Z czego wykonane są magnesy?

Zawartość

• TL; DR (Too Long; Didnt Read)
• Definiowanie magnesów i magnetyzmu
• Rodzaje magnesów
• Magnesy trwałe
• Tymczasowe Magnesy
• Elektromagnesy
• Największy magnes na świecie

Magnesy wydają się tajemnicze. Niewidzialne siły przyciągają do siebie materiały magnetyczne lub, jednym ruchem magnesu, rozsuwają je. Im silniejsze magnesy, tym silniejsze przyciąganie lub odpychanie. I oczywiście sama Ziemia jest magnesem. Chociaż niektóre magnesy są wykonane ze stali, istnieją inne rodzaje magnesów.

TL; DR (Too Long; Didnt Read)

Magnetyt jest naturalnym minerałem magnetycznym. Wirujący rdzeń Ziemi wytwarza pole magnetyczne. Magnesy Alnico wykonane są z aluminium, niklu i kobaltu z mniejszymi ilościami aluminium, miedzi i tytanu. Magnesy ceramiczne lub ferrytowe są wykonane z tlenku baru lub tlenku strontu stopowego z tlenkiem żelaza. Dwa magnesy ziem rzadkich to samaria-kobalt, który zawiera stop samaru-kobaltu z pierwiastkami śladowymi (żelazo, miedź, cyrkon) i neodymowe żelazo-bory.

Definiowanie magnesów i magnetyzmu

Każdy przedmiot, który wytwarza pole magnetyczne i wchodzi w interakcje z innymi polami magnetycznymi, jest magnesem. Magnesy mają dodatni koniec lub biegun oraz ujemny koniec lub biegun. Linie pola magnetycznego przemieszczają się od bieguna dodatniego (zwanego również biegunem północnym) do bieguna ujemnego (południowego). Magnetyzm odnosi się do interakcji między dwoma magnesami. Przeciwieństwa się przyciągają, więc biegun dodatni magnesu i biegun ujemny innego magnesu przyciągają się.

Rodzaje magnesów

Istnieją trzy ogólne typy magnesów: magnesy trwałe, magnesy tymczasowe i elektromagnesy. Magnesy trwałe zachowują swoją jakość magnetyczną przez długi czas. Tymczasowe magnesy szybko tracą swój magnetyzm. Elektromagnesy wykorzystują prąd elektryczny do generowania pola magnetycznego.

Magnesy trwałe

Magnesy trwałe zachowują swoje właściwości magnetyczne przez długi czas. Zmiany w magnesach trwałych zależą od siły magnesu i składu magnesów. Zmiany zwykle następują ze względu na zmiany temperatury (zwykle wzrost temperatury). Magnesy podgrzane do temperatury Curie trwale tracą swoje właściwości magnetyczne, ponieważ atomy przemieszczają się z konfiguracji, która powoduje efekt magnetyczny. Temperatura Curie, nazwana na cześć odkrywcy Pierre'a Curie, zmienia się w zależności od materiału magnetycznego.

Magnetyt, naturalnie występujący magnes stały, jest słabym magnesem. Silniejsze magnesy trwałe to Alnico, neodymowy żelazo-bor, samarium-kobalt oraz magnesy ceramiczne lub ferrytowe. Wszystkie te magnesy spełniają wymagania definicji magnesu stałego.

Magnetyt

Magnetyt, zwany także kamieniem lodowym, zapewniał igły do ​​kompasów od odkrywców, od chińskich łowców jadeitów po podróżników z całego świata. Mineralny magnetyt tworzy się, gdy żelazo ogrzewa się w atmosferze o niskiej zawartości tlenu, w wyniku czego powstaje związek tlenku żelaza Fe₃O₄. Odłamki magnetytu służą jako kompasy. Kompasy pochodzą z około 250 r.p.n.e. w Chinach, gdzie nazywano je wskaźnikami południowymi.

Magnesy ze stopu Alnico

Magnesy Alnico to powszechnie stosowane magnesy wykonane ze 35% aluminium (Al), 35% niklu (Ni) i 15% kobaltu (Co) z 7% aluminium (Al), 4% miedzi (Cu) i 4% tytanu ( Ti). Magnesy te zostały opracowane w latach 30. XX wieku i stały się popularne w latach 40. XX wieku. Temperatura ma mniejszy wpływ na magnesy Alnico niż inne sztucznie wytworzone magnesy. Magnesy Alnico można jednak łatwiej rozmagnesować, więc magnesy Alnico i podkowy muszą być odpowiednio przechowywane, aby nie uległy rozmagnesowaniu.

Magnesy Alnico są używane na wiele sposobów, zwłaszcza w systemach audio, takich jak głośniki i mikrofony. Zalety magnesów Alnico obejmują wysoką odporność na korozję, wysoką wytrzymałość fizyczną (nie odpryskują, nie pękają ani nie łamią się łatwo) i odporność na wysoką temperaturę (do 540 stopni Celsjusza). Wady obejmują słabsze przyciąganie magnetyczne niż inne sztuczne magnesy.

Magnesy ceramiczne (ferrytowe)

W latach 50. XX wieku opracowano nową grupę magnesów. Twarde sześciokątne ferryty, zwane również magnesami ceramicznymi, mogą być cięte na cieńsze plastry i narażone na działanie niskich pól rozmagnesowania bez utraty ich właściwości magnetycznych. Są również tanie w produkcji. Cząsteczkowa heksagonalna struktura ferrytu występuje zarówno w tlenku baru stopowym z tlenkiem żelaza (BaO ∙ 6Fe₂O₃) i tlenek strontu stopowy z tlenkiem żelaza (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Ferryt strontu (Sr) ma nieco lepsze właściwości magnetyczne. Najczęściej stosowanymi magnesami trwałymi są magnesy ferrytowe (ceramiczne). Oprócz kosztów, zalety magnesów ceramicznych obejmują dobrą odporność na rozmagnesowanie i wysoką odporność na korozję. Są jednak kruche i łatwo się łamią.

Magnesy samarowo-kobaltowe

Samarowo-kobaltowe magnesy opracowano w 1967 r. Magnesy te o składzie cząsteczkowym SmCo₅, stały się pierwszymi komercyjnymi magnesami trwałymi z metali ziem rzadkich i metali przejściowych. W 1976 r. Opracowano stop samaru kobaltu z pierwiastkami śladowymi (żelazo, miedź i cyrkon) o strukturze molekularnej Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Magnesy te mają duży potencjał do zastosowania w aplikacjach o wyższej temperaturze, do około 500 ° C, ale wysoki koszt materiałów ogranicza użycie tego typu magnesu. Samarium jest rzadkie nawet wśród pierwiastków ziem rzadkich, a kobalt jest klasyfikowany jako metal strategiczny, więc zapasy są kontrolowane.

Samarowo-kobaltowe magnesy działają dobrze w wilgotnych warunkach. Inne zalety to wysoka odporność na ciepło, odporność na niskie temperatury (-273 C) i wysoka odporność na korozję. Jednak podobnie jak magnesy ceramiczne, magnesy samarowo-kobaltowe są kruche. Są, jak stwierdzono, droższe.

Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe

Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB lub NIB) zostały wynalezione w 1983 roku. Magnesy te zawierają 70 procent żelaza, 5 procent boru i 25 procent neodymu, pierwiastka ziem rzadkich. Magnesy NIB szybko korodują, dzięki czemu otrzymują powłokę ochronną, zwykle nikiel, podczas procesu produkcyjnego. Zamiast niklu można zastosować powłoki z aluminium, cynku lub żywicy epoksydowej.

Chociaż magnesy NIB są najsilniejszymi znanymi magnesami trwałymi, mają również najniższą temperaturę Curie, około 350 ° C (niektóre źródła podają tak niskie, jak 80 ° C), spośród innych magnesów trwałych. Ta niska temperatura Curie ogranicza ich zastosowanie przemysłowe. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe stały się istotną częścią elektroniki domowej, w tym telefonów komórkowych i komputerów. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe są również stosowane w urządzeniach do rezonansu magnetycznego (MRI).

Zalety magnesów NIB obejmują stosunek mocy do masy (do 1300 razy), wysoką odporność na rozmagnesowanie w komfortowych dla człowieka temperaturach i opłacalność. Wady obejmują utratę magnetyzmu w niższych temperaturach Curie, niską odporność na korozję (jeśli poszycie jest uszkodzone) i kruchość (może pęknąć, pęknąć lub odpryskać w przypadku nagłych zderzeń z innymi magnesami lub metalami. .)

Tymczasowe Magnesy

Tymczasowe magnesy składają się z tak zwanych miękkich materiałów żelaznych. Miękkie żelazo oznacza, że ​​atomy i elektrony mogą się ustawić w żelazie, zachowując się przez pewien czas jak magnes. Lista metali magnetycznych obejmuje gwoździe, spinacze i inne materiały zawierające żelazo. Tymczasowe magnesy stają się magnesami, gdy są wystawione na działanie pola magnetycznego lub umieszczone w nim. Na przykład igła wcierana przez magnes staje się magnesem tymczasowym, ponieważ magnes powoduje wyrównanie elektronów w obrębie igły. Jeśli pole magnetyczne lub ekspozycja na magnes są wystarczająco silne, miękkie żelazka mogą stać się magnesami trwałymi, przynajmniej dopóki ciepło, wstrząs lub czas nie spowodują, że atomy utracą swoje ustawienie.

Elektromagnesy

Trzeci rodzaj magnesu występuje, gdy prąd przechodzi przez drut. Owinięcie drutu wokół miękkiego żelaznego rdzenia zwiększa siłę pola magnetycznego. Zwiększenie energii elektrycznej zwiększa siłę pola magnetycznego. Kiedy prąd przepływa przez drut, magnes działa. Zatrzymaj przepływ elektronów, a pole magnetyczne zapadnie się. (Patrz Zasoby do symulacji elektromagnetyzmu PhET.)

Największy magnes na świecie

Największym magnesem na świecie jest w rzeczywistości Ziemia. Stały wewnętrzny rdzeń żelazo-nikiel Ziemi, wirujący w ciekłym rdzeniu zewnętrznym żelazo-nikiel, zachowuje się jak dynamo, wytwarzając pole magnetyczne. Słabe pole magnetyczne działa jak magnes prętowy pochylony pod kątem około 11 stopni od osi Ziemi. Północnym krańcem tego pola magnetycznego jest biegun południowy magnesu prętowego. Ponieważ przeciwne pola magnetyczne przyciągają się wzajemnie, północny koniec kompasu magnetycznego wskazuje południowy kraniec pola magnetycznego Ziemi znajdującego się w pobliżu bieguna północnego (inaczej mówiąc, południowy biegun magnetyczny Ziemi faktycznie znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego , chociaż często widzisz ten południowy biegun magnetyczny oznaczony jako północny biegun magnetyczny).

Ziemskie pole magnetyczne generuje magnetosferę otaczającą Ziemię. Oddziaływanie wiatru słonecznego z magnetosferą powoduje północne i południowe światła znane jako Aurora Borealis i Aurora Australis.

Ziemskie pole magnetyczne wpływa również na minerały żelaza w przepływach lawy. Minerały żelaza w lawie są zgodne z polem magnetycznym Ziemi. Te wyrównane minerały „zamarzają” na swoim miejscu w miarę stygnięcia lawy. Badania wyrównania magnetycznego w przepływach bazaltu po obu stronach grzbietu środkowoatlantyckiego dostarczają dowodów nie tylko na odwrócenie pola magnetycznego Ziemi, ale także na teorię tektoniki płyt.