بسبب اختلاف البنية الذرية لجميع المواد، تتفاعل المواد المختلفة بطرق مختلفة عند وضعها في حقل مغناطيسي. بأبسط تعبير، يحدد السلوك المغناطيسي للمادة عن طريق عدد الإلكترونات غير المقترنة في كل ذرة. في ذرات معظم العناصر، تكون الإلكترونات مقترنة بأزواج وتدور كل إلكترون في اتجاه مختلف، مما يلغي المجال المغناطيسي بينها. وبالتالي، لا يوجد مجال مغناطيسي صاف. ومع ذلك، تحتوي بعض المواد على إلكترونات غير مقترنة، مما يولد مجالا مغناطيسيا صافا، وبالتالي تتفاعل بشكل أكبر مع المجال المغناطيسي الخارجي.

أنواع المواد المغناطيسية 

المواد المغناطيسية الحديدية

تحتوي المواد المغناطيسية الحديدية على بعض الإلكترونات غير المزاوجة في ذراتها ، وبالتالي تولد مجالًا مغناطيسيًا صافيًا ، وإن كان مجالًا ضعيفًا جدًا ، وذلك لأن الذرات الفردية أو مجموعات الذرات ، المعروفة باسم المجالات المغناطيسية ، تتم محاذاتها بشكل عشوائي لإلغاء بعضها البعض ، عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على المواد المغناطيسية ، تضطر المجالات الفردية إلى المحاذاة التي تحافظ عليها بمجرد إزالة المجال الخارجي وبالتالي الحفاظ على مغناطيسيتها ، والمعروفة باسم المتبقية ، الحديد والنيكل والكوبالت كلها مواد مغناطيسية حديدية.

المواد المغناطيسية 

تعمل المواد غير المغناطيسية على عزل أي مجال مغناطيسي يتم تطبيقه عليها من الخارج. يحدث هذا عن طريق إعادة تنظيم المجالات المغناطيسية لتقاوم المجال المغناطيسي الخارجي. على الرغم من أن جميع المواد تظهر بعض الخصائص المغناطيسية، إلا أن تأثيرها في معظم المواد ضعيف جدا وغير ملحوظ. يتم إقران جميع الإلكترونات الموجودة في ذرات المواد المغناطيسية، وبالتالي لا يتولد مجال مغناطيسي صافي. ومع ذلك، فإن معظم العناصر في الجدول الدوري غير مغناطيسية

المواد بارامغناطيسية

المواد ذات الخواص البارامغناطيسية لديها حساسية منخفضة تجاه المجالات المغناطيسية، مما يعني أنها تنجذب قليلا نحو المجال المغناطيسي. وعلى الرغم من ذلك، فإنها لا تحتفظ بخواصها المغناطيسية بمجرد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي. ومع ذلك، فإن معظم العناصر تكون غير مغناطيسية بشكل عام، لأن قوتها الجاذبة أضعف بآلاف المرات من المواد المغناطيسية، على الرغم من أن بعض المواد ما زالت تظهر خواصا مغناطيسية بارزة.

المواد الخام المغناطيسية

تتكون جميع المغناطيسات الدائمة في العالم حاليًا من خمسة أنواع مختلفة من المواد، ولكل منها خصائص مختلفة جدًا، ومن أشهر هذه المواد:

الفريت (FE)

الفريت هو مصطلح يستخدم للإشارة إلى الحديد النقي ، وهو أكثر المواد المغناطيسية الحديدية التي يمكن التعرف عليها بسهولة ، كما أنه مصطلح يستخدم لوصف المواد المغناطيسية الفريتية وهي مركب يتكون من كربونات السترونتيوم أو الباريوم وأكسيد الحديد (Fe2O3) ، مغناطيسات الفريت لها تكاليف إنتاج منخفضة ولكنها أيضًا أضعف بكثير من مغناطيس ساماريت الأرض النادرة ومغناطيس النيوديميوم ، بسبب انخفاض تكاليف الإنتاج ،  فهي واحدة من أكثر المواد المغناطيسية المستخدمة على نطاق واسع عندما لا يكون الأداء المغناطيسي العالي هو العامل الأكثر أهمية.

تصنيع الفريت

إن طريقة إنتاج مغناطيس الفريت ليست مكلفة أو معقدة مثل تلك المستخدمة في تصنيع مغناطيسات أرضية نادرة ولأنها صلبة وهشة للغاية ، يتم تصنيعها بشكل عام بأشكال أساسية مثل المربعات والأسطوانات والحلقات ، يبدأ إنتاج مغناطيس الفريت بتحويل خليط مسحوق ناعم من أكسيد الحديد وكربونات السترونتيوم لإنتاج مادة أكسيد معدني. 

بعد التبريد، يتم طحن المسحوق الناعم عدة مرات مما يقلل حجم المواد المكلسة إلى جسيمات دقيقة أصغر من 2 ميكرومتر أو 2 ميكرون، حتى يتكون كل جسيم من مجال مغناطيسي واحد.

ثم يتم ضغط المسحوق وضغطه في قالب ، إذا حدث الضغط داخل مجال مغناطيسي مطبّق خارجيًا ، فستتم محاذاة جزيئات المغناطيس ويكون المغناطيس الناتج متباين الخواص إذا تم الضغط على المسحوق بدون مجال مغناطيسي مطبق خارجيًا ، فسيكون المغناطيس متناحي الخواص ويكون له خصائص مغناطيسية أضعف.

عند الضغط عليها، تتم عملية تلبيد الجسيمات المضغوطة بدرجات حرارة عالية للغاية لتجعل الجزيئات تلتحم معًا قبل مغنطتها في النهاية.

الخواص المغناطيسية للفريت

مغناطيسات الفريت غير مكلفة في الإنتاج والتي تتعلق بقوتها المغناطيسية الإجمالية ، على الرغم من كونها أضعف بكثير من المواد الأرضية النادرة ، إلا أنها لا تزال تستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات التجارية ، تتمثل القوة الرئيسية لمغناطيس الفريت في مقاومته للتخلص من المغناطيسية والتآكل.

نيوديميوم 

النيوديميوم (Nd) هو عنصر نادر من عناصر الأرض النادرة برقم ذري 60، تم اكتشافه في عام 1885 من قبل الكيميائي النمساوي كارل أوير فون ويلسباخ، وعلى الرغم من أن النيوديميوم يعتبر نادرًا بشكل نسبي في عائلة الأرض النادرة، إلا أنّه ليس أكثر ندرةً من النحاس.

يتم خلط النيوديميوم مع الحديد والبورون، بالإضافة إلى آثار عناصر أخرى مثل الديسبروسيوم والبراسيوديميوم، لإنتاج سبائك مغناطيسية تعرف بـ Nd2Fe14b، وهي أقوى مادة مغناطيسية في العالم. تم تطوير مغناطيسات النيوديميوم في عام 1982 بواسطة جنرال موتورز وسوميتومو سبيشال ميتالز، واستبدلت أنواعا أخرى من المواد المغناطيسية في العديد من الأجهزة التجارية والصناعية الحديثة.

تصنيع النيوديميوم

قبل تحويل النيوديميوم إلى مغناطيس نيوديميوم، يتطلب ذلك صقل خام المعادن النادرة المستخرجة. ينطوي هذا العمل على القيام بعشرات العمليات الكيميائية. بعد صقلها، يتم خلط النيوديميوم مع الحديد والبورون والعناصر الأخرى المطلوبة لتحقيق الخواص المطلوبة. يتم ذلك عن طريق تسخينها في فرن الحث الفراغي حتى تصبح سائلة تماما. يتم تبريد السبائك المنصهرة لتشكيل سبائك، ثم يتم طحنها إلى جسيمات دقيقة في مطحنة نفاثة.

ثم يتم ضغط المسحوق النقي جدا في قالب أثناء تعرضه لمجال مغناطيسي كبير ينتج عنه مجال مغناطيسي كهربائي. أثناء الضغط على المواد المسحوقة، يقوم المجال المغناطيسي بتوجيه المجالات المغناطيسية الفردية للمادة المغناطيسية في اتجاه المجال المغناطيسي، وعند الضغط على المادة، يتم تحديد الاتجاه وتعطى للمادة خواص متباينة تبعا لاتجاه المجال المغناطيسي.

يساهم هذا الاتجاه المفضل للمغناطيسية في قوة المغناطيس النهائي والإكراه العالي ، إذا لم يكن هناك مجال مغناطيسي خارجي تم تطبيقه خلال هذه المرحلة من العملية ، فلن تتم محاذاة المجالات المغناطيسية الفردية للمادة بشكل موحد متساوي الخواص ونتيجة لذلك ،  يمكن جذب المادة في أي اتجاه ومع ذلك ، فإن المغناطيس النهائي سيكون له جزء من قوة مغناطيس متباين الخواص وسيكون له قهر أقل.

الخواص المغناطيسية للنيوديميرم

مغناطيسات النيوديميوم هي أقوى المغناطيسات المتاحة، وبالتالي لديها قوة عالية مقارنة بحجمها ووزنها. ونظرا لكونها قوية جدا، فإن ذلك يعني أيضا أنها تكلفة منخفضة نسبيا لكل وحدة من القوة التي توفرها. تتميز بمقاومة عالية للتخلص من التأثير المغناطيسي، ولكنها تتحمل درجات حرارة تشغيل منخفضة بشكل عام مقارنة بالمواد الأخرى. كما أنها عرضة للتآكل في حالة تلف الطلاء. هناك درجات مغناطيسية أخرى متاحة من النيوديميوم، بما في ذلك درجات حرارة عالية التشغيل الخاصة.

سماريوم كوبالت

سماريوم كوبالت (SmCo) هي مادة مغناطيسية مصنوعة من سبيكة تحتوي على الساماريوم، وهو عنصر نادر، والكوبالت المعدني الصلب، بالإضافة إلى آثار الحديد والنحاس والهافنيوم والزركونيوم والبراسيوديميوم مثل النيوديميوم. تعرف مغناطيسات السماريوم كوبالت باسم المغناطيسات الأرضية النادرة نظرا لاحتوائها على الساماريوم، وهو جزء من نفس مجموعة العناصر الأرضية النادرة مثل النيوديميوم. تم تطوير مغناطيس السماريوم كوبالت في أوائل السبعينيات من قبل مختبر مواد القوات الجوية الأمريكية، وكانت أقوى المغناطيسات المتاحة حينها حتى ظهور مغناطيس النيوديميوم بعد حوالي عشر سنوات من ذلك الحين. كانت هذه المادة ثورية، إذ قد زادت قوة أقوى مادة مغناطيسية متاحة ثلاث مرات.

الخواص المغناطيسية لسماريوم كوبالت

يتوفر مغناطيس السماريوم الكوبالت بنوعين أو درجتين، ويشار إليهما عادة بالسلسلة 1:5 والسلسلة 2:17، وكلاهما يتمتع بقوة مغناطيسية عالية ولديهما منتجات طاقة قصوى تصل إلى 35 ميجا جول، على الرغم من أنها ليست قوية مثل مغناطيس النيوديميوم، إلا أن قوتها الرئيسية تكمن في قدرتها على الحفاظ على أدائها في درجات حرارة تصل إلى 350 درجة مئوية، وهي مقاومة للتآكل بشكل كبير، حتى بدون طلاء، ومع ذلك، نظرا لاحتوائها على الكوبالت، فإن إنتاجها مكلف نسبيا.