Od čega su napravljeni magneti?

Sadržaj

• TL; DR (Predugo; nisam pročitao)
• Definiranje magneta i magnetizma
• Vrste magneta
• Trajni magneti
• Privremeni magneti
• elektromagneti
• Najveći svjetski magnet

Magneti djeluju tajanstveno. Neviđene sile povuku magnetske materijale zajedno, ili ih, maglom jednog magneta, razdvajaju. Što su magneti jači, to je privlačnost ili odbijanje jače. I, naravno, sama Zemlja je magnet. Dok su neki magneti izrađeni od čelika, postoje i druge vrste magneta.

TL; DR (Predugo; nisam pročitao)

Magnetit je prirodni magnetski mineral. Okretanje jezgre Zemlje stvara magnetsko polje. Alnico magneti izrađeni su od aluminija, nikla i kobalta s manjim količinama aluminija, bakra i titana. Keramički ili feritni magneti izrađeni su ili od barijevog oksida ili stroncijevog oksida legiranog željeznim oksidom. Dva magneta rijetke zemlje su samarijum kobalt, koji sadrži legura samarijum-kobalta s elementima u tragovima (željezo, bakar, cirkon) i neodim magneti željeza bora.

Definiranje magneta i magnetizma

Bilo koji objekt koji proizvodi magnetsko polje i interakcije s drugim magnetskim poljem je magnet. Magneti imaju pozitivan kraj ili pol i negativan kraj ili pol. Linije magnetnog polja kreću se od pozitivnog pola (koje se naziva i sjeverni) do negativnog (južnog) pola. Magnetizam se odnosi na interakciju dvaju magneta. Suprotnosti privlače, pa se pozitivni pol magneta i negativni pol drugog magneta međusobno privlače.

Vrste magneta

Postoje tri općenite vrste magneta: stalni magneti, privremeni magneti i elektromagneti. Trajni magneti zadržavaju svoju magnetsku kvalitetu kroz dugo vremensko razdoblje. Privremeni magneti brzo gube magnetizam. Elektromagneti koriste električnu struju za stvaranje magnetskog polja.

Trajni magneti

Stalni magneti zadržavaju svoja magnetska svojstva dugo vremena. Promjene stalnih magneta ovise o jačini magneta i sastavu magneta. Promjene se obično događaju zbog promjena temperature (obično povećavanja temperature). Magneti zagrijani na temperaturu njihove Curie trajno gube magnetsko svojstvo jer se atomi pomeraju izvan konfiguracije koja uzrokuje magnetski učinak. Temperatura Curie, nazvana prema otkrića Pierre Curie, varira ovisno o magnetskom materijalu.

Magnetit, prirodni trajni magnet, slab je magnet. Jači trajni magneti su Alnico, neodim željezni bor, samarij-kobalt te keramički ili feritni magneti. Svi magneti udovoljavaju zahtjevima definicije trajnog magneta.

Magnetit

Magnetit, koji se naziva i lodestone, pružao je igle za kompas od istraživača u rasponu od kineskih lovaca na žad do svjetskih putnika. Mineralni magnetit nastaje pri zagrijavanju željeza u atmosferi s malo kisika, što rezultira nastankom željezovog oksida Fe₃O₄, Krhotine magnetita služe kao kompas. Kompasi datiraju oko 250 B.C. u Kini, gdje su ih nazivali južni pokazivači.

Magneti od legura Alnico

Alnico magneti najčešće se koriste magneti napravljeni od spoja od 35 posto aluminija (Al), 35 posto nikla (Ni) i 15 posto kobalta (Co) sa 7 posto aluminija (Al), 4 posto bakra (Cu) i 4 posto titana ( ti). Ti su magneti razvijeni u 1930-ima, a postali su popularni u četrdesetim godinama. Temperatura ima manje utjecaja na Alnico magnete od ostalih umjetno stvorenih magneta. Alnico magneti se, međutim, mogu lakše demagnetizirati, pa se Alnico trake i magneti za potkove moraju pravilno skladištiti kako ne bi postali demagnetizirani.

Alnico magneti koriste se na mnogo načina, posebno u audio sustavima poput zvučnika i mikrofona. Prednosti magneta Alnico uključuju visoku otpornost na koroziju, visoku fizičku čvrstoću (ne čipirajte, puknite i ne lomite se lako) i visoku temperaturnu otpornost (do 540 stupnjeva Celzija). Nedostaci uključuju slabije magnetsko povlačenje od ostalih umjetnih magneta.

Keramički (feritni) magneti

U pedesetim godinama 20. stoljeća razvijena je nova skupina magneta. Tvrdi šesterokutni feriti, koji se nazivaju i keramičkim magnetima, mogu se izrezati na tanje kriške i izložiti poljima demagnetiziranja na niskoj razini bez gubitka magnetskih svojstava. Oni su također jeftini za izradu. Molekularna šesterokutna feritna struktura javlja se u oba barijeva oksida legirana željeznim oksidom (BaO ∙ 6Fe₂O₃) i stroncijev oksid legiran željeznim oksidom (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Ferron stroncija (Sr) ima nešto bolja magnetska svojstva. Trajni magneti najčešće se koriste feritni (keramički) magneti. Pored troškova, prednosti keramičkih magneta uključuju i dobru otpornost na magnetizaciju i visoku otpornost na koroziju. Međutim, krhki su i lako se lome.

Samarijum-kobaltni magneti

Samarijum-kobaltni magneti razvijeni su 1967. Ovi magneti, s molekularnim sastavom SmCo₅, postali su prvi komercijalni trajni magneti rijetkih zemlja i prijelaznih metala. 1976. razvijena je slitina samarijum kobalta s elementima u tragovima (željezo, bakar i cirkon), s molekularnom strukturom Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇, Ti magneti imaju veliki potencijal za upotrebu u primjenama na višim temperaturama, do oko 500 C, ali visoki troškovi materijala ograničavaju uporabu ove vrste magneta. Samarij je rijedak čak i među rijetkozemaljskim elementima, a kobalt je klasificiran kao strateški metal, tako da se zalihe kontroliraju.

Samarijum-kobaltni magneti dobro djeluju u vlažnim uvjetima. Ostale prednosti uključuju visoku toplinsku otpornost, otpornost na niske temperature (-273 C) i visoku otpornost na koroziju. Kao i keramički magneti, samarijum-kobaltni magneti su krhki. Oni su, kako je navedeno, skuplji.

Neodimijski magneti iz željeznog bora

Neodimijski magneti iz željeznog bora (NdFeB ili NIB) izumljeni su 1983. Ovi magneti sadrže 70 posto željeza, 5 posto bora i 25 posto neodmija, rijetko zemljani element. NIB magneti se brzo korodiraju, pa tijekom procesa proizvodnje dobivaju zaštitni premaz, obično nikal. Umjesto nikla mogu se upotrijebiti obloge od aluminija, cinka ili epoksi smole.

Iako su NIB magneti najjači poznati stalni magneti, oni imaju i najnižu Curievu temperaturu, oko 350 C (neki izvori kažu da je niska i 80 C), a drugi stalni magneti. Ova niska temperatura Curie ograničava njihovu industrijsku upotrebu. Neodimijski magneti iz željeznog bora postali su bitan dio elektronike u kućanstvu, uključujući mobitele i računala. Neodimijski magneti iz bora željezo se također koriste u uređajima za magnetsku rezonancu (MRI).

Prednosti NIB magneta uključuju omjer snage i težine (do 1.300 puta), visoku otpornost na demagnetizaciju na ugodnim temperaturama i ekonomičnost. Nedostaci uključuju gubitak magnetizma na nižim temperaturama Curiea, nisku otpornost na koroziju (ako je oplata oštećena) i krhkost (može se slomiti, puknuti ili razbiti nakon iznenadnih sudara s drugim magnetima ili metalima. (Pogledajte Resursi za magnetsko voće, aktivnost pomoću NIB magneta) .)

Privremeni magneti

Privremeni magneti sastoje se od materijala koji se naziva meko željezo. Meko željezo znači da su atomi i elektroni u stanju uskladiti se unutar željeza, ponašajući se kao magnet neko vrijeme. Popis magnetskih metala uključuje čavle, kopče za papir i druge materijale koji sadrže željezo. Privremeni magneti postaju magneti kada su izloženi ili smješteni unutar magnetskog polja. Na primjer, igla koju magnet protrlja postaje privremenom magnetom jer magnet uzrokuje poravnavanje elektrona unutar igle. Ako je magnetsko polje ili izloženost magnetu dovoljno jaka, meki glačala mogu postati trajni magneti, barem dok toplina, šok ili vrijeme ne uzrokuju da atomi izgube poravnanje.

elektromagneti

Treća vrsta magneta javlja se kada električna energija prolazi kroz žicu. Omotavanje žice oko meke željezne jezgre pojačava snagu magnetskog polja. Povećanjem električne energije povećava se jakost magnetskog polja. Kad struja teče kroz žicu, magnet djeluje. Zaustavite tok elektrona i magnetsko polje se uruši. (Pogledajte Resursi za PhET simulaciju elektromagnetizma.)

Najveći svjetski magnet

Najveći svjetski magnet je, u stvari, Zemlja. Zemljina čvrsta željezna-nikalna unutarnja jezgra koja se okreće u vanjskoj jezgri tekućeg željeza i nikla ponaša se poput dinamo, stvarajući magnetsko polje. Slabo magnetsko polje djeluje poput magnetskog stuba nagnutog na oko 11 stupnjeva od Zemljine osi. Sjeverni kraj ovog magnetskog polja je južni pol magnetne trake. Budući da se suprotna magnetska polja međusobno privlače, sjeverni kraj magnetskog kompasa upućuje na južni kraj Zemljinog magnetskog polja smještenom blizu sjevernog pola (da kažem drugačije, Zemljin južni magnetski pol zapravo se nalazi u blizini geografskog sjevernog pola , iako ćete često vidjeti taj južni magnetski pol označen kao sjeverni magnetski pol).

Zemljino magnetsko polje generira magnetosferu koja okružuje Zemlju. Interakcija solarnog vjetra s magnetosferom uzrokuje sjevernu i južnu svjetlost poznatu pod nazivom Aurora Borealis i Aurora Australis.

Zemljino magnetsko polje također utječe na minerale željeza u tokovima lave. Minerali željeza u lavi poravnavaju se sa Zemljinim magnetskim poljem. Ovi usklađeni minerali „smrzavaju se“ na mjestu dok se lava hladi. Studije magnetskih poravnanja u bazaltnim tokovima s obje strane srednjeg Atlantskog grebena dokaz su ne samo za preokret Zemljinog magnetskog polja, već i za teoriju tektonike ploča.