Din ce sunt făcuți magneții?

Conţinut

• TL; DR (Prea lung; nu a citit)
• Definirea magneților și magnetismului
• Tipuri de magneți
• Magneți permanenți
• Magneți temporari
• electromagneți
• Cel mai mare magnet al lumilor

Magneții par misteriosi. Forțele nevăzute reunesc materialele magnetice împreună sau, cu rabatarea unui magnet, le împinge în afară. Cu cât magneții sunt mai puternici, cu atât este mai puternică atracția sau repulsia. Și, desigur, Pământul în sine este un magnet. În timp ce unii magneți sunt din oțel, există și alte tipuri de magneți.

TL; DR (Prea lung; nu a citit)

Magnetita este un mineral magnetic natural. Nucleul de pământ care se învârte generează un câmp magnetic. Magneții Alnico sunt construiți din aluminiu, nichel și cobalt cu cantități mai mici de aluminiu, cupru și titan. Magneții din ceramică sau din ferită sunt obținute fie din oxid de bariu, fie din oxid de stronțiu, aliat cu oxid de fier. Doi magneți de pământuri rare sunt cobaltul de samariu, care conține un aliaj de samariu-cobalt cu oligoelemente (fier, cupru, zircon) și magneți de bor de neodim.

Definirea magneților și magnetismului

Orice obiect care produce un câmp magnetic și interacționează cu alte câmpuri magnetice este un magnet. Magneții au un capăt sau pol pozitiv și un capăt sau pol negativ. Liniile câmpului magnetic se deplasează de la polul pozitiv (numit și polul nord) la polul negativ (sud). Magnetismul se referă la interacțiunea dintre doi magneți. Opozițiile se atrag, astfel încât polul pozitiv al unui magnet și polul negativ al altui magnet se atrag reciproc.

Tipuri de magneți

Există trei tipuri generale de magneți: magneți permanenți, magneți temporari și electromagneti. Magneții permanenți își păstrează calitatea magnetică pe perioade lungi de timp. Magneții temporari își pierd rapid magnetismul. Electromagnetii folosesc curent electric pentru a genera un câmp magnetic.

Magneți permanenți

Magneții permanenți își păstrează proprietățile magnetice pentru perioade lungi de timp. Modificările magneților permanenți depind de rezistența magnetului și de compoziția magneților. În general, schimbările se produc din cauza schimbărilor de temperatură (de obicei creșterea temperaturii). Magneții încălziți la temperatura Curie își pierd definitiv proprietatea magnetică, deoarece atomii se mută din configurația care provoacă efectul magnetic. Temperatura Curie, numită pentru descoperitorul Pierre Curie, variază în funcție de materialul magnetic.

Magnetita, un magnet permanent natural, este un magnet slab. Magneți permanenți mai puternici sunt magneții Alnico, borul de fier al neodimului, samalt-cobaltul și magneții din ceramică sau ferită. Acești magneți îndeplinesc toate cerințele definiției magnetului permanent.

Magnetit

Magnetita, numită și piatră de hotar, a furnizat ace de busolă de la exploratori, de la vânători chinezi de jad până la călătorii din lume. Magnetita minerală se formează atunci când fierul este încălzit într-o atmosferă cu un nivel scăzut de oxigen, rezultând compusul de oxid de fier Fe₃O₄. Slănurile de magnetită servesc drept busole. Busolele datează de aproximativ 250 B.C. în China, unde au fost numiți indicatori de sud.

Magneti din aliaj Alnico

Magneții Alnico sunt magneți obișnuiți obținuți dintr-un compus de 35% de aluminiu (Al), 35% de nichel (Ni) și 15% de cobalt (Co) cu 7% de aluminiu (Al), 4% de cupru (Cu) și 4% de titan ( Ti). Acești magneți au fost dezvoltați în anii 1930 și au devenit populari în anii ’40. Temperatura are un efect mai mic asupra magneților Alnico decât alți magneți creați artificial. Magneții Alnico pot fi demagnetizați mai ușor, astfel încât magneții Alnico pentru bare și potcoave trebuie depozitați în mod corespunzător, astfel încât să nu se demagnezeze.

Magneții Alnico sunt folosiți în mai multe moduri, în special în sistemele audio precum difuzoarele și microfoanele. Avantajele magneților Alnico includ o rezistență ridicată la coroziune, o rezistență fizică ridicată (nu se crapă, nu se fisurează sau se rupe ușor) și o rezistență ridicată la temperaturi (până la 540 de grade Celsius). Dezavantajele includ tragere magnetică mai slabă decât alți magneți artificiali.

Magneți din ceramică (ferită)

În anii '50 a fost dezvoltat un nou grup de magneți. Feritele hexagonale dure, numite și magneți ceramici, pot fi tăiate în felii mai subțiri și pot fi expuse câmpurilor de demagnetizare la nivel scăzut, fără a-și pierde proprietățile magnetice. De asemenea, sunt ieftine. Structura moleculară de ferită hexagonală are loc atât în ​​oxidul de bariu, aliat cu oxid de fier (BaO ∙ 6Fe₂O₃) și oxid de stronțiu aliat cu oxid de fier (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Ferrita de stronțiu (Sr) are proprietăți magnetice ceva mai bune. Cei mai folosiți magneți permanenți sunt magneții cu ferită (ceramică). Pe lângă costuri, avantajele magneților ceramici includ o rezistență bună de demagnetizare și o rezistență mare la coroziune. Cu toate acestea, sunt fragile și se rup ușor.

Magneți Samarium-Cobalt

Magneți de samariu-cobalt au fost dezvoltați în 1967. Acești magneți, cu o compoziție moleculară de SmCo₅, a devenit primii magneți comerciali permanenți din pământuri rare și din tranziție. În 1976 a fost dezvoltat un aliaj de cobalt de samariu cu oligoelemente (fier, cupru și zircon), cu o structură moleculară a sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Acești magneți au un potențial mare de utilizare în aplicații de temperatură mai ridicată, până la aproximativ 500 C, dar costul ridicat al materialelor limitează utilizarea acestui tip de magnet. Samariul este rar chiar printre elementele de pământuri rare, iar cobaltul este clasat ca un metal strategic, astfel încât aprovizionările sunt controlate.

Magneții de samariu-cobalt funcționează bine în condiții umede. Alte avantaje includ rezistența la căldură ridicată, rezistența la temperaturi scăzute (-273 C) și rezistența mare la coroziune. Ca și magneții ceramici, însă, magneții de samariu-cobalt sunt fragile. Acestea sunt, după cum s-a spus, mai scumpe.

Magneți de bor de neodim

Magneții de fier de neodim (NdFeB sau NIB) au fost inventați în 1983. Acești magneți conțin 70 la sută fier, 5 la sută bor și 25 la sută neodim, un element de pământuri rare. Magneții NIB se corodează rapid, astfel încât primesc o acoperire de protecție, de obicei nichel, în timpul procesului de producție. În locul nichelului pot fi utilizate acoperiri de aluminiu, zinc sau rășină epoxidică.

Deși magneții NIB sunt cei mai puternici magneți permanenți cunoscuți, aceștia au, de asemenea, cea mai scăzută temperatură Curie, aproximativ 350 C (unele surse spun la 80 C), a altor magneți permanenți. Această temperatură scăzută Curie limitează utilizarea lor industrială. Magneții cu bor de neodim au devenit o parte esențială a electronicelor casnice, inclusiv telefoanele mobile și computerele. Magneții cu bor de neodim sunt folosiți și în mașinile de rezonanță magnetică (RMN).

Avantajele magneților NIB includ raportul putere-greutate (de până la 1.300 de ori), rezistență ridicată la demagnetizare la temperaturi confortabile pentru om și rentabilitate. Dezavantajele includ pierderea magnetismului la temperaturi mai mici de Curie, rezistență scăzută la coroziune (dacă placarea este deteriorată) și fragilitate (se poate rupe, crăpa sau izola la coliziunile bruște cu alți magneți sau metale. .)

Magneți temporari

Magneții temporari constau din ceea ce se numesc materiale din fier moale. Fierul moale înseamnă că atomii și electronii sunt capabili să se alinieze în interiorul fierului, comportându-se ca un magnet pentru o perioadă de timp. Lista metalelor magnetice include cuie, agrafe și alte materiale care conțin fier. Magneții temporari devin magneți atunci când sunt expuși sau amplasați într-un câmp magnetic. De exemplu, un ac frecat de un magnet devine un magnet temporar, deoarece magnetul face ca electronii să se alinieze în interiorul acului. Dacă câmpul magnetic sau expunerea la magnet este suficient de puternică, fierul moale poate deveni magneți permanenți, cel puțin până când căldura, șocul sau timpul determină ca atomii să își piardă alinierea.

electromagneți

Al treilea tip de magnet apare când electricitatea trece printr-un fir. Înfășurarea firului în jurul unui miez moale de fier amplifică rezistența câmpului magnetic. Creșterea energiei electrice crește rezistența câmpului magnetic. Când energia electrică curge prin fir, magnetul funcționează. Opriți fluxul de electroni și câmpul magnetic se prăbușește. (Consultați Resurse pentru o simulare PhET a electromagnetismului.)

Cel mai mare magnet al lumilor

Cel mai mare magnet al lumii este, de fapt, Pământul. Nucleul interior fier-nichel solid al Pământului care se învârte în miezul exterior lichid-nichel se comportă ca un dinam, generând un câmp magnetic. Câmpul magnetic slab acționează ca un magnet de bară înclinat la aproximativ 11 grade față de axa Pământului. Capătul nord al acestui câmp magnetic este polul sud al magnetului de bare. Întrucât câmpurile magnetice opuse se atrag reciproc, capătul nordic al unei busole magnetice indică capătul de sud al câmpului magnetic al Pământului situat în apropierea polului nord (pentru a spune altfel, polul magnetic sud al Pământului este de fapt situat în apropierea polului nord geografic. deși deseori veți vedea că polul magnetic sud etichetat drept polul magnetic nord).

Câmpul magnetic al Pământului generează magnetosfera care înconjoară Pământul. Interacțiunea vântului solar cu magnetosfera provoacă luminile nordice și sudice cunoscute sub numele de Aurora Borealis și Aurora Australis.

Câmpul magnetic al Pământului are impact și asupra mineralelor de fier din fluxurile de lavă. Mineralele de fier din lavă se aliniază câmpului magnetic al Pământului. Aceste minerale aliniate "îngheață" în loc pe măsură ce lavă se răcește. Studiile privind alinierile magnetice în fluxurile de bazalt de o parte și de alta a coastei de la mijlocul Atlanticului oferă dovezi nu numai pentru inversările câmpului magnetic al Pământului, ci și pentru teoria tectonicii plăcilor.