दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक

दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बक दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों की मिश्र धातुओं से निर्मित प्रबल स्थायी चुम्बक होते हैं। 1970 और 1980 के दशक में विकसित, दुर्लभ मृदा चुम्बक सबसे मजबूत प्रकार के स्थायी चुम्बक हैं, जो फेराइट (चुंबक) या अल्निकोचुम्बक जैसे अन्य प्रकारों की तुलना में काफी मजबूत चुंबकीय क्षेत्र पैदा करते हैं। दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों द्वारा आमतौर पर उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र 1.2 टेस्ला से अधिक हो सकता है, जबकि फेराइट या सिरेमिक चुम्बक आमतौर पर 0.5 से 1टेस्ला (यूनिट) के क्षेत्र प्रदर्शित करते हैं।

दो प्रकार के होते हैं: नियोडिमियम चुम्बक और समैरियम- कोबाल्ट चुम्बक। दुर्लभ मृदा चुम्बक बेहद भंगुर होते हैं और संक्षारण के प्रति संवेदनशील भी होते हैं, इसलिए उन्हें टूटने, छिलने या पाउडर में टूटने से बचाने के लिए आमतौर पर परत चढ़ाया या लेपित किया जाता है।

दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों का विकास 1966 के आसपास शुरू हुआ, जब यूएस वायु सेना अनुसंधान प्रयोगशाला के के.जे. स्ट्रानैट और जी. हॉफ़र ने पता लगाया कि यट्रियम और कोबाल्ट के मिश्रधातु, YCo5 में उस समय ज्ञात किसी भी पदार्थ का अब तक का सबसे बड़ा चुंबकीय विषमदैशिकता स्थिरांक था।

"दुर्लभ पृथ्वी" शब्द भ्रामक हो सकता है, क्योंकि इनमें से कुछ धातुएं पृथ्वी की पर्पटी में टिन या सीसा के रूप में प्रचुर मात्रा में हो सकती हैं, लेकिन दुर्लभ पृथ्वी अयस्क क्रस्ट (सीवन) में मौजूद नहीं हैं (जैसे कोयला या कॉपर), इसलिए किसी दिए गए घन किलोमीटर क्रस्ट में वे "दुर्लभ" हैं। चीन वर्तमान में प्रमुख स्रोत है। कुछ देश दुर्लभ पृथ्वी धातुओं को रणनीतिक रूप से महत्वपूर्ण के रूप में वर्गीकृत करते हैं, और हाल ही में इन पदार्थ पर चीनी निर्यात प्रतिबंधों ने कुछ लोगों को मजबूत चुंबक विकसित करने के लिए अनुसंधान कार्यक्रम शुरू करने के लिए प्रेरित किया है जिसके लिए दुर्लभ पृथ्वी धातुओं की आवश्यकता नहीं होती है।



गुण की व्याख्या
दुर्लभ-पृथ्वी (लैंथेनाइड) तत्व धातु हैं जो लौह-चुंबकीय हैं, जिसका अर्थ है कि लोहे की तरह उन्हें स्थायी चुम्बक बनने के लिए चुम्बकित किया जा सकता है, लेकिन उनका क्यूरी तापमान (तापमान जिसके ऊपर उनकालोहचुंबकत्व गायब हो जाता है) कमरे के तापमान से नीचे होता है, इसलिए शुद्ध रूप में उनका चुंबकत्व केवल कम तापमान पर दिखाई देता है। हालांकि, वे संक्रमण धातुओं जैसे लोहा, निकल और कोबाल्ट के साथ यौगिक बनाते हैं, और इनमें से कुछ यौगिकों में क्यूरी तापमान कमरे के तापमान से काफी ऊपर होता है। इन यौगिकों से विरल-पृथ्वी चुम्बक बनाए जाते हैं।

दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों की अधिक शक्ति मुख्यतः दो कारकों के कारण होती है:


 * सबसे पहले, उनकी क्रिस्टलीय संरचनाओं में बहुत अधिक चुंबकीय विषमदैशिकता होती है। इसका मतलब यह है कि पदार्थ का क्रिस्टल विशिष्ट क्रिस्टल अक्ष के साथ अधिमानतः चुम्बकित होता है लेकिन अन्य दिशाओं में चुम्बकित करना बहुत मुश्किल होता है। अन्य चुम्बकों की तरह, दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बक सूक्ष्मक्रिस्टली कण से बने होते हैं, जो निर्माण के दौरान शक्तिशाली चुंबकीय क्षेत्र में संरेखित होते हैं, इसलिए उनके चुंबकीय अक्ष सभी एक ही दिशा में इंगित करते हैं। चुंबकीयकरण की अपनी दिशा को मोड़ने के लिए क्रिस्टल जाली का प्रतिरोध इन यौगिकों को बहुत ही उच्च चुंबकीय निग्राहिता (विचुंबकीकरण के लिए प्रतिरोध) देता है, ताकि तैयार चुंबक के भीतर मजबूत विचुंबकीकरण क्षेत्र पदार्थ के चुंबकीयकरण को कम न करे।
 * दूसरा, दुर्लभ-पृथ्वी तत्वों के परमाणुओं में उच्च चुंबकीय क्षण हो सकते हैं। उनकी कक्षीयइलेक्ट्रॉन संरचनाओं में कई अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं, अन्य तत्वों में, लगभग सभी इलेक्ट्रॉन विपरीत चक्रण वाले युग्मों में मौजूद होते हैं, इसलिए उनके चुंबकीय क्षेत्र रद्द हो जाते हैं, लेकिन दुर्लभ-पृथ्वी में बहुत कम चुंबकीय रद्दीकरण होता है। यह f-शेल के अपूर्ण भराव का परिणाम है, जिसमें 7 अयुग्मित इलेक्ट्रॉन हो सकते हैं। चुंबक में यह अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं, संरेखित होते हैं इसलिए वे एक ही दिशा में घूमते हैं, जो चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। यह पदार्थ को उच्च चुंबकत्वावशेष (संतृप्ति चुंबकीयकरण Js) देता है। अधिकतम ऊर्जा घनत्व B·Hmax,  Js2 के समानुपाती होता है, इसलिए इन पदार्थ में बड़ी मात्रा में चुंबकीय ऊर्जा को संग्रहित करने की क्षमता होती है। नियोडिमियम चुम्बकों का चुंबकीय ऊर्जा उत्पाद  B·Hmax आयतन के हिसाब से "साधारण" चुम्बकों से लगभग 18 गुना अधिक है। यह दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों को समान क्षेत्र शक्ति वाले अन्य चुम्बकों की तुलना में छोटा होने की अनुमति देता है।

चुंबकीय गुण
स्थायी चुम्बकों की तुलना करने के लिए उपयोग किए जाने वाले कुछ महत्वपूर्ण गुण हैं: चुंबकत्वावशेष (Br), जो चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को मापता है, निग्राहिता ((Hci), पदार्थ के विचुंबकित होने का प्रतिरोध, ऊर्जा उत्पाद (B·Hmax), चुंबकीय ऊर्जा का घनत्व, और क्यूरी तापमान (TC), वह तापमान जिस पर पदार्थ अपना चुंबकत्व खो देती है। दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों में उच्च अवशेषता, बहुत अधिक निग्राहिता और ऊर्जा उत्पाद होते हैं, लेकिन (नियोडिमियम के लिए) अन्य प्रकारों की तुलना में क्यूरी तापमान कम होता है। नीचे दी गई तालिका दो प्रकार के दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों, नियोडिमियम (Nd2Fe14B) और समैरियम-कोबाल्ट (SmCo5) के चुंबकीय प्रदर्शन की तुलना अन्य प्रकार के स्थायी चुम्बकों से करती है। स्रोत:

समैरियम-कोबाल्ट
समैरियम कोबाल्ट चुम्बक (रासायनिक सूत्र: SmCo5), दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बक के पहले परिवार का आविष्कार किया गया, उनकी उच्च लागत और कम चुंबकीय क्षेत्र की ताकत के कारण नियोडिमियम चुम्बक की तुलना में कम उपयोग किया जाता है। हालांकि, समैरियम-कोबाल्ट में उच्च क्यूरी तापमान होता है, जो इन चुम्बकों के लिए उन अनुप्रयोगों में जगह बनाता है जहां उच्च प्रचालन तापमान पर उच्च क्षेत्र की ताकत की आवश्यकता होती है। वे ऑक्सीकरण के लिए अत्यधिक प्रतिरोधी हैं, लेकिन निसादित समैरियम-कोबाल्ट चुम्बक भंगुर होते हैं और छिलने और टूटने का खतरा होता है और ऊष्मीय आघात के अधीन होने पर विभंजन हो सकता है।

नियोडिमियम
1980 के दशक में आविष्कार किया गया नियोडिमियम चुम्बक दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक का सबसे मजबूत और सबसे किफायती प्रकार है। वे नियोडिमियम, लोहा और बोरॉन (Nd2Fe14B) के मिश्र धातु से बने होते हैं, जिन्हें कभी-कभी एनआईबी के रूप में संक्षिप्त किया जाता है। नियोडिमियम चुम्बक का उपयोग कई अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें मजबूत, सघन स्थायी चुम्बक की आवश्यकता होती है, जैसे रज्जुहीन उपकरण के लिए इलेक्ट्रिक मोटर्स, हार्ड डिस्क ड्राइव चुंबकीय अवरोध और ज्वेलरी क्लैप्स है। उनके पास सबसे अधिक चुंबकीय क्षेत्र की ताकत होती है और उच्च निग्राहिता होती है (जो उन्हें चुंबकीय रूप से स्थिर बनाती है), लेकिन उनके पास कम क्यूरी तापमान होता है और समैरियम-कोबाल्ट चुम्बक की तुलना में ऑक्सीकरण के लिए अधिक संवेदनशील होते हैं।

संक्षारण असुरक्षित चुम्बकों को सतह की परत से छिटकने या पाउडर में उखड़ने का कारण बन सकता है। सुरक्षात्मक सतह के उपचार जैसे सोना, निकल, जस्ता, और टिन परत और एपॉक्सी-राल कोटिंग का उपयोग संक्षारण संरक्षण प्रदान कर सकता है, मजबूत सुरक्षा प्रदान करने के लिए अधिकांश नियोडिमियम चुम्बक निकल वैद्युत लेपन का उपयोग करते हैं।

मूल रूप से, इन चुम्बकों की उच्च लागत ने उनके उपयोग को उन अनुप्रयोगों तक सीमित कर दिया, जिनमें उच्च क्षेत्र शक्ति के साथ संहतता की आवश्यकता होती है। कच्चा माल और पेटेंट लाइसेंस दोनों ही महंगे थे। हालांकि, 1990 के दशक के बाद से, एनआईबी चुम्बक लगातार कम महंगे हो गए हैं, और उनकी कम लागत ने नियोडिमियम चुंबक खिलौने जैसे नए उपयोगों को प्रेरित किया है।

खतरे
दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों द्वारा लगाया गया अधिक बल ऐसे खतरे पैदा करता है जो अन्य प्रकार के चुम्बकों के साथ नहीं देखे जाते हैं। कुछ सेंटीमीटर से बड़े चुम्बक इतने मजबूत होते हैं कि दो चुम्बकों या चुम्बक और धातु की सतह के बीच पिंच किए गए शरीर के अंगों को चोट पहुँचा सकते हैं, यहाँ तक कि हड्डियाँ भी टूट जाती हैं। चुम्बकों को एक दूसरे के बहुत पास जाने की अनुमति देने से भंगुर पदार्थ को छिन्न-भिन्न करने और चकनाचूर करने के लिए पर्याप्त बल के साथ एक-दूसरे पर प्रहार कर सकते हैं, और उड़ने वाली चिप्स चोट का कारण बन सकती हैं। 2005 की शुरुआत में, शक्तिशाली चुम्बकों ने खिलौनों या चुंबकीय निर्माण सेटों को तोड़कर चोटों और मौतों का कारण बनना शुरू कर दिया। छोटे बच्चे जिन्होंने कई चुम्बकों को निगल लिया है, चुम्बकों के बीच पाचन तंत्र की एक तह दब गई है, जिससे चोट लगती है और एक मामले में आंतों में छेद, सेप्सिस और मृत्यु हो जाती है।

खिलौनों के लिए एक स्वैच्छिक मानक, स्थायी रूप से मजबूत चुम्बकों को निगलने से रोकने के लिए, और असंबद्ध चुंबक शक्ति को कैप करने के लिए, 2007 में अपनाया गया था। 2009 में, वयस्कों के लिए चुंबकीय डेस्क खिलौनों की बिक्री में अचानक वृद्धि ने चोटों में वृद्धि का कारण बना, 2012 में आपातकालीन कक्ष यात्राओं का अनुमान 3,617 था। इसके जवाब में, अमेरिकी उपभोक्ता उत्पाद सुरक्षा आयोग ने 2012 में उपभोक्ता उत्पादों में दुर्लभ-पृथ्वी चुंबक के आकार को प्रतिबंधित करने वाला एक नियम पारित किया, लेकिन नवंबर 2016 में एक शेष निर्माता द्वारा लाए गए एक मामले में अमेरिकी संघीय अदालत के फैसले से इसे हटा दिया गया था। नियम के निरस्त होने के बाद, देश में अंतर्ग्रहण की घटनाओं की संख्या तेजी से बढ़ी, और 2019 में 1,500 से अधिक होने का अनुमान है।

अनुप्रयोग
1990 के दशक में उनकी कीमतें प्रतिस्पर्धी होने के बाद से, नियोडिमियम चुम्बक आधुनिक तकनीक में शक्तिशाली चुम्बक की आवश्यकता वाले कई अनुप्रयोगों में एल्निको और फेराइट चुम्बक की जगह ले रहे हैं। उनकी अधिक ताकत किसी दिए गए एप्लिकेशन के लिए छोटे और हल्के चुम्बकों का उपयोग करने की अनुमति देती है।

सामान्य अनुप्रयोग
दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों के सामान्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
 * कंप्यूटर हार्ड डिस्क ड्राइव
 * पवन टरबाइन जनरेटर
 * ध्वनि-विस्तारक यंत्र /  हेडफोन
 * साइकिल विद्युत जनरेटर
 * एमआरआई स्कैनर
 * मछली पकड़ने की रील ब्रेक
 * ताररहित ड्रिल में स्थायी चुंबक मोटर्स
 * उच्च प्रदर्शन एसी सर्वो मोटर ्स
 * हाइब्रिड और विद्युत् वाहन  में  कर्षण मोटर ्स और एकीकृत स्टार्टर-जनरेटर
 * यांत्रिक रूप से संचालित फ्लैशलाइट्स, कंपन गति या घूर्णन (हैंड-क्रैंक-संचालित) गति में बिजली उत्पन्न करने के लिए दुर्लभ पृथ्वी चुंबकों को नियोजित करना
 * उत्पाद शुद्धता, उपकरण सुरक्षा और गुणवत्ता नियंत्रण बनाए रखने जैसे औद्योगिक उपयोग
 * लुब्रिकेटिंग ऑयल (आंतरिक दहन इंजनों के क्रैंककेस, गियरबॉक्स और डिफरेंशियल्स) में महीन धात्विक कणों को पकड़ना, ताकि उक्त कणों को प्रचलन से बाहर रखा जा सके, जिससे वे मशीन के पुर्जों के अपघर्षक पहनने में असमर्थ हो सकें।

अन्य अनुप्रयोग
दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बकों के अन्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
 * रैखिक मोटर ( मैग्लेव  ट्रेनों आदि में प्रयुक्त)
 * गति रोको एनिमेशन: टाई-डाउन के रूप में जब पारंपरिक स्क्रू और नट टाई-डाउन का उपयोग अव्यावहारिक होता है।
 * प्रतिचुंबकीय उत्तोलन प्रयोग, चुंबकीय क्षेत्र गतिकी और  अतिचालकता   मीस्नर प्रभाव  का अध्ययन।
 * इलेक्ट्रोडायनामिक बियरिंग्स
 * रोलर कोस्टर लॉन्च किया की गई जो रोलर कोस्टर और अन्य मनोरंजन सवारी की सूची में पाई गई।
 * एलईडी थ्रोइज, एक सिक्का बैटरी  बैटरी से जुड़ी छोटी एलईडी और एक छोटा दुर्लभ पृथ्वी चुंबक, जिसका उपयोग गैर-विनाशकारी भित्तिचित्र और अस्थायी सार्वजनिक कला के रूप में किया जाता है।
 * नियोडिमियम चुंबक खिलौने
 * इलेक्ट्रिक गिटार पिकअप
 * लघु आकृति (गेमिंग), जिसके लिए दुर्लभ-पृथ्वी चुम्बक ने अपने छोटे आकार और मॉडलों के बीच हथियारों की अदला-बदली में सहायता करने के लिए लघु आकार और सापेक्ष शक्ति के लिए लघु गेमिंग समुदाय में लोकप्रियता हासिल की है।

दुर्लभ-पृथ्वी-मुक्त स्थायी चुम्बक
संयुक्त राज्य ऊर्जा विभाग ने स्थायी-चुंबक प्रौद्योगिकी में दुर्लभ-पृथ्वी धातुओं के विकल्प खोजने की आवश्यकता की पहचान की है और इस तरह के शोध को वित्त पोषित करना शुरू कर दिया है। उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी-ऊर्जा (ARPA-E) ने वैकल्पिक पदार्थ विकसित करने के लिए रेयर अर्थ अल्टरनेटिव्स इन क्रिटिकल टेक्नोलॉजीज (REACT) कार्यक्रम को प्रायोजित किया है। 2011 में, एआरपीए-ई ने दुर्लभ-पृथ्वी स्थानापन्न परियोजनाओं को निधि देने के लिए 31.6 मिलियन डॉलर का पुरस्कार दिया।

पुनर्चक्रण प्रयास
यूरोपीय संघ का ETN-Demeter प्रोजेक्ट (हाइब्रिड और पूर्ण इलेक्ट्रिक वाहनों में दुर्लभ-पृथ्वी स्थायी चुंबक मोटर्स और जेनरेटर के डिजाइन और पुनर्चक्रण के लिए यूरोपीय प्रशिक्षण नेटवर्क) वाहनों में प्रयुक्त इलेक्ट्रिक मोटर्स के टिकाऊ डिजाइन की जांच कर रहा है। उदाहरण के लिए, वे इलेक्ट्रिक मोटर्स डिजाइन कर रहे हैं जिसमें दुर्लभ पृथ्वी धातुओं के पुनर्चक्रण के लिए चुम्बक को आसानी से हटाया जा सकता है।

यूरोपीय संघ की यूरोपीय अनुसंधान परिषदने प्रधान अन्वेषक, प्रो. थॉमस ज़ेम्ब, और सह-प्रमुख अन्वेषक, डॉ. जीन-क्रिस्टोफ़ पी. गेब्रियल को "कम हानिकारक उत्सर्जन के साथ दुर्लभ पृथ्वी तत्व पुनर्चक्रण: REE" परियोजना के लिए एक उन्नत अनुसंधान अनुदान से सम्मानित किया। -CYCLE", जिसका उद्देश्य दुर्लभ पृथ्वी के पुनर्चक्रण के लिए नई प्रक्रियाओं को खोजना है।

आगे की पढाई

 * Furlani Edward P. (2001). "Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications". Academic Press Series in Electromagnetism. ISBN 0-12-269951-3.
 * Campbell Peter (1996). "Permanent Magnet Materials and their Application" (Cambridge Studies in Magnetism). ISBN 978-0-521-56688-9.

बाहरी कड़ियाँ

 * Standard Specifications for Permanent Magnet Materials (Magnetic Materials Producers Association)