Od čega su izrađeni magneti?

Magneti djeluju tajanstveno. Nevidljive sile povlače magnetske materijale zajedno ili ih, jednim dodirom jednog magneta, odvoje. Što su magneti jači, to je jača privlačnost ili odbojnost. I, naravno, sama Zemlja je magnet. Iako su neki magneti izrađeni od čelika, postoje i druge vrste magneta.

TL; DR (predugo; Nisam pročitao)

Magnetit je prirodni magnetski mineral. Predenje Zemljine jezgre generira magnetsko polje. Alnico magneti izrađeni su od aluminija, nikla i kobalta s manjim količinama aluminija, bakra i titana. Keramički ili feritni magneti izrađeni su od barijeva oksida ili od stroncijevog oksida legiranog željeznim oksidom. Dva magneta od rijetke zemlje su samarij kobalt koji sadrži slitinu samarij-kobalta s elementima u tragovima (željezo, bakar, cirkon) i neodimij željezo bor magneti.

Svaki objekt koji stvara magnetsko polje i komunicira s drugim magnetskim poljima je magnet. Magneti imaju pozitivan kraj ili pol i negativni kraj ili pol. Linije magnetnog polja pomiču se od pozitivnog pola (koji se naziva i sjeverni pol) do negativnog (južnog) pola. Magnetizam se odnosi na interakciju između dva magneta. Suprotnosti se privlače, pa se pozitivni pol magneta i negativni pol drugog magneta međusobno privlače.

Postoje tri opće vrste magneta: trajni magneti, privremeni magneti i elektromagneti. Stalni magneti zadržavaju svoju magnetsku kvalitetu tijekom duljih vremenskih razdoblja. Privremeni magneti brzo gube magnetizam. Elektromagneti koriste električnu struju za stvaranje magnetskog polja.

Stalni magneti zadržavaju svoja magnetska svojstva dulje vrijeme. Promjene trajnih magneta ovise o snazi ​​magneta i sastavu magneta. Promjene se općenito događaju zbog promjena temperature (obično porasta temperature). Magneti zagrijani na svoju Curie temperaturu trajno gube svoje magnetsko svojstvo jer se atomi pomiču iz konfiguracije koja uzrokuje magnetski učinak. Curiejeva temperatura, nazvana po otkrivaču Pierreu Curieu, varira ovisno o magnetskom materijalu.

Magnetit, prirodni trajni magnet, slab je magnet. Jači trajni magneti su Alnico, neodimij-željezni bor, samarij-kobalt i keramički ili feritni magneti. Svi ovi magneti ispunjavaju zahtjeve definicije trajnog magneta.

Magnetit

Magnetit, koji se naziva i lodestone, pružao je igle kompasa istraživačima, od kineskih lovaca na žad do svjetskih putnika. Mineralni magnetit nastaje zagrijavanjem željeza u atmosferi s niskim udjelom kisika, što rezultira spojem željeznog oksida Fe₃O₄. Dijelovi magnetita služe kao kompasi. Kompasi datiraju oko 250. pne. u Kini, gdje su ih nazivali južnim pokazivačima.

Magneti od legure Alnico

Alnico magneti su obično korišteni magneti izrađeni od spoja od 35 posto aluminija (Al), 35 posto nikla (Ni) i 15 posto kobalta (Co) sa 7 posto aluminija (Al), 4 posto bakra (Cu) i 4 posto titana (Ti). Ti su magneti razvijeni 1930-ih, a popularni 1940-ih. Temperatura ima manje utjecaja na Alnico magnete od ostalih umjetno stvorenih magneta. Alnico magneti se, međutim, mogu lakše magnetizirati, tako da se alnico magneti i potkovice moraju pravilno skladištiti kako se ne bi magnetizirali.

Alnico magneti koriste se na mnogo načina, posebno u audio sustavima poput zvučnika i mikrofona. Prednosti magneta Alnico uključuju visoku otpornost na koroziju, visoku fizičku čvrstoću (nemojte se lako cijepati, pucati ili lomiti) i otpornost na visoke temperature (do 540 Celzijevih stupnjeva). Mane uključuju slabije magnetsko povlačenje od ostalih umjetnih magneta.

Keramički (feritni) magneti

Pedesetih godina 20. stoljeća razvijena je nova skupina magneta. Tvrdi šesterokutni feriti, zvani i keramički magneti, mogu se rezati na tanje kriške i izlagati niskim razinama magnetiziranja, a da pritom ne izgube magnetska svojstva. Također su jeftine za izradu. Molekularna heksagonalna feritna struktura javlja se u oba barijeva oksida legirana željeznim oksidom (BaO ∙ 6Fe₂O₃) i stroncijev oksid legiran željeznim oksidom (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Fercijev stroncij (Sr) ima nešto bolja magnetska svojstva. Najčešće korišteni trajni magneti su feritni (keramički) magneti. Osim troškova, prednosti keramičkih magneta uključuju dobru otpornost na magnetizaciju i visoku otpornost na koroziju. Oni su, međutim, lomljivi i lako se lome.

Samarij-kobaltni magneti

Magneti od samarij-kobalta razvijeni su 1967. godine. Ti magneti, s molekularnim sastavom SmCo₅, postali su prvi komercijalni trajni magneti od rijetkih zemalja i prijelaznih metala. 1976. godine razvijena je legura samarij kobalta s elementima u tragovima (željezo, bakar i cirkon), molekularne strukture Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Ovi magneti imaju velik potencijal za upotrebu u primjenama s višim temperaturama, do oko 500 C, ali visoka cijena materijala ograničava upotrebu ove vrste magneta. Samarij je rijedak čak i među elementima rijetke zemlje, a kobalt je klasificiran kao strateški metal, pa se opskrba kontrolira.

Magneti od samarij-kobalta dobro djeluju u vlažnim uvjetima. Ostale prednosti uključuju visoku otpornost na toplinu, otpornost na niske temperature (-273 C) i visoku otpornost na koroziju. Međutim, poput keramičkih magneta, magneti samarij-kobalt su lomljivi. Oni su, kako je navedeno, skuplji.

Neodimijski željezni magneti za bor

Neodimijski željezni magneti od bora (NdFeB ili NIB) izumljeni su 1983. godine. Ti magneti sadrže 70 posto željeza, 5 posto bora i 25 posto neodima, elementa rijetke zemlje. NIB magneti brzo korodiraju, tako da tijekom proizvodnog postupka dobivaju zaštitnu prevlaku, obično nikl. Umjesto nikla mogu se koristiti premazi od aluminija, cinka ili epoksidne smole.

Iako su NIB magneti najjači poznati trajni magneti, oni imaju i najnižu Curiejevu temperaturu, oko 350 C (neki izvori kažu i do 80 C), od ostalih trajnih magneta. Ova niska Curiejeva temperatura ograničava njihovu industrijsku uporabu. Neodimijski željezni borni magneti postali su bitan dio kućanske elektronike, uključujući mobitele i računala. Neodimij-željezo-bor magneti također se koriste u uređajima za magnetsku rezonancu (MRI).

Prednosti NIB magneta uključuju omjer snage i mase (do 1.300 puta), visoku otpornost na magnetizaciju pri ugodnim temperaturama i isplativost. Mane uključuju gubitak magnetizma pri nižim Curievim temperaturama, nisku otpornost na koroziju (ako je oplata je oštećena) i krhkost (mogu se slomiti, puknuti ili se usitniti pri iznenadnim sudarima s drugim magnetima ili metali. (Pogledajte Resursi za magnetsko voće, aktivnost koja koristi NIB magnete.)

Privremeni magneti sastoje se od onoga što se naziva mekim željeznim materijalima. Mekano željezo znači da se atomi i elektroni mogu poravnati unutar željeza, ponašajući se kao magnet kao neko vrijeme. Popis magnetskih metala uključuje čavle, spajalice i druge materijale koji sadrže željezo. Privremeni magneti postaju magneti kada su izloženi ili smješteni unutar magnetskog polja. Na primjer, igla koju trlja magnet postaje privremeni magnet jer magnet uzrokuje poravnanje elektrona unutar igle. Ako je magnetsko polje ili izloženost magnetu dovoljno jako, meko glačalo može postati trajni magnet, barem dok atomi ne izgube svoje poravnanje zbog vrućine, udara ili vremena.

Treća vrsta magneta javlja se kada električna energija prolazi kroz žicu. Omotavanjem žice oko meke željezne jezgre pojačava se snaga magnetskog polja. Povećanje električne energije povećava snagu magnetskog polja. Kad struja prolazi kroz žicu, magnet radi. Zaustavite protok elektrona i magnetsko polje se urušava. (Pogledajte Resurse za PhET simulaciju elektromagnetizma.)

Najveći magnet na svijetu zapravo je Zemlja. Čvrsta unutarnja jezgra Zemlje koja se okreće u vanjskoj jezgri tekućeg željeza i nikla ponaša se poput dinama, stvarajući magnetsko polje. Slabo magnetsko polje djeluje poput šipkastog magneta nagnutog na oko 11 stupnjeva od Zemljine osi. Sjeverni kraj ovog magnetskog polja je južni pol šipkastog magneta. Budući da se suprotna magnetska polja međusobno privlače, sjeverni kraj magnetskog kompasa pokazuje na južni kraj Zemljinog magnetskog polja smještenog u blizini sjevernog pola (da se izrazimo drugi način, Zemljin se južni magnetski pol zapravo nalazi u blizini geografskog sjevernog pola, iako ćete često vidjeti taj južni magnetski pol označen kao sjeverni magnetski pol).

Zemljino magnetsko polje stvara magnetosferu koja okružuje Zemlju. Interakcija sunčevog vjetra s magnetosferom uzrokuje sjeverno i južno svjetlo poznato kao Aurora Borealis i Aurora Australis.

Magnetsko polje Zemlje također utječe na minerale željeza u tokovima lave. Minerali željeza u lavi poravnavaju se sa Zemljinim magnetskim poljem. Ovi poravnati minerali "lede" se na mjestu dok se lava hladi. Pružaju studije magnetskih poravnanja u tokovima bazalta s obje strane srednjoatlantskog grebena dokaz ne samo za preokret Zemljinog magnetskog polja već i za teoriju ploča tektonika.