Από τι κατασκευάζονται οι μαγνήτες;

Οι μαγνήτες φαίνονται μυστηριώδεις. Οι αόρατες δυνάμεις τραβούν τα μαγνητικά υλικά μεταξύ τους ή, με το κτύπημα ενός μαγνήτη, τα σπρώχνουν. Όσο ισχυρότεροι είναι οι μαγνήτες, τόσο ισχυρότερη είναι η έλξη ή η απώθηση. Και, φυσικά, η ίδια η Γη είναι ένας μαγνήτης. Ενώ ορισμένοι μαγνήτες είναι κατασκευασμένοι από χάλυβα, υπάρχουν άλλοι τύποι μαγνητών.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Ο μαγνητίτης είναι ένα φυσικό μαγνητικό ορυκτό. Ο περιστρεφόμενος πυρήνας της Γης δημιουργεί μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνήτες Alnico είναι κατασκευασμένοι από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο με μικρότερες ποσότητες αλουμινίου, χαλκού και τιτανίου. Κεραμικοί ή φερρίτες μαγνήτες είναι κατασκευασμένοι είτε από οξείδιο του βαρίου είτε από οξείδιο του στροντίου που είναι κράματα με οξείδιο του σιδήρου. Δύο μαγνήτες σπάνιων γαιών είναι το κοβάλτιο σαμαρίου, το οποίο περιέχει ένα κράμα σαμαρίου-κοβαλτίου με ιχνοστοιχεία (σίδηρος, χαλκός, ζιργκόν) και μαγνήτες βορίου σιδήρου νεοδυμίου.

Κάθε αντικείμενο που παράγει μαγνητικό πεδίο και αλληλεπιδρά με άλλα μαγνητικά πεδία είναι μαγνήτης. Οι μαγνήτες έχουν θετικό άκρο ή πόλο και αρνητικό άκρο ή πόλο. Οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου μετακινούνται από τον θετικό πόλο (ονομάζεται επίσης βόρειος πόλος) στον αρνητικό (νότιο) πόλο. Ο μαγνητισμός αναφέρεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μαγνητών. Τα αντίθετα προσελκύουν, έτσι ο θετικός πόλος ενός μαγνήτη και ο αρνητικός πόλος ενός άλλου μαγνήτη προσελκύουν ο ένας τον άλλον.

Υπάρχουν τρεις γενικοί τύποι μαγνητών: μόνιμοι μαγνήτες, προσωρινοί μαγνήτες και ηλεκτρομαγνήτες. Οι μόνιμοι μαγνήτες διατηρούν τη μαγνητική τους ποιότητα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Οι προσωρινοί μαγνήτες χάνουν γρήγορα τον μαγνητισμό τους. Οι ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα για τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου.

Οι μόνιμοι μαγνήτες διατηρούν τις μαγνητικές τους ιδιότητες για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Οι αλλαγές στους μόνιμους μαγνήτες εξαρτώνται από την ισχύ του μαγνήτη και τη σύνθεση του μαγνήτη. Οι αλλαγές γενικά συμβαίνουν λόγω αλλαγών στη θερμοκρασία (συνήθως αυξανόμενη θερμοκρασία). Οι μαγνήτες που θερμαίνονται στη θερμοκρασία Curie χάνουν μόνιμα τη μαγνητική τους ιδιότητα επειδή τα άτομα μετατοπίζονται από τη διαμόρφωση που προκαλεί το μαγνητικό αποτέλεσμα. Η θερμοκρασία Curie, που ονομάστηκε για τον ανακάλυψη Pierre Curie, ποικίλλει ανάλογα με το μαγνητικό υλικό.

Ο μαγνητίτης, ένας φυσικός μόνιμος μαγνήτης, είναι ένας ασθενής μαγνήτης. Ισχυρότεροι μόνιμοι μαγνήτες είναι Alnico, βόριο σιδήρου νεοδυμίου, σαμάριο-κοβάλτιο και κεραμικοί ή φερρίτες μαγνήτες. Αυτοί οι μαγνήτες πληρούν όλες τις απαιτήσεις του ορισμού του μόνιμου μαγνήτη.

Μαγνήτης

Ο μαγνητίτης, που ονομάζεται επίσης ασβεστόλιθος, παρείχε βελόνες πυξίδας από εξερευνητές που κυμαίνονται από Κινέζους κυνηγούς νεφρίτη έως ταξιδιώτες παγκοσμίως. Ο ορυκτός μαγνητίτης σχηματίζεται όταν ο σίδηρος θερμαίνεται σε ατμόσφαιρα χαμηλού οξυγόνου, με αποτέλεσμα την ένωση σιδήρου οξειδίου Fe₃Ο₄. Οι πλάκες μαγνητίτη χρησιμεύουν ως πυξίδες. Οι πυξίδες χρονολογούνται περίπου στο 250 π.Χ. στην Κίνα, όπου ονομάστηκαν νότια δείκτες.

Μαγνήτες κράματος Alnico

Οι μαγνήτες Alnico είναι συνήθως χρησιμοποιούμενοι μαγνήτες κατασκευασμένοι από ένωση 35% αλουμίνιο (Al), 35% νικέλιο (Ni) και 15% κοβάλτιο (Co) με 7% αλουμίνιο (Al), 4% χαλκό (Cu) και 4% τιτάνιο (Ti). Αυτοί οι μαγνήτες αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1930 και έγιναν δημοφιλείς τη δεκαετία του 1940. Η θερμοκρασία έχει μικρότερη επίδραση στους μαγνήτες Alnico από άλλους μαγνήτες τεχνητά δημιουργημένους. Οι μαγνήτες Alnico μπορούν να απομαγνητοποιηθούν πιο εύκολα, ωστόσο, έτσι οι μαγνήτες ράβδων και πετάλου Alnico πρέπει να αποθηκεύονται σωστά, ώστε να μην απομαγνητίζονται.

Οι μαγνήτες Alnico χρησιμοποιούνται με πολλούς τρόπους, ειδικά σε συστήματα ήχου όπως ηχεία και μικρόφωνα. Τα πλεονεκτήματα των μαγνητών Alnico περιλαμβάνουν υψηλή αντοχή στη διάβρωση, υψηλή φυσική αντοχή (μην τσιμπάνε, σπάει ή σπάει εύκολα) και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία (έως 540 βαθμούς Κελσίου). Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν ασθενέστερη μαγνητική έλξη από άλλους τεχνητούς μαγνήτες.

Κεραμικοί (φερρίτης) μαγνήτες

Στη δεκαετία του 1950 αναπτύχθηκε μια νέα ομάδα μαγνητών. Οι σκληροί εξαγωνικοί φερρίτες, που ονομάζονται επίσης κεραμικοί μαγνήτες, μπορούν να κοπούν σε λεπτές φέτες και να εκτεθούν σε πεδία απομαγνητισμού χαμηλού επιπέδου χωρίς να χάσουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Είναι επίσης φθηνά να φτιάξουν. Η μοριακή εξαγωνική δομή φερρίτη εμφανίζεται και στα δύο οξείδιο του βαρίου που είναι κράματα με οξείδιο του σιδήρου (BaO ∙ 6Fe₂Ο₃) και οξείδιο του στροντίου σε κράμα με οξείδιο του σιδήρου (SrO ∙ 6Fe₂Ο₃). Ο φερρίτης στροντίου (Sr) έχει ελαφρώς καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι μόνιμοι μαγνήτες είναι οι φερρίτες (κεραμικοί) μαγνήτες. Εκτός από το κόστος, τα πλεονεκτήματα των κεραμικών μαγνητών περιλαμβάνουν την καλή αντίσταση απομαγνητισμού και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Ωστόσο, είναι εύθραυστα και σπάνε εύκολα.

Μαγνήτες Σαμαρίου-Κοβαλτίου

Οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου αναπτύχθηκαν το 1967. Αυτοί οι μαγνήτες, με μοριακή σύνθεση SmCo₅, έγινε ο πρώτος εμπορικός μόνιμος μαγνήτης σπάνιων γαιών και μετάλλων μετάβασης. Το 1976 αναπτύχθηκε ένα κράμα κοβαλτίου σαμαρίου με ιχνοστοιχεία (σίδηρος, χαλκός και ζιργκόν), με μοριακή δομή Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Αυτοί οι μαγνήτες έχουν μεγάλες δυνατότητες χρήσης σε εφαρμογές υψηλότερης θερμοκρασίας, έως περίπου 500 C, αλλά το υψηλό κόστος των υλικών περιορίζει τη χρήση αυτού του τύπου μαγνήτη. Το Samarium είναι σπάνιο ακόμη και μεταξύ των στοιχείων σπάνιων γαιών, και το κοβάλτιο χαρακτηρίζεται ως στρατηγικό μέταλλο, επομένως οι προμήθειες ελέγχονται.

Οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου λειτουργούν καλά σε υγρές συνθήκες. Άλλα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν υψηλή αντοχή στη θερμότητα, αντίσταση σε χαμηλές θερμοκρασίες (-273 C) και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Όπως και οι κεραμικοί μαγνήτες, ωστόσο, οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου είναι εύθραυστοι. Είναι, όπως αναφέρεται, πιο ακριβά.

Μαγνήτες βόριου σιδήρου νεοδυμίου

Οι μαγνήτες από βόριο σιδήρου νεοδυμίου (NdFeB ή NIB) εφευρέθηκαν το 1983. Αυτοί οι μαγνήτες περιέχουν 70 τοις εκατό σίδηρο, 5 τοις εκατό βόριο και 25 τοις εκατό νεοδύμιο, ένα στοιχείο σπάνιων γαιών. Οι μαγνήτες NIB διαβρώνουν γρήγορα, οπότε δέχονται προστατευτική επίστρωση, συνήθως νικέλιο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παραγωγής. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν επικαλύψεις αλουμινίου, ψευδαργύρου ή εποξειδικής ρητίνης αντί νικελίου.

Αν και οι μαγνήτες NIB είναι οι ισχυρότεροι γνωστοί μόνιμοι μαγνήτες, έχουν επίσης τη χαμηλότερη θερμοκρασία Curie, περίπου 350 C (ορισμένες πηγές λένε τόσο χαμηλές όσο 80 C), από άλλους μόνιμους μαγνήτες. Αυτή η χαμηλή θερμοκρασία Curie περιορίζει τη βιομηχανική τους χρήση. Οι μαγνήτες βορίου του σιδήρου νεοδυμίου έχουν καταστεί ουσιαστικό μέρος των ηλεκτρονικών ειδών οικιακής χρήσης, συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων και των υπολογιστών. Οι μαγνήτες βορίου σιδήρου νεοδυμίου χρησιμοποιούνται επίσης σε μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας (MRI).

Τα πλεονεκτήματα των μαγνητών NIB περιλαμβάνουν αναλογία ισχύος προς βάρος (έως 1.300 φορές), υψηλή αντίσταση στον απομαγνητισμό σε θερμοκρασίες που είναι άνετες για τον άνθρωπο και οικονομική σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν την απώλεια μαγνητισμού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες Curie, χαμηλή αντίσταση στη διάβρωση (εάν το η επένδυση είναι κατεστραμμένη) και η ευθραυστότητα (μπορεί να σπάσει, να σπάσει ή να σπάσει σε ξαφνικές συγκρούσεις με άλλους μαγνήτες ή μέταλλα. (Δείτε πόρους για μαγνητικά φρούτα, μια δραστηριότητα που χρησιμοποιεί μαγνήτες NIB.)

Οι προσωρινοί μαγνήτες αποτελούνται από αυτά που ονομάζονται υλικά μαλακού σιδήρου. Το μαλακό σίδερο σημαίνει ότι τα άτομα και τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να ευθυγραμμιστούν μέσα στο σίδερο, να συμπεριφέρονται ως μαγνήτης για κάποιο χρονικό διάστημα. Η λίστα μαγνητικών μετάλλων περιλαμβάνει καρφιά, συνδετήρες και άλλα υλικά που περιέχουν σίδερο. Οι προσωρινοί μαγνήτες γίνονται μαγνήτες όταν εκτίθενται ή τοποθετούνται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Για παράδειγμα, μια βελόνα που τρίβεται από έναν μαγνήτη γίνεται προσωρινός μαγνήτης επειδή ο μαγνήτης αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να ευθυγραμμιστούν μέσα στη βελόνα. Εάν το μαγνητικό πεδίο ή η έκθεση στον μαγνήτη είναι αρκετά ισχυρό, τα μαλακά σίδερα μπορεί να γίνουν μόνιμοι μαγνήτες, τουλάχιστον έως ότου η θερμότητα, το σοκ ή ο χρόνος αναγκάσει τα άτομα να χάσουν την ευθυγράμμισή τους.

Ο τρίτος τύπος μαγνήτη συμβαίνει όταν η ηλεκτρική ενέργεια διέρχεται μέσω καλωδίου. Το τύλιγμα του καλωδίου γύρω από έναν μαλακό πυρήνα σιδήρου ενισχύει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Η αύξηση της ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνει την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Όταν η ηλεκτρική ενέργεια ρέει μέσω του καλωδίου, ο μαγνήτης λειτουργεί. Σταματήστε τη ροή ηλεκτρονίων και το μαγνητικό πεδίο καταρρέει. (Δείτε πόρους για προσομοίωση ηλεκτρομαγνητισμού PhET.)

Ο μεγαλύτερος μαγνήτης στον κόσμο είναι, στην πραγματικότητα, η Γη. Ο στερεός εσωτερικός πυρήνας σιδήρου-νικελίου της Γης που περιστρέφεται στον υγρό εξωτερικό πυρήνα σιδήρου-νικελίου συμπεριφέρεται σαν δυναμό, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Το ασθενές μαγνητικό πεδίο ενεργεί σαν ένας μαγνήτης ράβδου που έχει κλίση περίπου 11 μοίρες από τον άξονα της Γης. Το βόρειο άκρο αυτού του μαγνητικού πεδίου είναι ο νότιος πόλος του μαγνήτη ράβδου. Δεδομένου ότι αντίθετα μαγνητικά πεδία προσελκύουν το ένα το άλλο, το βόρειο άκρο μιας μαγνητικής πυξίδας δείχνει στο νότιο άκρο του μαγνητικού πεδίου της Γης που βρίσκεται κοντά στο βόρειο πόλο με άλλο τρόπο, ο νότιος μαγνητικός πόλος της Γης βρίσκεται στην πραγματικότητα κοντά στο γεωγραφικό βόρειο πόλο, αν και θα δείτε συχνά ότι ο νότιος μαγνητικός πόλος φέρει την ένδειξη βόρειο μαγνητικό Πόλος).

Το μαγνητικό πεδίο της Γης δημιουργεί τη μαγνητόσφαιρα που περιβάλλει τη Γη. Η αλληλεπίδραση του ηλιακού ανέμου με τη μαγνητόσφαιρα προκαλεί τα βόρεια και νότια φώτα γνωστά ως Aurora Borealis και Aurora Australis.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης επηρεάζει επίσης τα μεταλλεύματα σιδήρου στις ροές λάβας. Τα μεταλλικά σίδηρο στη λάβα ευθυγραμμίζονται με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Αυτά τα ευθυγραμμισμένα ορυκτά "παγώνουν" στη θέση τους καθώς η λάβα κρυώνει. Παρέχονται μελέτες μαγνητικών ευθυγραμμίσεων σε βασάλτες ροές και στις δύο πλευρές της μεσοατλαντικής κορυφογραμμής στοιχεία όχι μόνο για αντιστροφές του μαγνητικού πεδίου της Γης αλλά και για τη θεωρία της πλάκας τεκτονική.