От какво са направени магнитите?

Магнитите изглеждат загадъчни. Невидими сили придърпват магнитните материали заедно или с обръщане на един магнит ги раздалечават. Колкото по-силни са магнитите, толкова по-силно е привличането или отблъскването. И, разбира се, самата Земя е магнит. Докато някои магнити са направени от стомана, съществуват и други видове магнити.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Магнетитът е естествен магнитен минерал. Въртящото се земно ядро ​​генерира магнитно поле. Магнитите Alnico са изработени от алуминий, никел и кобалт с по-малки количества алуминий, мед и титан. Керамичните или феритни магнити са направени или от бариев оксид, или от стронциев оксид, легиран с железен оксид. Два рядкоземни магнита са самариев кобалт, който съдържа сплав от самарий-кобалт с микроелементи (желязо, мед, циркон) и неодимови железни борни магнити.

Всеки обект, който произвежда магнитно поле и взаимодейства с други магнитни полета, е магнит. Магнитите имат положителен край или полюс и отрицателен край или полюс. Линиите на магнитното поле се движат от положителния полюс (наричан още северния полюс) към отрицателния (южния) полюс. Магнетизмът се отнася до взаимодействието между два магнита. Противоположностите се привличат, така че положителният полюс на магнита и отрицателният полюс на друг магнит се привличат.

Съществуват три основни типа магнити: постоянни магнити, временни магнити и електромагнити. Постоянните магнити запазват магнитното си качество за дълги периоди от време. Временните магнити бързо губят магнетизма си. Електромагнитите използват електрически ток за генериране на магнитно поле.

Постоянните магнити задържат своите магнитни свойства за дълги периоди от време. Промените в постоянните магнити зависят от силата на магнита и неговия състав. Промените обикновено се случват поради промени в температурата (обикновено повишаване на температурата). Магнитите, нагрявани до температурата на Кюри, губят трайно магнитните си свойства, тъй като атомите се изместват извън конфигурацията, която причинява магнитния ефект. Температурата на Кюри, наречена на откривателя Пиер Кюри, варира в зависимост от магнитния материал.

Магнетитът, естествен постоянен магнит, е слаб магнит. По-силните постоянни магнити са алнико, неодимов железен бор, самарий-кобалт и керамични или феритни магнити. Всички тези магнити отговарят на изискванията на определението за постоянен магнит.

Магнетит

Магнетитът, наричан още лодестон, предоставя игли за компас от изследователи, вариращи от китайски ловци на нефрит до световни пътешественици. Минералният магнетит се образува при нагряване на желязото в атмосфера с ниско съдържание на кислород, което води до съединението на железен оксид Fe₃О₄. Пръчки от магнетит служат като компаси. Компасите датират от около 250 г. пр.н.е. в Китай, където ги наричали южни указатели.

Магнити Alnico Alloy

Магнитите Alnico са често използвани магнити, направени от съединение от 35% алуминий (Al), 35% никел (Ni) и 15% кобалт (Co) със 7% алуминий (Al), 4% мед (Cu) и 4% титан (Ti). Тези магнити са разработени през 30-те години и стават популярни през 40-те години. Температурата има по-малък ефект върху магнитите Alnico, отколкото други изкуствено създадени магнити. Магнитите Alnico могат да се размагнетизират по-лесно, така че магнитите Alnico и подкови трябва да се съхраняват правилно, за да не се размагнитят.

Магнитите Alnico се използват по много начини, особено в аудио системи като високоговорители и микрофони. Предимствата на магнитите Alnico включват висока устойчивост на корозия, висока физическа якост (не се разкъсват, напукват или чупят лесно) и устойчивост на висока температура (до 540 градуса по Целзий). Недостатъците включват по-слабо магнитно привличане от другите изкуствени магнити.

Керамични (феритни) магнити

През 50-те години е разработена нова група магнити. Твърдите шестоъгълни ферити, наричани още керамични магнити, могат да бъдат нарязани на по-тънки резени и да бъдат изложени на нискомагнитни полета без загуба на магнитните си свойства. Те също са евтини за производство. Молекулярната хексагонална феритна структура се среща както в бариев оксид, легиран с железен оксид (BaO ∙ 6Fe₂О₃) и стронциев оксид, легиран с железен оксид (SrO ∙ 6Fe₂О₃). Сенциевият (Sr) ферит има малко по-добри магнитни свойства. Най-често използваните постоянни магнити са феритни (керамични) магнити. Освен разходите, предимствата на керамичните магнити включват добра устойчивост на размагнитване и висока устойчивост на корозия. Те обаче са чупливи и се чупят лесно.

Самарий-кобалтови магнити

Самариево-кобалтовите магнити са разработени през 1967г. Тези магнити с молекулен състав на SmCo₅, станаха първите търговски постоянни магнити от редки земни и преходни метали. През 1976 г. е разработена сплав от самариев кобалт с микроелементи (желязо, мед и циркон), с молекулярна структура на Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Тези магнити имат голям потенциал за използване при приложения с по-висока температура, до около 500 C, но високата цена на материалите ограничава използването на този тип магнити. Самарият е рядък дори сред редкоземните елементи, а кобалтът е класифициран като стратегически метал, така че доставките се контролират.

Самариево-кобалтовите магнити работят добре във влажни условия. Други предимства включват висока топлоустойчивост, устойчивост на ниски температури (-273 C) и висока устойчивост на корозия. Подобно на керамичните магнити обаче, самарий-кобалтовите магнити са чупливи. Както е посочено, те са по-скъпи.

Неодимови железни борни магнити

Неодимовите железни борни магнити (NdFeB или NIB) са изобретени през 1983 г. Тези магнити съдържат 70 процента желязо, 5 процента бор и 25 процента неодим, рядкоземен елемент. Магнитите NIB корозират бързо, така че те получават защитно покритие, обикновено никел, по време на производствения процес. Вместо никел могат да се използват покрития от алуминий, цинк или епоксидна смола.

Въпреки че NIB магнитите са най-силните известни постоянни магнити, те имат и най-ниската температура на Кюри, около 350 C (някои източници казват, че е само 80 C), от другите постоянни магнити. Тази ниска температура на Кюри ограничава тяхната промишлена употреба. Неодимовите железни борни магнити се превърнаха в съществена част от битовата електроника, включително мобилни телефони и компютри. Неодимовите железни борни магнити се използват и в апаратите за ядрено-магнитен резонанс (ЯМР).

Предимствата на NIB магнитите включват съотношение мощност / тегло (до 1300 пъти), висока устойчивост на размагнитване при комфортни за човека температури и икономическа ефективност. Недостатъците включват загуба на магнетизъм при по-ниски температури на Кюри, ниска устойчивост на корозия (ако покритието е повредено) и чупливост (може да се счупи, напука или да се счупи при внезапни сблъсъци с други магнити или метали. (Вижте Ресурси за магнитни плодове, дейност, използваща NIB магнити.)

Временните магнити се състоят от така наречените материали от меко желязо. Мекото желязо означава, че атомите и електроните могат да се изравнят в желязото, като се държат като магнит за известно време. Списъкът с магнитни метали включва пирони, кламери и други материали, съдържащи желязо. Временните магнити се превръщат в магнити, когато са изложени на или са поставени в магнитно поле. Например, игла, втрита от магнит, се превръща във временен магнит, тъй като магнитът кара електроните да се подравнят в иглата. Ако магнитното поле или излагането на магнита са достатъчно силни, меките ютии могат да станат постоянни магнити, поне докато топлината, ударът или времето не причинят атомите да загубят своето подравняване.

Третият тип магнит възниква, когато електричеството преминава през проводник. Увиването на жицата около мека желязна сърцевина усилва силата на магнитното поле. Увеличаването на електричеството увеличава силата на магнитното поле. Когато електричеството тече през проводника, магнитът работи. Спрете потока на електрони и магнитното поле се срива. (Вижте Ресурси за PhET симулация на електромагнетизъм.)

Най-големият магнит в света всъщност е Земята. Твърдото вътрешно ядро ​​на Земята, желязо-никел, което се върти във външното ядро ​​на течно желязо-никел, се държи като динамо, генерирайки магнитно поле. Слабото магнитно поле действа като бар магнит, наклонен на около 11 градуса от оста на Земята. Северният край на това магнитно поле е южният полюс на баровия магнит. Тъй като противоположните магнитни полета се привличат взаимно, северният край на магнитния компас сочи към южния край на магнитното поле на Земята, разположен близо до северния полюс (да го кажем друг начин, южният магнитен полюс на Земята всъщност се намира близо до северния географски полюс, въпреки че често ще видите южния магнитен полюс, обозначен като северния магнитен полюс).

Магнитното поле на Земята генерира магнитосферата, която заобикаля Земята. Взаимодействието на слънчевия вятър с магнитосферата причинява северното и южното сияние, известни като Aurora Borealis и Aurora Australis.

Магнитното поле на Земята също влияе на железните минерали в потоците от лава. Железните минерали в лавата се подравняват с магнитното поле на Земята. Тези изравнени минерали се "замразяват" на място, докато лавата се охлажда. Изследванията на магнитните изравнения в базалтовите потоци от двете страни на средноатлантическия хребет предоставят доказателства не само за обръщане на магнитното поле на Земята, но и за теорията на плочата тектоника.