Fenomenul magnetismului părea așa de miraculos încât Thales din Milet credea că magnetul are suflet în el; alţii intuiau că este un secret al zeilor. Lucreţiu, însă, susţine că „magnetismul se explică prin aceleaşi cauze prin care se explică şi alte fenomene mai puţin miraculoase”.
Una dintre realizările importante ale fizicii atomice constă în stabilirea faptului că purtătorii elementari ai magnetismului sunt însăşi particulele elementare ale materiei; acestea dispun de un moment magnetic propriu de „spin”, precum şi de efecte magnetice datorate curenţilor microscopici produşi de mişcarea particulelor purtătoare de sarcină electrică.
Din acestea reiese şi universalitatea proprietăţilor magnetice ale materiei. Acceptând modelul planetar al atomului liber, distingem momentul magnetic al nucleului, momentul magnetic orbital al fiecărui electron al atomului, momentul magnetic de spin al electronului; suma vectorială a acestora la nivelul unui atom definește momentul magnetic al atomului.
În absența unui câmp magnetic exterior, pentru atomul liber al diferitelor specii (Z), distingem doua grupe de valori:
- µa = 0 – cazul materialelor diamagnetice precum Cu, Au, Zn
- µa ≠ 0 – la materialele paramagnetice ca Al, Mg, Ti precum si, cu mențiune specială, la Fe, Ni, Co, metale denumite feromagnetice.
Interacţiunea câmpului magnetic cu materia
La aplicarea asupra atomului a unui câmp magnetic exterior apar interacţiuni multiple ale acestui câmp magnetic cu momentele magnetice ale constituenţilor atomului, având ca efect, în principal, următoarele:
(a) apariţia unei mişcări de precesie a planului orbitei pe care evoluează electronul (precesia Larmour), a cărei efect electrodinamic constă în apariţia unui moment magnetic de sens contrar câmpului magnetic (exterior) care l-a produs: o plachetă de carbon pirolitic plasată pe polul unui magnet permanent, va pluti deasupra acestuia;
(b) reorientarea momentelor magnetice de spin ale unor electroni, în același sens cu polaritatea câmpului magnetic aplicat din exterior, ca efect fiind atracţia dintre cele două corpuri; (oxigenul are cea mai mare constantă paramagnetică dintre gazele din atmosferă, astfel că, în zona unui câmp magnetic creat de un magnet permanent, concentraţia de oxigen va fi ceva mai mare decât în zona mai îndepărtată).
Aceste fenomenologii sunt cuantificate în mărimea referitoare la material denumită permeabilitate magnetică, µ = B/H, unde B este inducţia magnetică a materialului, iar H este intensitatea câmpului magnetic aplicat.
Astfel, µ<1 este caracteristic materialelor diamagnetice, iar µ>1 este caracteristic materialelor paramagnetice. La un număr de câteva elemente metale paramagnetice, permeabilitatea magnetică are valori mult mai mari decât 1, µ >>>1, aşa cum se constată la Fe, Ni, Co. Mecanismul care stă la baza acestui comportament constă în unele particularităţi ale structurii solidului şi ale atomilor constitutivi.
Structuri magnetic ordonate
Atomii paramagnetici care se învecinează în structura solidă la o anumită distanță specifică fiecărui tip de atomi grupați, ajung la o stare de interacțiune de schimb, care determină o aranjare paralela a momentelor magnetice atomice, din aproape în aproape.
La valorile pozitive ale integralei interacţiunii de schimb, momentele magnetice ale atomilor limitrofi sunt paralele şi în acelaşi sens, ceea ce permite o însumare directă a mărimii câmpului magnetic astfel rezultat. Acesta este cazul materialelor tipic feromagnetice, Fe, Ni, Co, dar se regăseşte şi la câteva elemente din grupa lantanidelor, precum și la unele aliaje/compuși care conțin și astfel de elemente.
La valori negative ale integralei interacţiunii de schimb, momentele magnetice atomice păstrează poziţionarea paralelă, dar se orientează consecutiv în sens opus, astfel că ele fiind egale în valoare absolută, suma vectorială dă un moment magnetic nul; acesta este cazul corpului solid alcătuit din elemente ca Mn sau Cr, aceste corpuri fiind numite antiferomagnetice sau cu feromagnetism compensat.
Un caz particular este cel al solidelor alcătuite din două specii de atomi, fiecare cu moment magnetic atomic diferit de zero dar de mărimi diferite, într-o reţea cristalină având poziţii consecutiv alternative, cu momentele magnetice atomice aranjate paralel, dar în sensuri consecutive opuse. Pentru o astfel de aranjare, momentul magnetic însumat vectorial pentru doi atomi limitrofi şi de specii diferite va fi diferența mărimii momentelor magnetice ale celor doi atomi; este cazul materialelor numite ferimagnetice şi se întâlneşte la materialele tehnice denumite ferite sau magneți ceramici.
Un aranjament ordonat al momentelor magnetice atomice, extins pe un volum mai mare, implică o scădere a valorii entropiei de configuraţie, care duce la o creştere a energiei libere a sistemului, deci acesta devine mai instabil. „Natura” a soluționat această instabilitate prin divizare în volume mai mici de magnetizare ordonată spontan, denumite domenii de magnetizare spontană Weiss; în limitele lor de volum, acestea au în continuare o ordonare paralelă a momentelor magnetice atomice, şi implicit, însumarea acestora, cu o rezultantă moment magnetic a domeniului Weiss.
Întrucât un domeniu Weiss îşi poate modifica relativ uşor orientarea momentului magnetic sau a graniţelor sale, corpul macroscopic feromagnetic se subdivide în mai multe domenii Weiss, pentru că îşi auto-aranjează aleatoriu orientarea momentelor magnetice proprii, astfel încât suma vectorială a acestora, pe întregul solid macroscopic este nulă, adică nu vom constata linii de flux magnetic în afara limitelor sale geometrice.
Acesta este comportamentul tipic al unui solid din material feromagnetic, înainte de a aplica asupra sa un câmp magnetic exterior suficient de puternic. Schimbarea de orientare sau a limitelor unui domeniu de magnetizare spontană Weiss nu implică în niciun fel modificări ale poziţiei atomilor din reţeaua spaţială a atomilor constitutivi ai reţelei cristaline; de asemenea, structura/imaginea poziţionării domeniilor Weiss nu este identică cu imaginea structurii metalografice a materialului.
Curba histerezisului magnetic a unui material feromagnetic se trasează în coordonatele B–H.
Magneţii premanenți
Magnet permanent este acel corp solid care manifestă în afara limitei sale geometrice un câmp magnetic, permanent şi fără vreun aport energetic din exteriorul său, după ce în prealabil a fost supus magnetizării cu un câmp magnetic aplicat din exteriorul său.
Un magnet permanent, după magnetizarea la saturaţie, îşi defineşte starea sa funcţională ca magnet permanent într-un punct de pe această curbă din cadranul II; un punct P0, de coordonate inducţie magnetică B0 şi respectiv câmp magnetic H0, constituie punctul optim de funcţionare a MP dacă produsul B0 x H0 are valoarea maximă în raport cu alte puncte de pe această curbă.
Produsul B0 x H0 defineşte mărimea „energiei magnetice specifice” a unui material pentru magneţi permanenţi şi constituie principalul criteriu de evaluare a acestui material.
Principala caracteristică a unui material feromagnetic pentru a fi apt să fiinţeze/funcţioneze ca magnet permanent constă în unele particularităţi structurale ale materialului, care sunt capabile să frâneze/blocheze mobilitatea domeniilor Weiss de magnetizare spontană, după ce acest material a fost supus operaţiei tehnologice de magnetizare la saturaţie – aceste materiale sunt denumite materiale magnetic dure (MP), spre deosebire de acele materiale feromagnetice care nu au această capacitate de frânare a mobilităţii domeniilor Weiss, denumite materiale magnetic moi.
Îndepărtarea stării de magnetizare permanentă a unui magnet permanent poate fi realizată prin aplicarea unui câmp magnetic de joasă frecvenţă cu intensitate descrescătoare până la zero, sau prin încălzirea acestuia la o temperatură superioară, specifică materialului, denumită temperatura Curie. Aceasta temperatura la elementele metale feromagnetice este 771°C/Fe, 1036 °C/Co si 368 °C /Ni.
Temperatura la care funcţionează un MP afectează mărimea valorilor inducției magnetice produse, în sensul diminuării acesteia cu creşterea temperaturii, dar acestea revin la valoarea iniţială, dacă temperatura maximă atinsă nu depăşeşte aproximativ 1/3 din aceasta temperatura (în oC). Valoarea variaţiei reversibile, definită prin coeficientul de variaţie reversibilă a inducţiei magnetice cu temperatură, este de -0,02…-0,7 %/oC, funcţie de natura materialului MP.
Majoritatea materialelor folosite ca MP sunt combinaţii de elemente, în care cel puţin un element este feromagnetic. Există şi materiale MP din elemente neferomagnetice: aliaje pe bază de Mn-Al, Mn-Al-C, Mn-Bi; aceste aliaje demonstrează cât de importante sunt caracteristicile structurale ale reţelei cristaline, care în aceste combinaţii asigură ordonare de tip feromagnetic şi realizează un MP.
Alte materiale mai „exotice” pentru magneţii permanenţi: aliaje cu metale nobile Pt-Co, Pt-Fe (cu ~77%Platină), magneţi ESD – din pulberi monodomeniale alungite de Fe, compactizate; magneţi permanenţi „supraconductori” – în esenţă, este o bobină-solenoid, cu conductor electric în stare de supraconductibilitate în care s-a iniţiat un curent electric, dispozitiv cu care se realizează câmpuri magnetice foarte mari, MP cu pamanturi rare. Forma, dimensiunile geometrice şi materialul din care se realizează un MP pentru o aplicaţie dată rezultă în urma unor calcule de proiectare magnetică a respectivului MP.
De ce şi la ce sunt utili magneţii permanenţi
Magneţii permanenţi (MP) au azi o largă răspândire în foarte multe produse realizate în serie mare; observăm că aceştia îşi găsesc rostul în realitatea fenomenologică: „unde există oricare două din cele trei componente: sarcina electrică – mişcare – câmp magnetic, ele produc obligatoriu şi pe cel de al treilea”.
Exemple ca: „traductori mecano-electrici” / motoare electrice, generatoare electrice cu MP sau „traductori electroacustici cu MP” / difuzoare şi capsule microfonice, miniaturizări ale produselor, scăderea „presiunii” asupra mediului ecologic sunt câteva dintre utilizările MP.
Altele, mai puțin vizibile, sunt: refrigeratoare pe baza efectului magnetocaloric, lagăre fără frecare cu sustentaţie magnetică, tratarea unor combustibili fluizi în dispozitive cu MP, „dedurizarea apei” cu MP, separatoare magnetice pentru îmbogăţirea în substanţă utilă a unor minereuri, sortarea de deşeuri sau alte materiale în vrac, cuplaje mecanice, ambreiaje, amortizoare mecanice, recuperarea sub formă de energie electrică a energiei disipate prin vibraţii mecanice (chiar şi din mediile cu poluare fonica).
Magneții permanenți sunt omniprezenti, iar creșterea performanțelor funcționale ale acestora conduce la eficientizarea producerii și consumului de energie electrica. Aspectul economic major in care sunt implicati magneții permanenți justifică preocupările intense pentru creșterea performanțelor funcționale.
ICPE-CA, recunoscut ca lider național în cercetarea materialelor magnetice și aplicațiilor acestora, cu o activitate în acest domeniu de peste 50 ani, este în avangarda cercetărilor științifice din domeniul MP, abordând tematici ca: noi compuși/structuri materiale pe bază de pământuri rare pentru funcționarea magnetică la temperaturi mari; materiale nanocompozite cu texturare; materiale cu inducție magnetică de saturație mare etc.
Magneţii permanenţi şi efectele câmpului magnetic au fascinat adesea imaginaţia şi acţiunile unor „căutători” de noi realizări/aplicaţii de dispozitive cu MP, unele mai „exotice” decât altele: sisteme antigravitaţionale și de propulsie, efecte asupra viului pentru beneficii medicale şi multe altele, posibil să-și găsească rezolvarea într-un viitor apropiat.
