A mágneses anizotrópia egy anyag azon tulajdonságát jelenti, hogy különböző irányokban eltérően viselkedik a mágneses térrel szemben. Ez azt jelenti, hogy az anyag különböző irányokban eltérő könnyedséggel vagy nehézséggel mágnesezhető, és bizonyos irányokban a mágneses tulajdonságai erősebbek vagy gyengébbek lehetnek. Az anizotrópia fontos tényező a mágneses anyagok alkalmazásaiban, például az állandó mágneseknél, mivel befolyásolja a mágneses tér stabilitását és irányultságát.

 Az állandó mágnesek anyagválasztásait az energiatartalom, anizotrópia és keménységi paraméter szempontjából elemzik. Az energiatartalom a fő szempont az állandó mágnesek esetében, mivel a mágnes célja a mágneses energia tárolása és minél több fluxus létrehozása a környező térben. A mágnes feldolgozása a legegyszerűbb, ha a keménységi paraméter jelentősen nagyobb, mint egy. Az anizotrópia követelmény egyre szigorúbbá válik a nagy Ms és K1 értékek esetén, és az 1-2 MJ/m3 lehet elégtelen. Néhány potenciális új mágnest és alternatív stratégiát tárgyalnak a mágneses keménység fejlesztésére.


Az állandó mágnesek egyre fontosabbak a technológia számos területén. Egyedi tulajdonságuk, amelyet az energiaszorzat (BH) számszerűsít, a magnetosztatikus energia tárolásának képessége. Száz évvel ezelőtt a legjobb, amit el lehetett érni, a körülbelül 1 kJ/m³ energiaszorzatú, nehézkes, alacsony energiaszorzatú rúd- és patkómágnesek voltak. A formákat az akkori ferromágneses anyagok alacsony koercivitása (Hc) határozta meg, ami korlátozta a megengedett lemágnesező mezőt az M(H) hiszterézishurok második kvadránsában, ahol a mágnes működési pontja elkerülhetetlenül található. Egy gyakran használt közelítés az, hogy feltételezzük, a lemágnesező mező (Hd) egyenletes és ellentétes irányú a mágnesezettséggel, ahol a lemágnesező tényezőegy 0 és 1 közötti szám, amely a mágnes formájától függ. A kemény acélok, 1,5 MA/m mágnesezettséggel és legfeljebb 30 kA/m koercitivitással csak akkor tudták megtartani mágnesezettségüket, ha < 0,02.


A mágneses anizotrópia első közelítésben az a kifejezés adja meg, ahol θ az M könnyű iránytól való eltérése, amikor K1 pozitív. Gyakran „anizotrópia mezőként” (Ha = 2K1/μ0M) ábrázolják, bár ez a közelítés csak anizotrop, egydoménes ferromágnesek esetén érvényes, amikor θ kicsi. A lemágnesező tényezők összege a test három fő irányában 1, így amikor a mágnesnek szimmetria tengelye van, ⊥ = 1/2(1 − ||). Ebből következik, hogy a magnetosztatikus energiasűrűség (Ems = 1/2 μ0M·Hd) az alábbi formában írható fel: 1/4 μ0M²(1 − 3) sin²θ + konstans. Az (2) egyenlet anizotrópia állandója, amely megfelel a mágnes alakjának.

 

Az alak anizotrópia csak azokban a területekben hatékony teljes mértékben, ahol a mágnesezettség egyenletes marad, és koherensen forog, anélkül, hogy doménekre bomlana.Az 1930-as években kezdődő fejlesztési sorozatban az alak anizotrópiát belsővé tették egy sor kéttéres ötvözetben, amely nanoszintű tűszerű ferromágneses Fe–Co inklúziókból állt egy Ni–Al mátrixban. Ezeket az ötvözeteket öntik és hőkezelik mágneses térben, hogy a szükséges orientált nanostruktúrát létrehozzák spinodális bomlás révén. Különböző összetételű alnicos, például Cu, Nb vagy Ti ötvözet hozzáadásával, 0,6–1,2 MA/m mágnesezettséggel és 50–160 kA/m koercitivitással. Az ezekből az anyagokból készült mágnesek maximális energiaszorzata 40–80 kJ/m³ között mozog. Az alnicosok maradtak a legjobb állandó mágnesek a SmCo5 megjelenéséig 50 évvel ezelőtt, és még mindig jelentős mennyiségben gyártják őket speciális alkalmazásokhoz, ahol az Fe–Co magas Curie-hőmérséklete és kiváló hőstabilitása értékelhető. Azonban mágnesességük állandósága feltételes alakjukban. Az orientált Alnico mágnesek koercitivitása nem elegendőahhoz, hogy megőrizzék mágnesezettségüket olyan formákban, ahol D nagyobb, mint körülbelül 0,3, ezért általában rövid rudak vagy zömök patkók formájában készülnek. Az általuk támaszkodó alak anizotrópia legfeljebb a mágnesezettség felére képes anizotrópia mezőt biztosítani. Az anizotrópia mező (Ha) felső határt szab a lehetséges Hc értéknek, és az alnico koercitivitása mindig sokkal kisebb, mint Ha, mert a visszafordulás nem koherens.


A formagátat a 20. század közepén törték át a mágneses kristályanizotrópia által. Ez az anizotrópia főként az egyionos, elektrostatikus kristálytér kölcsönhatásnak és a spin-pálya csatolásnak köszönhető. Az elsőmágnesek, amelyek alakjától függetlenül megőrizték mágnesességüket, L10 vegyületből (CoPt) és hexagonális ferritből (BaFe12O19) készültek. Később kiderült, hogy a ritkaföldfémek kiváló forrásai a mágneses kristályanizotrópiának, és ma már minden nagy teljesítményű permanens mágnes ritkaföldfém-átmenetifém (RE–TM) intermetallikumból készül. Ezek az anyagok jelentős mértékben növelték az energiatartalmat, lehetővé téve új alkalmazásokat a motorokban, aktuátorokban és generátorokban.

 

Az évi permanens mágnespiac közel 10 milliárd dollárra nőtt, amelynek több mint felét ritkaföldfém mágnesek teszik ki. A fennmaradó termelést nagyrészt olcsón előállítható hexagonális ferritek (BaFe12O19 és SrFe12O19) alkotják, amelyek 40 kJ/m³ energia terméket biztosítanak. A ferritek és az Nd–Fe–B vagy Sm–Co teljesítménye között jelentős különbség van, és lehetőség van ezen a résen áthidalni, ha megfelelő ár-teljesítmény arányú új mágnes található.A 2011-es válság után a ritkaföldfém készletek miatt új, olcsóbb anyagok iránti érdeklődés támadt, mint például Fe, Co, Mn, Al, Bi, Zr és W. Japánban, az USA-ban és Európában jelentős finanszírozás indította újra a mágneses kutatásokat. Új anyagokat vizsgálnak, régieket pedig újraértékelnek a permanens mágnes potenciáljuk miatt.

 

Az 1. ábra az anizotrópia energiáját ábrázolja a telítési polarizációval szemben különböző mágneses anyagok esetében. Az ábrát alapul vesszük a további elemzésekhez. A mágneses keménységi paraméter bevezetésére utalunk, és megemlítjük, hogy az empirikus szabály szerint a κ > 1 lehetőséget ad az ön-demagnetizáció elkerülésére bármilyen formában. Az ábrán a szilárd vonal κ = 1-et jelöl.

Forrás:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S135964621500411X