Vernickelte Neodym-Magnetwürfel
Ein Neodym-Magnet (auch als NdFeB-, NIB- oder Neo-Magnet bekannt) ist die am weitesten verbreitete Art von Seltenerdmagneten. Es ist ein Permanentmagnet, der aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor hergestellt wird, um die tetragonale Nd2Fe14B-Kristallstruktur zu bilden. Neodym-Magnete wurden 1984 unabhängig voneinander von General Motors und Sumitomo Special Metals entwickelt und sind die stärkste Art von Permanentmagneten, die im Handel erhältlich sind.
NdFeB-Magnete können je nach verwendetem Herstellungsverfahren als gesintert oder gebunden klassifiziert werden. Sie haben andere Magnetarten in vielen Anwendungen in modernen Produkten ersetzt, die starke Permanentmagnete erfordern, wie z. B. Elektromotoren in Akku-Werkzeugen, Festplatten und magnetischen Befestigungselementen .
Erklärung der Stärke
In seiner reinen Form hat Neodym magnetische Eigenschaften – insbesondere ist es antiferromagnetisch – aber nur bei niedrigen Temperaturen, unter 19 K (–254,2 Grad; –425,5 Grad F). Aber einige Verbindungen von Neodym mit Übergangsmetallen wie Eisen sind ferromagnetisch, mit Curie-Temperaturen weit über Raumtemperatur. Diese werden zur Herstellung von Neodym-Magneten verwendet.
Die Stärke von Neodym-Magneten ist das Ergebnis mehrerer Faktoren. Am wichtigsten ist, dass die tetragonale Nd2Fe14B-Kristallstruktur eine außergewöhnlich hohe uniaxiale magnetokristalline Anisotropie aufweist (HA ≈ 7 T – magnetische Feldstärke H in Einheiten von A/m gegenüber magnetischem Moment in A·m2). Dies bedeutet, dass ein Kristall des Materials bevorzugt entlang einer bestimmten Kristallachse magnetisiert wird, aber sehr schwierig in andere Richtungen zu magnetisieren ist. Wie andere Magnete besteht auch die Neodym-Magnetlegierung aus mikrokristallinen Körnern, die bei der Herstellung in einem starken Magnetfeld so ausgerichtet werden, dass ihre Magnetachsen alle in die gleiche Richtung zeigen. Der Widerstand des Kristallgitters gegen das Drehen seiner Magnetisierungsrichtung verleiht der Verbindung eine sehr hohe Koerzitivfeldstärke oder einen Widerstand gegen Entmagnetisierung.
Das Neodym-Atom kann ein großes magnetisches Dipolmoment haben, weil es 4 ungepaarte Elektronen in seiner Elektronenstruktur hat, im Gegensatz zu (durchschnittlich) 3 in Eisen. In einem Magneten sind es die ungepaarten Elektronen, die so ausgerichtet sind, dass ihr Spin in die gleiche Richtung zeigt, die das Magnetfeld erzeugen. Dies verleiht der Nd2Fe14B-Verbindung eine hohe Sättigungsmagnetisierung (Js ≈ 1,6 T oder 16 kG) und eine remanente Magnetisierung von typischerweise 1,3 Tesla. Da die maximale Energiedichte proportional zu Js2 ist, hat diese magnetische Phase daher das Potenzial, große Mengen an magnetischer Energie zu speichern (BHmax ≈ 512 kJ/m3 oder 64 MG·Oe).
Dieser magnetische Energiewert ist etwa 18-mal größer als "normale" Ferritmagnete nach Volumen und 12-mal nach Masse. Diese magnetische Energieeigenschaft ist bei NdFeB-Legierungen höher als bei Magneten aus Samarium-Kobalt (SmCo), die die erste Art von Seltenerdmagneten waren, die kommerzialisiert wurden. In der Praxis hängen die magnetischen Eigenschaften von Neodym-Magneten von der Legierungszusammensetzung, der Mikrostruktur und der verwendeten Herstellungstechnik ab.
Die Nd2Fe14B-Kristallstruktur kann als alternierende Schichten aus Eisenatomen und einer Neodym-Bor-Verbindung beschrieben werden.[3] Die diamagnetischen Boratome tragen nicht direkt zum Magnetismus bei, sondern verbessern den Zusammenhalt durch starke kovalente Bindung. Der relativ geringe Gehalt an seltenen Erden (12 Volumenprozent, 26,7 Massenprozent) und die relative Häufigkeit von Neodym und Eisen im Vergleich zu Samarium und Kobalt machen es aus Neodym-Magnete günstiger als Samarium-Kobalt-Magnete.
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