מגנט קבוע הוא חומר שיכול לשמור על מגנטיות במשך זמן רב. הוא עשוי בעיקר מחומרים מגנטיים מאוד כמו ברזל, קובלט, ניקל וסגסוגותיהם. העיקרון העובד של מגנטים קבועים מבוסס על התנהגותם של אלקטרונים במבנה האטומי ותכונותיהם של שדות מגנטיים. להלן ניתוח מפורט של עקרון העבודה והמנגנון של מגנטים קבועים:
1. עקרונות בסיסיים: תנועה וסיבוב אלקטרונים
בתוך אטום, אלקטרונים מסתובבים ומסתובבים סביב הגרעין, שתי התנועות המייצרות שדות מגנטיים זעירים.
סידור זוגות אלקטרונים: בחומרים שאינם מגנטיים, כיווני הסיבוב של האלקטרונים מסודרים באופן אקראי ומבטלים זה את זה, וכתוצאה מכך אין שום מגנטיות בסך הכל.
חומרים מגנטיים: בחומרים מגנטיים, אלקטרונים לא מותאמים מסתובבים באותו כיוון ויוצרים "רגעים מגנטיים". ניתן לארגן רגעים מגנטיים אלה בכיוון אחיד בתנאים מסוימים, ובכך לייצר שדה מגנטי מקרוסקופי.
2. תפקידם של תחומים מגנטיים
פנים חומר מגנטי מורכב מאזורים זעירים הנקראים "תחומים מגנטיים".
כשלא ממוגנט: כיווני התחומים המגנטיים הם אקראיים והמגנטיות הכוללת מבטלת זה את זה.
לאחר מגנטציה: בפעולה של שדה מגנטי חיצוני, כיווני התחומים המגנטיים מיושרים באופן אחיד, והחומר מראה מגנטיות משמעותית. מגנטים קבועים משתמשים בתהליך מיוחד כדי לתקן את כיוון התחומים המגנטיים הללו, כך שיוכלו לשמור על המגנטיות שלהם בהיעדר שדה מגנטי חיצוני.
3. דור שדה מגנטי
השדה המגנטי של מגנט קבוע מורכב מהסופרפוזיציה של אינספור שדות מגנטיים אטומיים זעירים.
קווי שדה מגנטי: ניתן לייצג את צורתו וכיוון השדה המגנטי על ידי קווי שדה מגנטי. קווי השדה המגנטיים של המגנט הקבוע מתחילים מהקוטב הצפוני (N) וחוזרים לקוטב הדרומי (ים) דרך החלל.
משיכה ודחייה: מגנטים קבועים ימשכו או ידחו חומרים מגנטיים סמוכים או מגנטים אחרים, על סמך העיקרון המגנטי של "דחיית מין כמו מושכים מין-מין".
4. סוגים שונים של מגנטים קבועים
ניתן לחלק מגנטים קבועים למספר סוגים לפי חומרים:
Neodymium Iron Boron (NDFEB): המגנט החזק ביותר, המתאים למוצרים אלקטרוניים, לייצור כוח רוח ושדות אחרים.
Samarium Cobalt (SMCO): בעלת התנגדות טובה לטמפרטורה גבוהה ומתאימה לציוד תעופה וחלל וציוד צבאי.
פֵרִיט: עלות נמוכה, עמידה בפני קורוזיה מאוד, הנמצאת בדרך כלל ברמקולים ובמנועים.
אלניקו (אלניקו): יש תכונות אנטי-דגנטיות מצוינות ומשמשות לעתים קרובות במכשור.
5. יישום מגנטים קבועים
מגנטים קבועים נמצאים בשימוש נרחב בחיי היומיום והתעשייה:
מנוע: מגנטים קבועים משמשים לייצור שדה מגנטי מסתובב כדי להניע את המנוע.
רמקולים: מגנטים קבועים מספקים שדה מגנטי קבוע במכשירי סאונד העובדים עם סלילים ליצירת צליל.
טכנולוגיית MAGLEV: מגנטים קבועים משמשים ברכבות MAGLEV ובמערכות העברה אחרות שאינן מגע.
ציוד רפואי: מכונות MRI משתמשות במגנטים קבועים חזקים כדי ליצור שדות מגנטיים להדמיה.
6. תופעת דמגנטיזציה של מגנטים קבועים
מגנטים קבועים עלולים לאבד את המגנטיות שלהם בגלל הגורמים הבאים:
טמפרטורה גבוהה: כאשר חורגת טמפרטורת הקארי, התחומים המגנטיים בתוך החומר נהרסים והחומר מאבד את המגנטיות שלו.
שדה מגנטי הפוך חזק: שדה מגנטי חזק חזק יסדר מחדש את התחומים המגנטיים ויקזז את המגנטיות המקורית.
הלם מכני: רטט קשה עלול לשבש את סידור התחום המגנטי ולהפחית את החוזק המגנטי.