Di cosa sono fatti i magneti?

I magneti sembrano misteriosi. Forze invisibili uniscono i materiali magnetici o, con la rotazione di un magnete, li allontanano. Più forti sono i magneti, più forte è l'attrazione o la repulsione. E, naturalmente, la Terra stessa è un magnete. Mentre alcuni magneti sono realizzati in acciaio, esistono altri tipi di magneti.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

La magnetite è un minerale magnetico naturale. Il nucleo rotante della Terra genera un campo magnetico. I magneti Alnico sono realizzati in alluminio, nichel e cobalto con quantità minori di alluminio, rame e titanio. I magneti in ceramica o ferrite sono realizzati in ossido di bario o ossido di stronzio in lega con ossido di ferro. Due magneti di terre rare sono il samario cobalto, che contiene una lega di samario-cobalto con oligoelementi (ferro, rame, zircone) e magneti al neodimio ferro-boro.

Qualsiasi oggetto che produce un campo magnetico e interagisce con altri campi magnetici è un magnete. I magneti hanno un'estremità o un polo positivo e un'estremità o un polo negativo. Le linee del campo magnetico si spostano dal polo positivo (chiamato anche polo nord) al polo negativo (sud). Il magnetismo si riferisce all'interazione tra due magneti. Gli opposti si attraggono, quindi il polo positivo di un magnete e il polo negativo di un altro magnete si attraggono.

Esistono tre tipi generali di magneti: magneti permanenti, magneti temporanei ed elettromagneti. I magneti permanenti mantengono la loro qualità magnetica per lunghi periodi di tempo. I magneti temporanei perdono rapidamente il loro magnetismo. Gli elettromagneti utilizzano la corrente elettrica per generare un campo magnetico.

I magneti permanenti mantengono le loro proprietà magnetiche per lunghi periodi di tempo. I cambiamenti nei magneti permanenti dipendono dalla forza del magnete e dalla composizione del magnete. I cambiamenti generalmente si verificano a causa di variazioni di temperatura (di solito l'aumento della temperatura). I magneti riscaldati alla loro temperatura di Curie perdono permanentemente la loro proprietà magnetica perché gli atomi si spostano fuori dalla configurazione che causa l'effetto magnetico. La temperatura di Curie, così chiamata dallo scopritore Pierre Curie, varia a seconda del materiale magnetico.

La magnetite, un magnete permanente naturale, è un magnete debole. I magneti permanenti più potenti sono Alnico, neodimio ferro boro, samario-cobalto e magneti in ceramica o ferrite. Questi magneti soddisfano tutti i requisiti della definizione di magnete permanente.

Magnetite

La magnetite, chiamata anche calamita, ha fornito aghi di bussola da esploratori che vanno dai cacciatori di giada cinesi ai viaggiatori del mondo. La magnetite minerale si forma quando il ferro viene riscaldato in un'atmosfera a basso contenuto di ossigeno, dando luogo al composto di ossido di ferro Fe₃oh₄. Schegge di magnetite fungono da compasso. I compassi risalgono al 250 a.C. circa. in Cina, dove erano chiamati puntatori sud.

Magneti in lega di alnico

I magneti Alnico sono magneti comunemente usati realizzati con un composto di 35 percento di alluminio (Al), 35 percento di nichel (Ni) e 15% di cobalto (Co) con 7% di alluminio (Al), 4% di rame (Cu) e 4% di titanio (Ti). Questi magneti sono stati sviluppati negli anni '30 e sono diventati popolari negli anni '40. La temperatura ha un effetto minore sui magneti Alnico rispetto ad altri magneti creati artificialmente. I magneti in Alnico possono essere smagnetizzati più facilmente, tuttavia, quindi i magneti a barra e a ferro di cavallo in Alnico devono essere conservati correttamente in modo che non si smagnetifichino.

I magneti in alnico sono usati in molti modi, specialmente in sistemi audio come altoparlanti e microfoni. I vantaggi dei magneti Alnico includono un'elevata resistenza alla corrosione, un'elevata resistenza fisica (non si scheggiano, si spezzano o si rompono facilmente) e resistenza alle alte temperature (fino a 540 gradi Celsius). Gli svantaggi includono un'attrazione magnetica più debole rispetto ad altri magneti artificiali.

Magneti in ceramica (ferrite)

Negli anni '50 fu sviluppato un nuovo gruppo di magneti. Le ferriti esagonali dure, chiamate anche magneti ceramici, possono essere tagliate in fette più sottili ed essere esposte a campi smagnetizzanti di basso livello senza perdere le loro proprietà magnetiche. Sono anche economici da realizzare. La struttura molecolare della ferrite esagonale si verifica sia in ossido di bario legato con ossido di ferro (BaO∙6Fe₂oh₃) e ossido di stronzio legato con ossido di ferro (SrO∙6Fe₂oh₃). La ferrite di stronzio (Sr) ha proprietà magnetiche leggermente migliori. I magneti permanenti più comunemente usati sono i magneti in ferrite (ceramica). Oltre al costo, i vantaggi dei magneti ceramici includono una buona resistenza alla smagnetizzazione e un'elevata resistenza alla corrosione. Tuttavia, sono fragili e si rompono facilmente.

Magneti Samario-Cobalto

I magneti in samario-cobalto sono stati sviluppati nel 1967. Questi magneti, con una composizione molecolare di SmCo₅, sono diventati i primi magneti permanenti commerciali di terre rare e metalli di transizione. Nel 1976 è stata sviluppata una lega di samario cobalto con oligoelementi (ferro, rame e zircone), con una struttura molecolare di Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Questi magneti hanno un grande potenziale per l'uso in applicazioni a temperature più elevate, fino a circa 500 C, ma l'alto costo dei materiali limita l'uso di questo tipo di magnete. Il samario è raro anche tra gli elementi delle terre rare e il cobalto è classificato come un metallo strategico, quindi le forniture sono controllate.

I magneti al samario-cobalto funzionano bene in condizioni di umidità. Altri vantaggi includono l'elevata resistenza al calore, la resistenza alle basse temperature (-273 C) e l'elevata resistenza alla corrosione. Come i magneti in ceramica, tuttavia, i magneti in samario-cobalto sono fragili. Sono, come detto, più costosi.

Magneti al neodimio ferro boro

I magneti al neodimio ferro boro (NdFeB o NIB) sono stati inventati nel 1983. Questi magneti contengono il 70% di ferro, il 5% di boro e il 25% di neodimio, un elemento delle terre rare. I magneti NIB si corrodono rapidamente, quindi ricevono un rivestimento protettivo, solitamente nichel, durante il processo di produzione. Al posto del nichel possono essere utilizzati rivestimenti di alluminio, zinco o resina epossidica.

Sebbene i magneti NIB siano i magneti permanenti più potenti conosciuti, hanno anche la temperatura Curie più bassa, circa 350 C (alcune fonti dicono fino a 80 C), di altri magneti permanenti. Questa bassa temperatura di Curie limita il loro uso industriale. I magneti al neodimio ferro boro sono diventati una parte essenziale dell'elettronica domestica, inclusi telefoni cellulari e computer. I magneti al neodimio ferro-boro sono utilizzati anche nelle macchine per la risonanza magnetica (MRI).

I vantaggi dei magneti NIB includono il rapporto potenza-peso (fino a 1.300 volte), l'elevata resistenza alla smagnetizzazione a temperature adatte all'uomo e l'economicità. Gli svantaggi includono la perdita di magnetismo a temperature di Curie inferiori, bassa resistenza alla corrosione (se il la placcatura è danneggiata) e fragilità (può rompersi, incrinarsi o scheggiarsi in caso di collisioni improvvise con altri magneti o metalli. (Vedi Risorse per Magnetic Fruit, un'attività che utilizza i magneti NIB.)

I magneti temporanei sono costituiti da quelli che vengono chiamati materiali di ferro dolce. Ferro dolce significa che gli atomi e gli elettroni sono in grado di allinearsi all'interno del ferro, comportandosi per un certo tempo come un magnete. L'elenco dei metalli magnetici include chiodi, graffette e altri materiali contenenti ferro. I magneti temporanei diventano magneti se esposti o posizionati all'interno di un campo magnetico. Ad esempio, un ago strofinato da un magnete diventa un magnete temporaneo perché il magnete fa allineare gli elettroni all'interno dell'ago. Se il campo magnetico o l'esposizione al magnete è abbastanza forte, i ferri dolci possono diventare magneti permanenti, almeno finché il calore, lo shock o il tempo non fanno perdere l'allineamento degli atomi.

Il terzo tipo di magnete si verifica quando l'elettricità passa attraverso un filo. Avvolgere il filo attorno a un nucleo di ferro dolce amplifica la forza del campo magnetico. Aumentando l'elettricità aumenta la forza del campo magnetico. Quando l'elettricità scorre attraverso il filo, il magnete funziona. Ferma il flusso di elettroni e il campo magnetico collassa. (Vedi Risorse per una simulazione PhET dell'elettromagnetismo.)

Il più grande magnete del mondo è, infatti, la Terra. Il nucleo interno solido di ferro-nichel della Terra che ruota nel nucleo esterno liquido di ferro-nichel si comporta come una dinamo, generando un campo magnetico. Il debole campo magnetico agisce come una barra magnetica inclinata di circa 11 gradi dall'asse terrestre. L'estremità nord di questo campo magnetico è il polo sud del magnete a barra. Poiché i campi magnetici opposti si attraggono, l'estremità nord di una bussola magnetica punta all'estremità sud del campo magnetico terrestre situato vicino al polo nord (per dirla in un altro modo, il polo magnetico sud della Terra si trova in realtà vicino al polo nord geografico, anche se vedrai spesso quel polo magnetico sud etichettato come il nord magnetico palo).

Il campo magnetico terrestre genera la magnetosfera che circonda la Terra. L'interazione del vento solare con la magnetosfera provoca l'aurora boreale e l'aurora boreale note come Aurora Boreale e Aurora Australis.

Il campo magnetico terrestre ha un impatto anche sui minerali di ferro nei flussi di lava. I minerali di ferro nella lava si allineano con il campo magnetico terrestre. Questi minerali allineati si "congelano" sul posto mentre la lava si raffredda. Gli studi sugli allineamenti magnetici nei flussi di basalto su entrambi i lati della dorsale medio-atlantica forniscono prove non solo per le inversioni del campo magnetico terrestre ma anche per la teoria della placca tettonica.