แม่เหล็ก ไม่จำเป็นต้องมาจากเหล็ก ?

      คนส่วนใหญ่เข้าใจว่า แม่เหล็กที่สามารถดูดเหล็กติดได้ต้องทำมาจากเหล็ก ตามแบบที่เคยเรียนรู้ และทดลองสมัยเรียนอยู่ระดับประถม (หรือมัธยม) โดยถูก้อนแม่เหล็กกับเข็มเย็บผ้าในทิศทางเดียวกันซ้ำหลายครั้งจนเข็มเย็บผ้ามีสมบัติดูดเหล็กติดได้เหมือนแม่เหล็ก 
      แต่เมื่อพิจารณาสินค้าที่มีแม่เหล็กเป็นส่วนประกอบบางชนิด เช่น แผ่นแม่เหล็กติดตู้เย็น จะพบว่า แถบแม่เหล็กที่ใช้เป็นแผ่นบาง และมีลักษณะต่างจากเหล็กค่อนข้างมาก จึงเกิดข้อสงสัยว่า นอกจากโลหะเหล็กแล้ว วัสดุอื่นสามารถทำเป็นแม่เหล็กได้หรือไม่?

มนุษย์กับแม่เหล็ก

      มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์จากแม่เหล็กในรูปของเข็มทิศนำทางมาตั้งแต่เมื่อหลายร้อยปีก่อน กระทั่งปี ค.ศ. 1740 โกเวน ไนท์ (Gowen Knight) ก็สามารถประดิษฐ์แม่เหล็กเพื่อการทดลองทางวิทยาศาสตร์ หรือเพื่อเป็นเข็มทิศบอกทิศทางออกวางจำหน่ายเป็นคนแรก เมื่อความรู้และวิทยาการด้านไฟฟ้าและแม่เหล็กพัฒนามากขึ้น มนุษย์ก็สามารถสร้างและใช้ประโยชน์จากแม่เหล็กกับไฟฟ้าเพิ่มขึ้น และนำไปสู่การประดิษฐ์มอเตอร์ไฟฟ้า ตลอดจนอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ ในเวลาต่อมา 
      ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มมีการวิจัยและพัฒนาแม่เหล็กถาวรจากวัสดุอื่นออกมา โดยเริ่มจากการทดลองผสมธาตุโลหะบางชนิดรวมกับเหล็ก เพื่อปรับปรุงสมบัติความเป็นแม่เหล็กเรื่อยมา จนถึงการทดลองทำแม่เหล็กจากสารประกอบอื่นที่ไม่ใช่เหล็ก จนปัจจุบันมีแม่เหล็กจากวัสดุหลากชนิดถูกผลิต และประยุกต์ใช้ในหลายผลิตภัณฑ์ทั้งชนิดใกล้และไกลตัวปรากฏให้เห็น

ความรู้เรื่องแม่เหล็ก
      โดยทั่วไปแม่เหล็กแบ่งได้เป็น 2 ชนิดคือ แม่เหล็กถาวร (permanent magnet) กับแม่เหล็กชั่วคราว (temporary magnet) โดยแม่เหล็กถาวรคือ แม่เหล็กที่เมื่อเกิดสมบัติแม่เหล็กแล้วไม่สูญเสียสภาพแม่เหล็กโดยง่าย เช่น แม่เหล็กที่ทำจากเหล็กกล้า ส่วนแม่เหล็กชั่วคราวคือ แม่เหล็กที่เมื่อมีสมบัติแม่เหล็กแล้ว สามารถสูญเสียสภาพความเป็นแม่เหล็กได้ง่าย เช่น แม่เหล็กที่ทำจากเหล็กอ่อน เป็นต้น
      นอกจากเหล็กแล้ว วัสดุอื่นๆ เช่น นิกเกิล โคบอลต์ รวมถึงโลหะผสมของธาตุแรร์เอิทท์ (rare earth) บางชนิด ก็สามารถกระตุ้นหรือเหนี่ยวนำให้เกิดสมบัติแม่เหล็กได้เช่นกัน นักวิทยาศาสตร์เรียกกลุ่มวัสดุที่สามารถกระตุ้นให้กลายเป็นแม่เหล็กได้ว่า เฟอร์โรแมกนีติก (ferromagnetic) และแบ่งเป็น 2 ประเภท คือ เฟอร์โรแมกนีติกแบบอ่อน (soft) ซึ่งเป็นวัสดุที่ถูกกระตุ้นแล้วได้แม่เหล็กชั่วคราว กับเฟอร์โรแมกนีติกแบบเข้ม (hard) ซึ่งเมื่อกระตุ้นแล้วกลายเป็นแม่เหล็กถาวร

 
ตะปูแม่เหล็กที่หลายคนเคยทดลองทำ

ปัจจุบันมีแม่เหล็กหลายชนิดด้วยกัน จึงมีแนวทางการแยกประเภทได้หลายแบบ แต่หากพิจารณาโดยยึดวัสดุเป็นเกณฑ์จะแบ่งแม่เหล็กได้ 3 กลุ่ม ดังนี้ 
      1.แม่เหล็กจากธาตุโลหะ (Metallic Element) ได้แก่ แม่เหล็กที่ทำจากเหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ รวมถึงแม่เหล็กที่มาจากธาตุโลหะในกลุ่มแรร์เอิร์ทบางชนิดที่อยู่ในสภาวะอุณหภูมิต่ำ เช่น แกโดลิเนียม (gadolinium) ดิสโพรเซียม (dysprosium) เป็นต้น

 
แม่เหล็กเหล่านี้ไม่ใช่โลหะ แต่เป็นแม่เหล็กเซรามิก

2.แม่เหล็กจากวัสดุคอมโพสิต (Composite) ประกอบด้วยแม่เหล็ก 5 กลุ่มย่อยคือ 
1).แม่เหล็กเซรามิก (Ceramic) หรือแม่เหล็กเฟอร์ไรต์ (ferrite) เป็นแม่เหล็กคอมโพสิตที่ผลิตจากวัสดุผสมของเหล็กออกไซด์ (iron oxide) กับแบเรียมคาร์บอเนต (barium carbonate) หรือสตรอนเชียมคาร์บอเนต (strontium carbonate) แม่เหล็กเซรามิกถูกพัฒนาออกมาในช่วงทศวรรษที่ 1960 
จุดเด่นคือ ใช้กระบวนการผลิตไม่ซับซ้อน ผลิตภัณฑ์มีราคาถูก จึงเป็นส่วนประกอบในสินค้าหลายชนิด เช่น แผ่นแม่เหล็กติดตู้เย็น เป็นต้น 
จุดด้อยคือ เปราะ (brittle) หักง่าย และมีความเข้มของสนามแม่เหล็กต่ำ
2).แม่เหล็กอัลนิโค (Alnico) ถูกพัฒนาขึ้นมาในปี ค.ศ. 1931 เป็นแม่เหล็กที่มีอะลูมิเนียม นิกเกิล โคบอลต์ เป็นธาตุหลัก และมีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่เล็กน้อยเพื่อปรับปรุงสมบัติของแม่เหล็ก ผลิตด้วยวิธีการหล่อ (casting) หรือการเผาผนึก (sintering) พบเป็นส่วนประกอบของมอเตอร์ไฟฟ้า ลำโพงเสียง
จุดเด่นคือ ไม่เสียสมบัติแม่เหล็กง่ายแม้ใช้ในสภาวะอุณหภูมิสูง และมีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าแม่เหล็กเซรามิก
จุดด้อยคือ ราคาแพง 
3).แม่เหล็กทิโคนอล (Ticonal) พัฒนาขึ้นมาโดยบริษัท ฟิลิปส์ สำหรับใช้กับลำโพงเครื่องเสียง แม่เหล็กชนิดนี้มีไทเทเนียม โคบอลต์ นิกเกิล และอะลูมิเนียมเป็นองค์ประกอบหลัก และมีเหล็กกับธาตุอื่นๆ ผสมอยู่เล็กน้อย

 
ตัวอย่างแม่เหล็กชนิดฉีดเข้าแบบ

4).แม่เหล็กแบบฉีดเข้าแบบ (Injection molded) องค์กอบประแม่เหล็กชนิดนี้มี 2 อย่างคือ 1.ผงเรซิน (โพลิเมอร์) ซึ่งเป็นตัวประสาน กับ 2.ผงแม่เหล็กจากวัสดุต่างๆ ดังนั้นความแรงของแม่เหล็กจึงขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุ การผลิตแม่เหล็กจะขึ้นรูปด้วยการฉีดเข้าแบบ ทำให้สามารถผลิตชิ้นงานให้มีรูปร่างซับซ้อนได้ โดยทั่วไปแม่เหล็กชนิดนี้มีความเข้มของสนามแม่เหล็กในระดับต่ำถึงปานกลาง และรับแรงกดหรือน้ำหนักได้น้อย

แม่เหล็กผสมยางทำให้ดัดโค้งงอได้

5).แม่เหล็กแบบดัดงอได้ (Flexible) แม่เหล็กชนิดนี้มีลักษณะเป็นแผ่น การผลิตใช้วิธีฉีดเข้าแบบ และใช้โพลิเมอร์ที่มีสมบัติดัดงอได้ เช่น ไวนิล (vinyl) เป็นตัวประสาน แม่เหล็กชนิดนี้มีจุดเด่นเรื่องราคาถูก แต่มีจุดด้อยเรื่องให้ความเข้มสนามแม่เหล็กต่ำ

การใช้แม่เหล็กถาวรที่มีแรงดูดมากเพื่อยกของหนัก

3.แม่เหล็กจากธาตุแรร์เอิร์ท (Rare Earth) เป็นแม่เหล็กที่ผลิตจากโลหะผสมของธาตุแรร์เอิร์ท โดยมีการพัฒนาออกมาตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 1970 – 1980 แม่เหล็กในกลุ่มนี้มีสมบัติหลายอย่างเหนือกว่าแม่เหล็กอัลนิโค และแม่เหล็กเซรามิก จึงเหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการสนามแม่เหล็กความเข้มสูง เช่น ฮาร์ดดิสต์คอมพิวเตอร์ รถไฟแม็กเลฟความเร็วสูง (mag-lev train) แม่เหล็กยกของ (magnet lifter) แต่จุดด้อยสำคัญคือ มีราคาแพง ค่อนข้างเปราะหักง่าย และไม่ทนต่อการกัดกร่อน (จึงต้องชุบหรือเคลือบผิวเพิ่มเติมเพื่อให้ทนทานต่อแรงกระแทกระหว่างการขนส่ง) ปัจจุบันมีการผลิตแม่เหล็กกลุ่มธาตุแรร์เอิร์ทออกมา 2 ชนิดคือ 1.แม่เหล็กซามาเรียมโคบอลต์ (Samarium-cobalt) และ 2.แม่เหล็กนีโอดีเมียม (Neodymium)

การเหนี่ยวนำให้เป็นแม่เหล็ก

       แม้แม่เหล็กจะสามารถผลิตได้จากวัสดุหลากหลายชนิด แต่หลังจากแปรรูปหรือขึ้นรูปวัสดุสำหรับทำแม่เหล็กเรียบร้อยแล้ว ผลิตภัณฑ์ซึ่งเป็นวัสดุผสมจะยังไม่มีอำนาจแม่เหล็ก ต้องนำมาผ่านกระบวนการเหนี่ยวนำเพื่อเปลี่ยนก้อนวัตถุนั้นให้กลายเป็นแม่เหล็ก    โดยผลิตภัณฑ์จะถูกจัดวางให้อยู่ระหว่างขั้วเหนือ – ใต้ของ*  สนามแม่เหล็กความเข้มสูงระยะเวลาหนึ่ง เพื่อให้สนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำโดเมนแม่เหล็ก (magnetic domain) ในเนื้อผลิตภัณฑ์จัดเรียงตัวอย่างมีระเบียบ และกลายเป็นแม่เหล็กถาวรที่พร้อมใช้งานต่อไป

*สนามแม่เหล็กความเข้มสูงที่ใช้เหนี่ยวนำชิ้นงานให้เป็นแม่เหล็กมาจากแม่เหล็กไฟฟ้า
 

คลิปแม่เหล็กคั่นหน้าหนังสือ

 ขอขอบคุณข้อมูลจาก http://www.mtec.or.th