Z čeho jsou magnety vyrobeny?

Magnety vypadají záhadně. Neviditelné síly přitahují magnetické materiály k sobě nebo je lze otočit jedním magnetem od sebe. Čím silnější jsou magnety, tím silnější je přitažlivost nebo odpor. A samozřejmě je Země sama magnetem. Zatímco některé magnety jsou vyrobeny z oceli, existují i ​​jiné typy magnetů.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Magnetit je přírodní magnetický minerál. Rotující zemské jádro generuje magnetické pole. Alnico magnety jsou vyrobeny z hliníku, niklu a kobaltu s menším množstvím hliníku, mědi a titanu. Keramické nebo feritové magnety jsou vyrobeny z oxidu barnatého nebo oxidu strontnatého legovaného oxidem železa. Dva magnety vzácných zemin jsou samarium-kobalt, který obsahuje slitinu samarium-kobaltu se stopovými prvky (železo, měď, zirkon) a neodymové železo-bórové magnety.

Jakýkoli objekt, který vytváří magnetické pole a interaguje s jinými magnetickými poli, je magnet. Magnety mají kladný konec nebo pól a záporný konec nebo pól. Čáry magnetického pole se pohybují od kladného pólu (nazývaného také severní pól) k zápornému (jižnímu) pólu. Magnetismus označuje interakci mezi dvěma magnety. Protiklady přitahují, takže kladný pól magnetu a záporný pól jiného magnetu se navzájem přitahují.

Existují tři obecné typy magnetů: permanentní magnety, dočasné magnety a elektromagnety. Permanentní magnety si zachovávají svou magnetickou kvalitu po dlouhou dobu. Dočasné magnety rychle ztrácejí magnetismus. Elektromagnety používají elektrický proud k vytváření magnetického pole.

Permanentní magnety drží své magnetické vlastnosti po dlouhou dobu. Změny permanentních magnetů závisí na síle magnetu a jeho složení. Ke změnám obvykle dochází v důsledku změn teploty (obvykle se zvyšuje teplota). Magnety zahřáté na jejich Curieovu teplotu trvale ztrácejí své magnetické vlastnosti, protože atomy se přesouvají z konfigurace, která způsobuje magnetický efekt. Curieova teplota, pojmenovaná pro objevitele Pierra Curieho, se liší v závislosti na magnetickém materiálu.

Magnetit, přirozeně se vyskytující permanentní magnet, je slabým magnetem. Silnější permanentní magnety jsou Alnico, neodym železitý bór, samarium-kobalt a keramické nebo feritové magnety. Všechny tyto magnety splňují požadavky definice permanentních magnetů.

Magnetit

Magnetit, nazývaný také lodestone, poskytoval jehly kompasu od průzkumníků od čínských lovců nefritů po světové cestovatele. Minerální magnetit se tvoří, když se železo zahřívá v atmosféře s nízkým obsahem kyslíku, což vede ke sloučenině oxidu železa Fe₃Ó₄. Trosky magnetitu slouží jako kompasy. Kompasy sahají přibližně do roku 250 př. N.l. v Číně, kde se jim říkalo jižní ukazatele.

Alnico slitinové magnety

Alnico magnety jsou běžně používané magnety vyrobené ze směsi 35 procent hliníku (Al), 35 procent niklu (Ni) a 15 procent kobaltu (Co) se 7 procenty hliníku (Al), 4 procenty mědi (Cu) a 4 procenty titanu (Ti). Tyto magnety byly vyvinuty ve třicátých letech minulého století a staly se populární ve čtyřicátých letech minulého století. Teplota má na magnety Alnico menší vliv než jiné uměle vytvořené magnety. Alnico magnety lze demagnetizovat snadněji, proto musí být tyčinky a magnety Alnico správně uloženy, aby nedemagnetizovaly.

Magnety Alnico se používají mnoha způsoby, zejména v audio systémech, jako jsou reproduktory a mikrofony. Mezi výhody magnetů Alnico patří vysoká odolnost proti korozi, vysoká fyzická pevnost (snadno se neštípají, nepraská nebo se nerozbije) a odolnost proti vysoké teplotě (až 540 stupňů Celsia). Nevýhody zahrnují slabší magnetický tah než jiné umělé magnety.

Keramické (feritové) magnety

V padesátých letech byla vyvinuta nová skupina magnetů. Tvrdé šestihranné ferity, nazývané také keramické magnety, lze rozřezat na tenčí plátky a vystavit je nízkoúrovňovým demagnetizačním polím, aniž by ztratily své magnetické vlastnosti. Jsou také levné. Molekulární hexagonální feritová struktura se vyskytuje jak v oxidu barnatém legovaném oxidem železa (BaO ∙ 6Fe₂Ó₃) a oxid stroncia legovaný oxidem železa (SrO ∙ 6Fe₂Ó₃). Ferit stroncia (Sr) má mírně lepší magnetické vlastnosti. Nejběžněji používanými permanentními magnety jsou feritové (keramické) magnety. Kromě nákladů patří mezi výhody keramických magnetů dobrá odolnost proti demagnetizaci a vysoká odolnost proti korozi. Jsou však křehké a snadno se lámou.

Samarium-kobaltové magnety

Samarium-kobaltové magnety byly vyvinuty v roce 1967. Tyto magnety s molekulárním složením SmCo₅, se staly prvními komerčními permanentními magnety ze vzácných zemin a přechodových kovů. V roce 1976 byla vyvinuta slitina kobaltu samaria se stopovými prvky (železo, měď a zirkon) s molekulární strukturou Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Tyto magnety mají velký potenciál pro použití při vyšších teplotách, až do asi 500 ° C, ale vysoké náklady na materiály omezují použití tohoto typu magnetu. Samarium je vzácné i mezi prvky vzácných zemin a kobalt je klasifikován jako strategický kov, takže zásoby jsou kontrolovány.

Samarium-kobaltové magnety fungují dobře ve vlhkých podmínkách. Mezi další výhody patří vysoká tepelná odolnost, odolnost vůči nízkým teplotám (-273 ° C) a vysoká odolnost proti korozi. Stejně jako keramické magnety jsou ale samarium-kobaltové magnety křehké. Jsou, jak bylo uvedeno, dražší.

Neodymové magnety ze železa a boru

Magnety ze železa z neodymu (NdFeB nebo NIB) byly vynalezeny v roce 1983. Tyto magnety obsahují 70 procent železa, 5 procent boru a 25 procent neodymu, prvku vzácných zemin. Magnety NIB rychle korodují, takže během výrobního procesu dostávají ochranný povlak, obvykle nikl. Místo niklu lze použít povlaky z hliníku, zinku nebo epoxidové pryskyřice.

Ačkoli jsou NIB magnety nejsilnějšími známými permanentními magnety, mají také nejnižší Curieovu teplotu, okolo 350 C (některé zdroje uvádějí až 80 C), jiných permanentních magnetů. Tato nízká teplota Curie omezuje jejich průmyslové použití. Neodymové magnety ze železa a boru se staly nezbytnou součástí domácí elektroniky včetně mobilních telefonů a počítačů. Neodymové železné bórové magnety se také používají ve strojích pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI).

Mezi výhody magnetů NIB patří poměr výkonu k hmotnosti (až 1300krát), vysoká odolnost proti demagnetizaci při komfortních teplotách pro člověka a nákladová efektivita. Nevýhody zahrnují ztrátu magnetismu při nižších teplotách Curie, nízkou odolnost proti korozi (pokud pokovení je poškozeno) a křehkost (může se zlomit, prasknout nebo odštípnout při náhlých kolizích s jinými magnety nebo kovy. (Viz Zdroje pro magnetické ovoce, aktivita využívající magnety NIB.)

Dočasné magnety se skládají z takzvaných materiálů z měkkého železa. Měkké železo znamená, že atomy a elektrony jsou schopné se vyrovnat uvnitř železa a chovat se po určitou dobu jako magnet. Seznam magnetických kovů zahrnuje hřebíky, kancelářské sponky a další materiály obsahující železo. Dočasné magnety se stávají magnety, jsou-li vystaveny nebo umístěny v magnetickém poli. Například jehla otřená magnetem se stane dočasným magnetem, protože magnet způsobí, že se elektrony vyrovnají uvnitř jehly. Pokud je magnetické pole nebo expozice magnetu dostatečně silná, mohou se z měkkých žehliček stát permanentní magnety, a to alespoň do té doby, než žár, šok nebo čas způsobí, že atomy ztratí své vyrovnání.

Třetí typ magnetu nastává, když elektřina prochází drátem. Omotání drátu kolem jádra z měkkého železa zesiluje sílu magnetického pole. Zvyšování elektřiny zvyšuje sílu magnetického pole. Když elektřina protéká drátem, magnet funguje. Zastavte tok elektronů a magnetické pole se zhroutí. (Viz Zdroje pro simulaci elektromagnetismu PhET.)

Největším magnetem na světě je ve skutečnosti Země. Pevné vnitřní železo-niklové jádro Země, které se točí ve vnějším jádře z tekutého železa a niklu, se chová jako dynamo a vytváří magnetické pole. Slabé magnetické pole působí jako tyčový magnet nakloněný přibližně o 11 stupňů od zemské osy. Severní konec tohoto magnetického pole je jižní pól tyčového magnetu. Jelikož se protilehlá magnetická pole přitahují, severní konec magnetického kompasu ukazuje na jižní konec magnetického pole Země poblíž severního pólu ( jiným způsobem je jižní magnetický pól Země ve skutečnosti umístěn poblíž geografického severního pólu, i když často uvidíte ten jižní magnetický pól označený jako severní magnetický pól).

Zemské magnetické pole generuje magnetosféru, která obklopuje Zemi. Interakce slunečního větru s magnetosférou způsobuje severní a jižní světla známá jako Aurora Borealis a Aurora Australis.

Magnetické pole Země také ovlivňuje železné minerály v lávových proudech. Minerály železa v lávě se vyrovnávají s magnetickým polem Země. Když se láva ochladí, tyto zarovnané minerály „zamrznou“ na místě. Studie magnetického zarovnání čedičových toků na obou stranách středoatlantického hřebene poskytují důkaz nejen pro obrácení magnetického pole Země, ale také pro teorii desek tektonika.