Ferromanyetik Maddeler Nelerdir? Özellikleri ve Kullanım Alanları Nelerdir?

Manyetizma muhtemelen insanlar tarafından keşfedilen ilk doğal güçtü. Ancak manyetik malzemelerin kayda değer kullanımları son yüzyılda meydana geldi. Modern elektroniğin odak noktası yarı iletken, transistörler gibi konulara odaklanmış olsa da bu malzemelerin kullanıldığı cihazların çoğu manyetik malzemeler olmadan pratik olmayacaktır.

Manyetik malzemelerin uygulama frekansları DC (Doğru Akım)’dan herhangi bir elektronik cihazın çalışabileceği en yüksek değerlere kadar değişir. Farklı gereksinimler dolayısıyla yön verilen birçok yeni teknolojinin ortaya çıkması bir çok farklı boyutta ve şekilde manyetik malzemelerin ortaya çıkmasına olanak sağlamıştır. Bu yazımızda ferromanyetik maddelerin ne olduğu, özelliklerinin, işlevlerinin ve uygulama alanlarının ne olduğundan bahsedeceğiz.

Ferromanyetik Maddeler Nedir?

Ferromanyetik maddeler, yaygın olarak “manyetik malzemeler” olarak adlandırdığımız malzemelerdir. Tüm malzemeler bir dereceye kadar manyetik olsa da, birçoğu yalnızca çok zayıf ve nispeten saptanamayan bir manyetik özelliğe sahip olan paramanyetik veya diyamanyetik malzemeler başlığı altına girer. Bu nedenle, herhangi bir cihazda herhangi bir ölçüde kullanılmazlar, ancak büyük bilimsel öneme sahiptirler. “Ferromanyetizma” adı verilen etki, yukarıda bahsedilen ferromanyetik maddelerden çok daha büyük manyetik kuvvetlere sahip malzemelere yol açar.

Ayrıca, son yıllarda bu kadar önem kazanan diğer benzer deyim olan “süperiletkenlik” kavramı ile ferromanyetik maddeler arasında bir ayrım yapmalıyız. Süperiletkenlik mekanizması, ferromanyetizma olgusundan farklıdır. Bunların ortak bir yönü, dolaşan akımlar tarafından manyetik alanların üretilmesidir.

Bu maddeleri tanımayan bir kişi tarafından yaygın bir yanılgı ise manyetik bir malzemenin yalnızca kalıcı mıknatıs özelliklerine sahip olduğudur. Bunun yanında yumuşak manyetik malzemeler denilen diğer grupta vardır. Aslında, bu grup, kalıcı mıknatıs grubundan çok daha fazla çeşide sahiptir. Ferromanyetik maddeler, iletkenler (metaller), yalıtkanlar (seramikler) veya yarı iletkenler olarak var olabilir. Kullanılacak malzeme seçimi cihazın çalışma koşullarına göre yapılır.

Ferromanyetik Maddenin Tarihi

İnsanoğlunun bildiği en eski manyetik malzeme, doğal olarak oluşan bir manyetik seramik (ferrit) olan manyetittir. Bu mineralin parçalarının, aynı malzemeden başka bir parçaya yaklaştırıldığında, çekici veya itici kuvvetler uygulamış olduğu bulundu. Daha sonra, demir nesneler var olduğunda, bu ferromanyetik maddelere çekildiğini gördüler.

Demir iğneler manyetiteye sürtündüğünde, iğneler de bu yeni iki kutuplu özellik ile yüklenip, orijinal manyetit parçalarıyla aynı etkiyi yani itme etkisini sağladı. Manyetizma hakkındaki en eski sorularından biri olabilir ve hâlâ en az anlaşılan olgu olabilir. Bu manyetize edilmiş iğneler, pusula olarak işlev gördüklerinden ve denizcilerin yıldızları kullanmadan Kuzey’i bulmalarına olanak sağladığı için ferromanyetik maddelerin ilk uygulamaları olarak insanlığa hizmet ettiğini söyleyebiliriz.

Elektromanyetizmanın ortaya çıkışına kadar olan bu süreç içerisinde, ferromanyetik maddeleri kullanan pratik elektrikli cihazlar geliştirilmemiştir. Manyetitte bulunan itme ve çekme özellikleri, demiri çevreleyen bir telden elektrik akımı geçirilerek demirde yeniden üretilebilir. Kutup grupları arasındaki manyetik kuvvetler daha sonra mekanik harekete dönüştürülebilir ve böylece motorlar oluşturmak için kullanılabilir ya da manyetik etkiyi tersine çevirerek, elektrik jeneratörleri yapılabilir.

Manyetik malzeme geliştirmede ilerlemeyi hızlandıran bir başka olay dizisi, telgrafın icadı ve ardından hoparlörler, yükleme bobinleri, kanal filtreleri ve transformatörler gibi yeni +manyetik cihazlar gerektirdiği için telefonun tanıtımıydı. Kablosuz radyo ve daha sonra televizyon, yeni ve daha iyi ferromanyetik maddeler için bir ihtiyaç yarattı. Uçuş ve uzay iletişimi için radar, yeni özel manyetik malzemeler gerektiriyordu.

Son olarak, bellek, kayıt ve bilgisayar sektöründeki talep patlaması, yeni manyetik malzemelere daha da fazla güvenilmesini sağladı. Fiber optik iletişim gibi bazı yeni teknolojiler, eski manyetik malzemelerin bazılarına olan ihtiyacı ortadan kaldırabilse de, hâlâ birçok yeni ortaya çıkan alan var. Manyetik malzemelerin hızla değişen ve gelişen konumu ile, manyetik malzemelerdeki mevcut teknolojik gelişmelerin farkında olmamız büyük önem taşımaktadır.

Ferromanyetik Maddelerin Sınıflandırılması

Ferromanyetik maddeler birkaç farklı şekilde sınıflandırılabilir.

Endüstriyel Sektör Alanına Göre

1. Günlük kullanımı; Radyo, televizyon, video kayıt cihazları, küçük motorlar, transformatörler.
2. Ağır sanayi kullanımı; Jeneratörler, büyük motorlar, devasa transformatörler.
3. Hafif sanayi kullanımı; Elektronik devre bileşenleri, güç kaynakları.
4. Özel kullanımı; Hava araçlarında, mikrodalga cihazlar,

Fonksiyonlarına Göre

1. Mekanik amaçlı; kaldırma, ayırma, askıya alma
2. Ekranlama (Shielding)
3. Elektromekanik dönüştürücüler; motorlar, hoparlörler, vibratörler, röleler, ultrasonik jeneratörler.
4. Fonograf iğneler, elektrik jeneratörleri
5. Transformatörler
6. Empedans eşleştirme
7. LC devresindeki indüktör
8. İstenmeyen frekansları ortadan kaldırmak için filtreler; geniş bantlı transformer “dönüştürücüler”, kanal filtresi, EMI filtreleri.
9. Çıkış bobini
10. Mikrodalga cihazları.

Manyetik Kuvvetin Kullanıldığı Malzemeler

1. Kaldırma mıknatısları
2. Manyetik itme
3. Manyetik seperasyon (manyetik ayırma)
4. Buzdolabı kapılarının contaları
5. Manyetik aynalar
6. Manyetik pompalar
7. Oyuncaklar

Frekans Aralıklarına Göre

1. Daimi mıknatıslar ve DC motorlar, jeneratörler.
2. Hat frekansları (50-60 Hz.)
3. Uçak frekansları (400 Hz.)
4. Audio (Ses) frekansları (20.000 Hz’e kadar)
5. Yüksek frekanslı güç (25.000-100.000 Hz.)
6. Yüksek frekanslı telekomünikasyon (100.000-100.000 Mhz)
7. Mikrodalga ve Radarlar (Ghz ve ötesine kadar)

Ferromanyetik Etkinin Kaynağı

Ferromanyetik etki yani diğer bir deyişle manyetik alanı oluşturan etki, yerçekimi ve elektrik alanlarına benzer bir kuvvet alanıdır. Yani, bir potansiyel kaynağın sınırlarını çevreleyen alandır. Yerçekimi vaziyetinde potansiyel kaynak bir kütledir. Elektrik alanlar için kaynak pozitif veya negatif yüklüdür. Eğer bu iki yük aynı işaretliyse yani pozitif-pozitif veya negatif-negatif ise birbirini iter. Farklı işaretli ise (negatif-pozitif) birbirini çeker.

Manyetik alanları inceleyen ilk araştırmacılar, manyetik etkinin kaynağının, mıknatısların uçlarına yakın bir yerde ortaya çıktığını buldular. Bu manyetik potansiyel kaynakları, manyetik kutuplar olarak bilinir. Manyetik alan için diğer alan türlerine kıyas ile temel bir fark vardır. Yer çekimi veya elektrik analoglarında, potansiyel üreten varlıklar, kütle veya q elektrik yükü ayrı ayrı biriktirilebilir.

Böylece pozitif veya negatif elektrik yükü birbirinden ayrı şekilde biriktirilebilecektir. Manyetik durumda ise, iki tür manyetik alan üreten tür, bir dipol şeklinde birbirine bağlanmış gibi görünmektedir. Şimdiye kadar birbirinden izole olmuş manyetik monopoller tespit edilememiştir.

Alaşımlar veya oksit gibi bazı malzemeler, Mangan gibi elementleri içerir ve Manganın bazı komşu iyonları atomik spin etkisinde büyük bir etkisi vardır. Bu etki atomik spinlerin çok sayıda etkileşiminden, içindeki tüm atomik dönüşlerin paralel şekilde hizalandığı bir bölge meydana getirmesinden kaynaklanmaktadır. Bu şekilde oluşan maddelere ferromanyetik maddeler denmektedir.

Ferromanyetik Malzemeler ve Kullanım Alanları

Çoğu metal malzeme aynı zamanda elektrik alanı iletebildiği için manyetiklik özelliği de vardır demek mümkündür. Manyetikliği ister güçlü isterse zayıf olsun iletkenlik, dövülebilirlik ve süneklik ile birlikte manyetiklikte metalin önemli bir özelliğidir.

Bir elektrik akımı ile yüklenmiş metal, akım metalden aktığı sürece bir manyetik alan oluşturur. Buna geçici mıknatıslık denir. Ancak ferromanyetik metaller elektrik akımının yardımı olmadan kendi manyetik alanlarını oluşturan kalıcı mıknatıslardır. Hayatımızda sıklıkla kullandığımız ferromanyetik özellikte malzemeler aşağıdaki gibi ele alınabilir.

Demir

Yer kabuğunda bulunan Fe ile gösterilen demir elementinin atom nunumarası 26’dır. 7,874 g/cm³ yoğunluğa sahiptir. Erime noktası 1537°C Kaynama noktası 2860°C Demir Çağı’ndan günümüze kadar insanlık, önemli ilerlemeler kaydetmek için demir işçiliğine güvendi. Demirin birçok kullanımından en önemlisi, çeliğin bir bileşenidir – yüksek sıcaklıklarda karbonla güçlendirilmiş bir demir alaşımıdır. 

Çelik olmasaydı, modern yaşamı mümkün kılan mimariye, altyapıya, otomobillere ve makinelere sahip olamazdık. Demirin doğal manyetizması çoğu çelik alaşımında görülür. Evinizdeki en yaygın örneği buzdolabınız ve kapısına yapıştırdığınız mıknatıslardır. Hurdacılar, demirin ferromanyetik özelliği sayesinde demir ve demir olmayan hurda malzemeleri birbirinden ayırmak için kullanabilirler.

Kobalt

1739 yılında Georg Brandt tarafından icat edilmiştir. Erime noktası 1494°C. Kaynama noktası 2926°C. Atom numarası 27 olan kobalt, 8,90 g/cm³ yoğunluğa sahiptir. Genellikle bakır ve nikel cevherinin yanında bulunan bir element olan kobalt, parlak mavi tonuna sahip pigmentler ile bilinir. Kobalt alaşımları, akıllı telefonlarımıza güç sağlayan lityum iyon pillerin önemli bir bileşenidir. Kobalt’ın ferromanyetik yapısı, onu evlerimizdeki uygulamalarından endüstriyel kullanıma kadar kalıcı mıknatıslar için ideal bir malzeme yapar.

Nikel

Axel Fredrik Crostedt tarafından icat edilmiştir. Erime noktası 1454°C. Kaynama noktası 2729°C. Atom numarası 28 olan nikel, 8,908 g/cm³ yoğunluğa sahiptir. Nikel, “üç büyük” ferromanyetik metallerin üçüncüsüdür. Periyodik Tablonuz elinizdeyse, demir, kobalt ve nikelin sırasıyla 26, 27 ve 28 atom numaralarına sahip olduğunu fark ettiğinizde şaşırabilirsiniz. Nikel, elektroniklerimizin çoğunda baskılı devre kartlarını oluşturan elektrokaplama işleminin ayrılmaz bir parçasıdır. Aynı zamanda manyetizma özelliğini gösterdiği diğer bir örnek olarak elektro gitar tellerini verebiliriz.

Gadolinyum

Lantanit ve aktinit grubunda yer alan gadolinyum ferromanyetik özelliklere sahip nadir bir toprak metalidir. Gadolinyum, manyetik rezonans görüntülemeden X ışınlarına kadar çeşitli tıbbi uygulamalara sahiptir. Dikkat çekici bir şekilde, gadolinyum sadece 20 santigrat derecenin altında ferromanyetik özelliklere sahiptir. Bu sıcaklığın üzerinde ise sadece paramanyetik olma özelliğine sahiptir.

Neodimyum

Gümüş beyazı renge sahip olan neodimyumun atom numarası 60’tır. Carl Auer von Welsbach tarafından icat edilmiştir. Bir başka doğal manyetik element olan neodimyum nadir toprak lantanitlerindendir. Ferromanyetik özellikleri biraz daha karmaşıktır. Neodimyumu, demir ve bor ile alaşımlayarak var olan en güçlü kalıcı mıknatıslardan birini elde edebiliyoruz: (NdFeB) neodimiyum-demir-bor mıknatısı. Neodimiyum mıknatıslar, elektrik akımı olmadan kendi ağırlıklarının yaklaşık bin katını kaldırabilir. Mikrofonlarda ve kulaklıklarda kullanımları vardır.

Ferromanyetik Seramikler

Ferromanyetik seramikler bir piroelektrik malzeme sınıfındandır. Ferromanyetik maddeler çoğunlukla metal olsa da ferromanyetizmanın seramik malzemelerde örnekleri de vardır. Örnek olarak demir oksitten ve tipik olarak nikel veya çinkodan yapılan bir seramik olan ferrittir. Ferrit, otomotiv ve biyoteknoloji endüstrilerinde etkili bir kullanımı vardır. Banka ve kredi kartlarınızın arkasındaki manyetik şeritler genellikle ferritten yapılır. Kayıt bandının modası geçmiş olsa da, plastik bant üzerindeki manyetik baryum ferrit, sabit disklerin ortaya çıkmasından önce kayıt yapabilmemizi mümkün kılmıştır.

Tipik olarak mineral perovskit (CaTiO3) veya kalsiyum titanat bileşiğinden gelen bir ifade olan perosvskit yapıya sahiptir. Bu tür bileşiklerde A’nın büyük bir katyon, B’nin ise nispeten daha küçük katyon olduğu ve çoğunlukla X’in oksit yapıda olduğu bileşik formülize edilecek olursa ABX3 şeklinde olduğunu ifade edebiliriz.

Ferromanyetizma, element çeşidi olarak sınırlı olsa da, dünyada kesinlikle bol miktarda bulunur. Ferromanyetik maddelerin, sabah koşusu sırasında kullandığınız kulaklıklardan, bir yapıyı yıkmak ve yeniden başlatmak için kullandığınız ekskavatör mıknatıslarına kadar günlük hayattaki uygulamaları hepimizi etkiliyor. Ferromanyetizma, bu yazımızı okumak için kullandığınız cihaz dahil olmak üzere çoğu alanda kullanılmaktadır.