های ذخیره اطلاعات و غیره .. دارند.

تاریخچه آهن‌ربا

گام دوم

بشر از قرن‌ها پیش از میلاد مسیح آهن‌ربای طبیعی را کشف کرد.

آهن‌ربای طبیعی به یکی از اکسیدهای آهن (Fe3O4) به نام مگنتیت (Magnetite) گفته می‌شود که در برخی از معادن آهن یافت می‌شود.

در زمان‌های قدیم این ماده معدنی در ناحیه‌ای به نام مگنزیا (Magnesia) استخراج شد و کلمه مگنت به معنی آهن‌ربا نیز برگرفته از نام همین ناحیه است.

در بعضی از منابع عنوان‌شده که مگنزیا نام منطقه‌ای در استان تسالی در یونان می‌باشد و در بعضی دیگر محل آن را در آسیای صغیر در استان مانیسا در ترکیه کنونی دانسته‌اند.

یونانیان حداقل از ۶۰۰ سال پیش از میلاد مسیح که تالس ملطی در نوشته‌های خود به این ماده معدنی اشاره‌کرده، آن را کشف کرده‌اند.

اولین کاربرد آهن‌ربا استفاده از آن در قطب‌نما بود.

چینی‌ها از قرن دهم و اروپاییان از قرن دوازدهم میلادی شروع به استفاده از قطب‌نما کردند.

بعدها این ماده معدنی یا کانی را سنگ لودستون (Lodestone) یا سنگ راهنما نامیدند که به استفاده از آن در قطب‌نما برای جهت‌یابی اشاره دارد.

در آن دوران انسان هیچ اطلاعاتی در مورداستفاده از قطب‌نما و خواص مغناطیسی آهن‌ربا نداشت و این مقوله آمیخته‌ای از خرافات بود.

تلاش‌ برای تشخیص خرافات از واقعیت در رابطه با آهن‌ربا

اولین بار توسط شخصی به نام پیتر پِرِگرینوس (Peter Peregrinus) در قرون‌وسطی در ایتالیا انجام گرفت.

پرگرینوس در ارتش پادشاه سیسیل خدمت می‌کرد و از قرار معلوم یک مهندس نظامی بود.

او در پژوهش‌هایش بر روی آهنربا برای اولین بار از روش مشاهده و آزمایش استفاده کرد.

پرگرینوس اولین کسی بود که به وجود دو قطب متمایز در آهن‌ربا پی برد و برای اشاره به آن‌ها از واژه قطب (polus) استفاده نمود.

او با استفاده از قطعه‌های شناور سنگ لودستون، آزمایش‌های ساده‌ای را انجام داد و دریافت که بخش باریکی از این سنگ همیشه در جهت خاصی قرار می‌گیرد و دو قطب همنام یکدیگر را دفع و دو قطب غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.

مالیدن آهن به کانی لودستون نیز موجب می‌شود تا خود آهن هم به آهن‌ربا تبدیل ‌شود.

تمام اطلاعاتی که درباره آهن‌ربا به دست آورده بود را همراه با نتیجه تحقیقاتش در سال ۱۲۶۹ منتشر نمود.

قطب‌نما و آهن‌ربا

گام سوم

استفاده از قطب‌نما در طی سه قرن بعد همچنان ادامه یافت، اما هیچ‌گونه پیشرفت علمی خاصی حاصل نشد.

پس‌ازآن، پزشک و فیزیک‌دان انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت (۱۵۴۴–۱۶۰۳) گام مهمی در این زمینه برداشت.

او اولین کسی بود که  آهن‌ربا و مغناطیس را ازنظر علمی موردبررسی قرارداد و اعتقادات خرافی پیرامون آن را از بین برد.

گیلبرت در سال ۱۶۰۰ میلادی کتاب معروف خود به نام درباره آهن‌ربا، اجسام آهن‌ربایی و زمین به‌مثابه آهن‌ربای بزرگ (De magnete, magneticisque Corporibus, et de magno magnete tellure) را به زبان لاتین چاپ کرد و در آن نتایج تحقیقات خود را بیان نمود.

او ویژگی‌های نیروهای جاذبه الکتریکی و مغناطیسی را موردبررسی قرارداد و تفاوت بین الکتریسیته و مغناطیس را نشان داد.

او پی برد که  با نصف کردن آهن‌ربا ، مجدداً دو قطب تازه ایجاد می‌شود.

اما مهم‌ترین کشف او این بود که  خود زمین هم یک آهن‌ربای بزرگ است.

با این کشف او روشن شد که چرا سوزن قطب‌نما همیشه در یک‌جهت خاص قرار می‌گیرد و یا چرا هنگامی‌که به‌صورت آویزان قرار داده می‌شود، یکسر آن به سمت زمین گرایش پیدا می‌کند.

تا زمان گیلبرت قوی‌ترین آهن‌ربا همان چیزی بود کانی لودستون نام داشت.

گیلبرت متوجه شد که با قرار دادن براده‌های نرم‌آهن روی لودستون، می‌توان قدرت مغناطیسی آن را افزایش داد.

او کلاهک‌های آهنی را در دو سر قطعه‌های لودستون قرارداد و به قول خودش یک آهن‌ربای مسلح ساخت که در آن زمان قوی‌ترین آهن‌ربا بود.

گیلبرت در کتاب خود سه روش شناخته‌شده برای تبدیل فولاد به آهن‌ربا را توضیح داد:

1. مالش فولاد به سنگ لودستون.
2. گداختن یک میله فولادی و چکش‌کاری آن درحالی‌که در راستای شمال -جنوب (جهت میدان مغناطیسی زمین) قرار دارد.
3. قرار دادن یک قطعه از فولاد گداخته در جهت میدان مغناطیسی زمین و رها کردن آن تا زمان سرد شدن آن.

او همچنین دریافت که برخی از میله‌های فولادی‌ مثل میله‌های پنجره‌ که برای مدت طولانی مثلاً بیست یا سی سال در راستای میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند، به‌راحتی و  بدون نیاز به گداختن به آهن‌ربا تبدیل می‌شوند.

حدوداً تا دو قرن بعد، از همین روش‌ها به‌عنوان روش‌های اصلی ساخت آهن‌ربا استفاده می‌شد.

گیلبرت نمی‌توانست بادانش و فناوری آن دوران پیش‌تر برود؛ ولی توانست راه را برای دانشمندان آینده باز کند.

در طی دو قرن بعد، تحقیقات بیشتری بر روی الکتریسیته و مغناطیس انجام گرفت و پیشرفت‌های بیشتری حاصل شد.

بررسی های کولن در قرن هجدهم میلادی

گام چهارم

در قرن هجدهم میلادی، یک فیزیک‌دان فرانسوی به نام کولن واکنش بین دو آهن‌ربای باریک و بلند را موردبررسی قرارداد.

نیروی دافعه و جاذبه بین قطب‌های همنام و غیرهمنام را با استفاده از ترازوی پیچشی به لحاظ کمّی اندازه‌گیری نمود.

او یک مقدار مغناطیسی یا قطب مغناطیسی را برای هر قطب آهن‌ربا تعیین کرد و مشاهده کرد که نیروی بین آن‌ها با حاصل‌ضرب مقادیر مغناطیسی نسبت مستقیمی دارد ، اما با مجذور فاصله آن‌ها از یکدیگر نسبت عکس دارد.

این رابطه همانند رابطه نیروی الکتروستاتیکی بین بارهای الکتریکی است.

اما کولن مشاهده کرد که، قطب‌های مغناطیسی برخلاف بارهای الکتریکی قابل جداسازی نیستند و علاوه بر آن دو قطب یک آهن‌ربا همیشه دارای مقدار مغناطیسی برابری هستند.

او با این مشاهده فرض کرد که دو قطب مغناطیسی در بخش اصلی سازنده ی آهن‌ربا از یکدیگر تفکیک‌ناپذیرند.

به‌عبارت‌دیگر، او اذعان داشت که هر ذره کوچک از یک ماده (اتم، مولکول یا گروه کوچکی از اتم‌ها یا مولکول‌ها) آهن‌ربای کوچکی است که دارای دو قطب در دو سرخود هست.

این گام مهمی برای توسعه نظریه مواد مغناطیسی در آینده بود.

در قرن نوزدهم بررسی‌های بیشتری بر روی رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس انجام گرفت.

اما این مایکل فارادی بود که گام‌های اساسی را در این دوران برداشت.

او با استفاده از نتایج تحقیقات دانشمندانی مانند آمپر و اورستد، درزمینهٔ الکتریسیته و مغناطیس به پژوهش پرداخت.

فارادی در سال ۱۸۲۱ کشف کرد که الکتریسیته می‌تواند موجب حرکت فیزیکی آهن‌ربا شود.
این پدیده‌ای است که مبنای کار موتورهای الکتریکی است.

مایکل فارادی شخصیت محبوب من است کلا خیلی دوسش دارم.

از این لینک که در مورد مایکل فارادی به صورت کامل مطالعه کنید.

او همچنین در ۱۸۳۱ میلادی مشاهده کرد که حرکت فیزیکی آهن‌رباها می‌تواند موجب تولید جریان الکتریسیته شود و این پدیده نیز مبنای کار ژنراتورهای برق است.

فارادی بررسی‌های بیشتری بر روی آهن‌ربا و مغناطیس انجام داد.

فارادی در سال ۱۸۴۵ مواد را به دو گروه طبقه‌بندی کرد:

گام پنجم

مواد پارامغناطیس

که به‌صورت طبیعی دارای خاصیت مغناطیسی هستند و در میدان مغناطیسی جذب می‌شوند.

مواد دیامغناطیس

که میدان مغناطیسی قادر نیست در آن‌ها نفوذ کند و هر دو قطب آهن‌ربا آن‌ها را دفع می‌کنند.

تا اواخر قرن نوزدهم تمام عناصر شناخته‌شده تا آن زمان و بسیاری از ترکیبات آن‌ها موردبررسی قرار گرفتند و روشن شد که بیشتر آن‌ها از نوع دیامغناطیس هستند؛ و فقط سه عنصر آهن، نیکل و کبالت و برخی از ترکیبات آن‌ها فرو مغناطیس می‌باشند.

یعنی آن‌ها پس از دور کردن میدان مغناطیسی، بازهم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و به آهن‌ربای دائمی تبدیل می‌شوند.

تا آن زمان، پیشرفت‌هایی درزمینهٔ ساخت و تولید آهن‌ربا حاصل‌شده بود.

فیزیک‌دان انگلیسی به نام گوین نایت

گام ششم

در دهه ۱۷۷۰ ، فیزیک‌دان انگلیسی به نام گوین نایت (Gowin Knight) یک آهن‌ربای ترکیبی ساخت و روانه بازار کرد.

برای این کار پودر اکسید آهن و آب را مخلوط کرد و سپس به آن روغن بَزرَک اضافه نمود.

پس‌ازآن، مخلوط به‌دست‌آمده را قالب‌گیری کرد و در کوره قرارداد تا بپزد.

سپس، آن را در معرض میدان مغناطیسی قرارداد و آهن‌ربایی درست کرد که در آن زمان یک آهن‌ربای قوی‌ محسوب می‌شد.

این آهن‌ربا موجب افزایش دقت قطب‌نماها شد.

حدود یک قرن بعد، با پیشرفت‌های حاصله در صنعت فولاد آهن‌رباهای قوی‌تری ساخته شدند.

در دهه ۱۸۸۰، با مغناطیده کردن فولادِ آلیاژ شده با تنگستن و کروم آهن‌رباهایی تولید شد که دارای خاصیت آهن‌ربایی‌ برابر با ۲٫۴ کیلوژول بر مترمکعب بودند که در مقایسه با آن، توان آهن‌ربایی کانی لودستون حدود ۱ کیلوژول بر مترمکعب بود.

قیمت آهن‌رباها نیز به دلیل تولید انبوه فولاد کاهش یافت و در ۱۸۸۶ شرکت وستینگ هاوس الکتریک (Westing House Electric) با استفاده از آهن‌ربا در ژنراتورهای برق توانست نخستین نیروگاه برق تاریخ را تأسیس کند. اما با دانش آن زمان، بازهم توصیف دقیق مکانیسم آهن‌ربا و میدان مغناطیسی ممکن نبود.

کشف ساختار اتم و روشن شدن خاصیت مغناطیسی مواد وآهنربا

در اوایل قرن بیستم با کشف ساختار اتم، روشن شد که خاصیت مغناطیسی مواد از چرخش الکترون به دور خود یا اسپین الکترون ناشی می‌شود که میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد.

فیزیک‌دان فرانسوی به نام پی‌یر ارنست وایس محقق در زمینه ی آهنربا

گام هفتم

در ۱۹۰۷ یک فیزیک‌دان فرانسوی به نام پی‌یر ارنست وایس (Pierre-Ernest Weiss) فرضیه‌ای را ارائه کرد که نشان می‌داد مواد فرو مغناطیسی از قسمت‌ های بسیار کوچکی به نام حوزه‌های مغناطیسی تشکیل یافته‌اند که در هر یک از این حوزه‌ها همه الکترون‌ ها در یک‌جهت قرار دارند.

به‌طورمعمول هر حوزه دارای جهت‌گیری مختص خودش است و بنابراین برآیند کل میدان‌های این حوزه‌ها در ماده صفر است.

اما زمانی که این حوزه‌ها براثر یک میدان مغناطیسی خارجی در یک‌جهت قرار می‌گیرند، آن جسم نیز خاصیت آهن‌ربایی پیدا می‌کند.

در سال ۱۹۳۱ وجود این حوزه‌ها از طریق آزمایش‌ها به تأیید رسید.

دانش نظری مغناطیس

گام هشتم

با توجه به پیشرفت دانش نظری مغناطیس در قرن بیستم، پیشرفت‌های بزرگی درزمینهٔ ساخت آهن‌رباها حاصل شد.

در سال ۱۹۱۷، فیزیک‌دان ژاپنی به نام کوتارو هوندا (Kotaro Honda) و همکارانش متوجه شدند که افزودن کبالت به آلیاژ تنگستن کرومِ فولاد، خاصیت آهن‌ربایی را به‌طور زیادی افزایش می‌دهد.

آن‌ها توانستند آهن‌ربایی با قدرت ۷٫۶ بسازند. در سال ۱۹۳۰ یک ائتلاف از چند شرکت انگلیسی ، تولید انبوه این آهن‌ربا را آغاز کرد.

در همان سال، یک کشف جدید تحولی را در مسیر تحقیقات آهن‌رباها به وجود آورد.

آلیاژی از جنس نیکل آلومینیوم و آهن (Ni-Al-Fe) تولید شد که دارای قدرت آهن‌ربایی ۱۰ بود. افزودن عناصری مثل مس، کبالت، تیتانیم و نیوبیم به ترکیب Ni-Al-Fe، خانواده جدیدی از آهن‌رباها را به وجود آورد که آهن‌رباهای «آلنیکو» نامیده شدند.

رفته‌رفته با تغییر ترکیب آلیاژهای این خانواده و همچنین استفاده از فرایندهای جدید متالورژی، قدرت آهن‌ربایی آلنیکوها به ۱۰۳ رسید.

امکان جایگزین کردن آهن‌رباهای الکتریکی با آهن‌رباهای دائمی برای اولین بار با کشف آهن‌ربا های آلنیکو فراهم گردید.

این امر منجر به ظهور نسل جدید ژنراتورها و موتورهای الکتریکی شد.

در دهه ۱۹۵۰، آهن‌رباهای فریت یا سرامیکی توسط شرکت فیلیپس تولید شدند.

این آهن‌رباها سرامیک‌ هایی هستند که از ترکیب اکسید آهن با فلزهای دو ظرفیتی مثل باریم، سرب یا استرانسیم ساخته می‌شوند.

قدرت آهن‌ربایی آن‌ها کمتر از آلنیکوها است اما دارای قیمت تمام‌شده پایین‌تری هستند و در سطحی گسترده‌ای به کار گرفته می‌شوند.

اما در دهه 1960 پیشرفت چشمگیری در این زمینه حاصل شد.

گام نهم

در این دهه خانواده دیگری از آهن‌رباها به نام آهن‌رباهای خاکی کمیاب کشف شد.

این آهن‌رباها همان‌طور که از نامشان می‌توان فهمید از ترکیبات عناصر خاکی کمیابی ساخته می‌شوند. آن‌ها دارای قدرت بسیار بالایی هستند.

اولین آهن‌ربای این خانواده از ترکیبی از ساماریم و کبالت با فرمول SmCo5 ساخته‌شده بود که قدرت آن معادل ۶۴ بود که با انجام تحقیقات بیشتر قدرت آن‌ها به ۱۵۸ رسید.

نسل بعدی این آهن‌رباها به‌صورت ترکیب Sm2Co17 ساخته شدند که استفاده از فرایندهای متالورژی خاص و همچنین افزودن عناصری مثل وانادیم، تانتال، زیرکونیم و نیوبیم به این ترکیب، آهن‌رباهایی باقدرت ۲۳۸ را حاصل کرد.

در سال ۱۹۸۳ آهن‌رباهای نئودیمیم آهن بور کشف شدند که نسل سوم آهن‌رباهای عناصر خاکی کمیاب می‌باشند.

این خانواده آهن‌رباهای نئودیمیم نیز نامیده می‌شوند.

یک محقق ژاپنی به نام ماساتو ساگاوا (Masato Sagawa) با کشف ترکیب Nd15Fe77B8 توانست آهن‌ربایی باقدرت ۲۹۰ بسازد.

تحقیقات بیشتر نشان دادند که حداکثر قدرت آهن‌رباهای نئودیمیم در ترکیب Nd2Fe14B به دست می‌آید. طبق محاسبات ساگاوا در سال ۱۹۸۵، حداکثر قدرت این ترکیب به لحاظ نظری برابر با ۵۱۲ است. تا سال ۲۰۰۰، همچنین آهن‌رباهایی با قدرت ۴۷۴ ساخته شد که حدوداً ۹۳٪ حد نظری آن بود.

آهن‌رباهای نئودیمیم در برابر خوردگی و حرارت کارایی پایینی دارند و در حال حاضر نیز تحقیقات زیادی در این زمینه برای بهبود کیفیت آن‌ها در دست انجام است.

هم‌اکنون حجم زیادی از آهن‌رباهای این خانواده با قدرت ۴۰۰ تولید می‌شوند.

در دهه ۱۹۹۰ نیز آهن‌ربای جدیدی با ترکیب ساماریم آهن نیتروژن (Sm-Fe-N) در دانشگاه دوبلین در ایرلند کشف شد.

این آهن‌ رباها مقاومت حرارتی بالایی دارند و حداکثر قدرت آهن‌ربایی آن‌ها تا ۴۰۰ می‌باشد.

اما آهن‌رباهای نئودیمیم ازلحاظ آهن‌ربایی همچنان بالاترین رتبه رادارند.

در قرن بیستم همان‌طور که مشاهده شد قدرت آهن‌ربایی تقریباً در هر دوازده سال دو برابر شده است.

اما با وجود اینکه تنها تعداد اندکی از ترکیبات سه‌گانه یا چهارگانه موردبررسی قرارگرفته‌اند، از اواخر سال ۲۰۰۰ تحقیقات در این زمینه کاهش‌یافته و پیشرفت قابل‌توجهی رخ نداده است.

مبانی نظری در رابطه با آهنربا:

گام دهم

طبقه‌بندی مواد ازلحاظ رفتار مغناطیسی

ما باید برای درک نحوه کار آهن‌ربا با خاصیت مغناطیسی مواد آشنا شدیم.

خواهیم دید که تنها مواد فرو مغناطیسی و فری مغناطیسی می‌توانند به آهن‌ربای دائمی تبدیل شوند.

رفتار مغناطیسی مواد با توجه به ساختار اتم توصیف می‌شوند.

لازم به ذکر است که حرکت بار الکتریکی، میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد.

کوچک‌ترین واحد بار مغناطیسی الکترون نامیده می‌شود و حرکت آن درون اتم باعث به وجود آمدن میدان مغناطیسی می‌شود.

الکترون دارای دو نوع حرکت در اطراف هسته‌اتم می‌باشد:

1. چرخش الکترون به دور خود که اسپین الکترون نامیده می‌شود.

2. گردش الکترون به دور هسته که حرکت اوربیتالی نامیده می‌شود.

این دو حرکت موجب ایجاد گشتاور مغناطیسی می‌شوند.

اگر گشتاور مغناطیسی تمام الکترون‌ها در یک راستا بود ،تمام مواد مغناطیسی می‌شدند؛ ولی عملاً این‌چنین نیست و دو دلیل برای آن وجود دارد:

1. بر اساس اصل طرد پاولی در رابطه با اسپین الکترون‌ها، دو الکترون با اسپین‌های مشابه نمی‌توانند در یک اوربیتال قرار بگیرند.
یعنی گشتاورهای مغناطیسی دو الکترون در یک اوربیتال باید در جهت مخالف یکدیگر باشند (یکی به‌طرف بالا و دیگری به‌طرف پایین) و بدین دلیل است که گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی می‌کنند.

2. در رابطه با حرکت اوربیتالی الکترون‌ها، گشتاورهای مغناطیسی در یک‌ لایه الکترونی که مملو از الکترون‌ هستند، یکدیگر را خنثی می‌کنند.
لایه‌های الکترونی در اکثر عناصر پر هستند و بنابراین برآیند گشتاور مغناطیسی اتم‌های آن‌ها صفر می‌باشد.

اما در عناصری که لایه‌های الکترونی آن‌ها پر نیست، مثل بعضی عناصر فلزات واسطه یا سری‌ لانتانیدها و اکتینیدها، برآیند گشتاور مغناطیسی صفر نیست؛ بنابراین هر اتم از این عناصر یک گشتاور مغناطیسی دائمی ایجاد می‌کند و مثل یک دوقطبی مغناطیسی رفتار می‌کند.

هنگامی‌که یک عنصر یا ماده مرکب در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، نتیجه نهایی این کار به نحوه واکنش دوقطبی‌های مغناطیسی به میدان اعمال‌ شده بستگی دارد.

به‌این‌ترتیب مواد را به شش دسته طبقه‌بندی می‌کنیم:

گام یازدهم

۱_مواد دیا مغناطیسی:

هنگامی‌که این مواد در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، جهت‌گیری الکترون‌ها به‌گونه‌ای است که جهت گشتاور مغناطیسی‌ آن‌ها مخالف جهت میدان خارجی می‌باشد.

هر دو قطب آهن‌ربا مواد دیا مغناطیسی را دفع می‌کنند.

موادی مانند مس، نقره، طلا، سیلیسیم و آلومینا (Al2O3) ازجمله مواد دیامغناطیسی هستند.

۲_مواد پارامغناطیسی:

موادی که دارای الکترون‌های جفت نشده هستند دارای این ویژگی می‌باشند.

با اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی به این مواد، گشتاور مغناطیسی الکترون‌های جفت نشده در راستای میدان قرار می‌گیرد و آن را تقویت می‌کند.

درنتیجه:
این مواد در میدان مغناطیسی جذب می‌شوند.
البته همسو کردن تمام دوقطبی‌ها مستلزم میدان‌های بسیار بزرگی است که با حذف میدان خارجی، میدان القاشده در مواد پارامغناطیس از بین می‌رود.

آلومینیم، تیتانیم و برخی آلیاژهای مس چند نمونه از مواد پارامغناطیسی هستند.

۳_مواد فرو مغناطیسی:

در این مواد هم‌الکترون‌های جفت نشده‌ای وجود دارد که موجب ایجاد گشتاور مغناطیسی می‌شوند.

گشتاورهای مغناطیسی این مواد به‌خودی‌ خود تمایل به همسو شدن با یکدیگر دارند.

اما این فقط در دمای صفر مطلق اتفاق می‌افتد زیرا جنبش ذرات ماده در دمای بالاتر از آن به دلیل افزایش دما موجب اختلال در آرایش مغناطیسی دوقطبی‌ها می‌شود.

گشتاورها با قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی خارجی، در راستای میدان خارجی قرار می‌گیرند و میدان را تقویت می‌کنند.

پس از حذف میدان خارجی بازهم گشتاورهای مغناطیسی در همان جهت قرار می‌گیرند و جسم به آهن‌ربای دائمی تبدیل می‌شود.

فقط سه عنصر آهن، نیکل و کبالت و برخی از ترکیبات آن‌ها و همچنین برخی از ترکیبات عناصر خاکی کمیاب فرو مغناطیسی هستند.

۴_مواد آنتی‌فرومغناطیسی:

در این نوع مواد، جهت‌گیری گشتاور مغناطیسی اتم‌ها یا یون‌های مجاور به‌گونه‌ای است که همدیگر را خنثی می‌کنند و مغناطش خالص ماده، صفر می‌شود.

زمانی که این مواد در معرض میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند، گشتاورهایی که در راستای میدان قرار دارند تا حدودی تقویت می‌شوند و ماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی پیدا می‌کند.

منگنز، کروم، و منگنز اکسید (MnO) ازجمله این مواد هستند.

۵_مواد فری مغناطیسی:

در این مواد هم جهت‌گیری گشتاورهای مغناطیسی اتم‌ها یا یون‌های مجاور برخلاف جهت یکدیگر است اما به دلیل اینکه اندازه برابری ندارند، همه گشتاورها خنثی نمی‌شوند.

این گشتاورها با قرار گرفتن در معرض یک میدان خارجی در یک راستا قرار می‌گیرند و میدان را تقویت می‌کنند.

فری مغناطیس‌ها پس از حذف میدان خارجی همچنان خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کنند و به آهن‌ربای دائمی تبدیل می‌شوند.

کانی مگنتت (اکسید آهن Fe3O4) یک نمونه از این مواد می‌باشد.

۶_مواد ابر پارامغناطیسی:

از نوع مواد فرو مغناطیسی یا فری مغناطیسی‌ هستند که اندازه ذرات تشکیل‌دهنده آن‌ها از حد بحرانی معین کوچک‌تر است.

دوقطبی‌های مغناطیسی در این اندازه‌های کوچک، تحت تأثیر جنبش ذرات ناشی از انرژی گرمایی ماده قرار می‌گیرند و جهت خود را به‌طور تصادفی تغییر می‌دهند.

در این صورت حالت ماده به‌گونه‌ای است که به نظر می‌رسد مغناطیس خالص آن صفر باشد.

ذرات اکسید (Fe3O4)  با اندازه ۲ تا ۳ نانومتر یک نمونه از یک ماده ابر پارامغناطیس می‌باشد.

با توجه به موارد فوق، تنها مواد فرو مغناطیسی و فری مغناطیسی می‌توانند به آهن‌ربای دائمی تبدیل شوند.

حوزه‌های مغناطیسی و آهن‌رباهای دائمی

مواد فرو مغناطیسی یا فری مغناطیسی تا زمانی که در معرض میدان مغناطیسی قرار نگیرند، خاصیت مغناطیسی پیدا نمی‌کنند.

دلیل آن این است که در این مواد نواحی بسیار کوچکی به نام حوزه‌های مغناطیسی (Magnetic domains) به‌طور خود به‌ خود تشکیل می‌شوند.

این حوزه‌ها نواحی کوچکی در ماده هستند که در آن‌ها همه گشتاورهای مغناطیسی در یک‌جهت قرار می‌گیرند.

اما تا قبل از آن‌که ماده در میدان مغناطیسی قرار بگیرد، حوزه‌ها به‌صورت تصادفی جهت‌گیری می‌کنند و این امر باعث خنثی شدن اثر آن‌ها می‌شود و مغناطیس خالص ماده صفر می‌گردد.

این امر موجب به حداقل رسیدن انرژی مغناطیسی کل ماده می‌شود.

نواحی واسطه‌ای به نام دیواره‌های بلوخ (Bloch Walls) این حوزه‌ها را از هم جدا می‌کند.

در این دیواره‌ ها جهت گشتاور مغناطیسی رفته‌رفته و به‌طور مداوم از یک حوزه به حوزه دیگر تغییر می‌کند.
اندازه حوزه‌ها حدود ۰٫۰۰۵ سانتی‌متر و ضخامت دیواره‌ها در حدود ۱۰۰ نانومتر می‌باشد.

حوزه‌هایی که با میدان مغناطیسی همسو هستند می‌توانند با اعمال میدان به ماده به‌تدریج حوزه‌های ناهم‌سو را جذب و گسترش ‌یابند.

دیواره‌ها  باید برای گسترش حوزه‌ها حرکت کنند تا انرژی موردنیاز آن‌ها توسط میدان مغناطیسی تأمین ‌شود.

در ابتدا، گسترش حوزه‌ها به‌سختی انجام می‌شود و میدان مغناطیسی باید برای ایجاد یک مغناطش کوچک به مقدار تقریباً زیادی افزایش یابد.

با افزایش شدت میدان، حوزه‌های همسو سریع‌تر گسترش می‌یابند.

درنهایت حوزه‌های ناهم‌سو از بین می‌روند و با میدان همسو می‌شوند.

در این حالت ماده در مغناطیس اشباع قرار می‌گیرد که از همسو شدن همه حوزه‌ها با میدان مغناطیسی ناشی می‌شود و بیشترین مغناطشی است که ماده می‌تواند به آن برسد.

با حذف میدان مغناطیسی، مقاومت اعمال‌شده از طرف دیواره‌ها از تغییر جهت مجدد حوزه‌ها جلوگیری می‌کند.

درنتیجه، بسیاری از حوزه‌ها تقریباً در راستای میدان اصلی قرار می‌گیرند و ماده به آهن‌ربای دائمی تبدیل می‌شود.

فرمول‌ها و واحدهای مرتبط با آهن‌ربا:

ما برای تعریف ریاضی میدان مغناطیسی، یک سیم‌پیچ به طول l و n دور را در نظر می‌گیریم.

اگر جریان الکتریکی I از این سیم‌پیچ عبور کند، میدان مغناطیسی H ایجاد می‌شود که رابطه آن ازاین‌قرار است:

واحد میدان مغناطیسی در دستگاه بین‌المللی یکاها سیستم SI آمپر. دور بر متر یا A تقسیم بر M است.

برای میدان مغناطیسی به‌طورمعمول از واحد اورستد (Oe) هم استفاده می‌شود.

رابطه بین این دو واحد ازاین‌قرار است:

ایجاد یک میدان مغناطیسی، خطوط شار مغناطیسی را در اطراف آن ایجاد می‌کند.

تعداد خطوط شار مغناطیسی نشان‌دهنده چگالی شار مغناطیسی (Magnetic Flux Density) یا القایی (Inductance) است که با علامت B نشان داده می‌شود.

واحد چگالی شار مغناطیسی در دستگاه بین‌المللی یکاها وبر بر مترمربع  است که آن را تسلا (T) نامیده می‌شود.

برای این مقدار به‌طورمعمول از واحد گاوس(G) هم استفاده می‌شود.