ממה עשויים מגנטים?

מגנטים נראים מסתוריים. כוחות בלתי נראים מושכים חומרים מגנטיים יחד, או בעזרת היפוך של מגנט אחד, דוחפים אותם זה מזה. ככל שהמגנטים חזקים יותר, המשיכה או הדחייה חזקים יותר. וכמובן, כדור הארץ עצמו הוא אבן שואבת. בעוד שמגנטים מסוימים עשויים פלדה, קיימים סוגים אחרים של מגנטים.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

מגנטיט הוא מינרל מגנטי טבעי. ליבת כדור הארץ המסתובבת מייצרת שדה מגנטי. מגנטים של אלניקו עשויים אלומיניום, ניקל וקובלט עם כמויות קטנות יותר של אלומיניום, נחושת וטיטניום. מגנטים קרמיים או פריטים עשויים או תחמוצת בריום או תחמוצת סטרונציום המוגשת עם תחמוצת ברזל. שני מגנטים של אדמה נדירה הם קובריום סמריום, שמכיל סגסוגת של סמריום-קובלט עם יסודות קורט (ברזל, נחושת, זירקון) ומגנטים של בורני ברזל ניאודימיום.

כל עצם שמייצר שדה מגנטי ומתקשר עם שדות מגנטיים אחרים הוא מגנט. למגנטים יש סוף או מוט חיובי וקצה או מוט שלילי. קווי שדה המגנט עוברים מהקוטב החיובי (נקרא גם הקוטב הצפוני) לקוטב השלילי (הדרומי). מגנטיות מתייחסת לאינטראקציה בין שני מגנטים. ניגודים מושכים, ולכן הקוטב החיובי של מגנט והקוטב השלילי של מגנט אחר מושכים זה את זה.

שלושה סוגים כלליים של מגנטים קיימים: מגנטים קבועים, מגנטים זמניים ואלקטרומגנטים. מגנטים קבועים שומרים על איכותם המגנטית לאורך תקופות זמן ארוכות. מגנטים זמניים מאבדים את מגנטיותם במהירות. אלקטרומגנטים משתמשים בזרם חשמלי ליצירת שדה מגנטי.

מגנטים קבועים מחזיקים את התכונות המגנטיות שלהם לפרקי זמן ארוכים. שינויים במגנטים קבועים תלויים בחוזק המגנט ובהרכב המגנט. שינויים מתרחשים בדרך כלל בגלל שינויים בטמפרטורה (בדרך כלל עלייה בטמפרטורה). מגנטים המחוממים לטמפרטורת הקירי מאבדים לצמיתות את רכושם המגנטי מכיוון שהאטומים עוברים מהתצורה הגורמת לאפקט המגנטי. טמפרטורת הקירי, על שם הגילוי פייר קירי, משתנה בהתאם לחומר המגנטי.

מגנטיט, מגנט קבוע המופיע באופן טבעי, הוא מגנט חלש. מגנטים קבועים חזקים יותר הם אלניקו, בורון ברזל ניאודימיום, סמריום-קובלט ומגנטים קרמיים או פריטים. מגנטים אלה עונים כולם על הדרישות של הגדרת המגנט הקבוע.

מגנטיט

המגנטיט, המכונה גם אבן אבן, סיפק מחטי מצפן של חוקרים החל מציידים של ירקן סיני ועד מטיילים בעולם. המגניט המינרלי נוצר כאשר מחממים ברזל באטמוספירה דלת חמצן, וכתוצאה מכך תרכובת תחמוצת הברזל Fe₃או₄. רסיסי מגנטיט משמשים כמצפן. מצפנים מתוארכים לכ -250 לפני הספירה. בסין, שם הם נקראו מצביעים דרומיים.

מגנטים של סגסוגת אלניקו

מגנטים של אלניקו הם מגנטים נפוצים המיוצרים מתרכובת של 35 אחוז אלומיניום (Al), 35 אחוז ניקל (Ni) ו 15 אחוז קובלט (Co) עם 7 אחוז אלומיניום (Al), 4 אחוז נחושת (Cu) ו 4 אחוז טיטניום (Ti). מגנטים אלה פותחו בשנות השלושים והפכו פופולריים בשנות הארבעים. לטמפרטורה פחות השפעה על מגנטים של אלניקו מאשר על מגנטים אחרים שנוצרו באופן מלאכותי. מגנטים של אלניקו ניתנים לדה-מגנטיזציה ביתר קלות, ולכן יש לאחסן כראוי מגנטים של בר-אל-פרסה ופרסה, כך שלא יופחתו.

מגנטים של אלניקו משמשים בדרכים רבות, במיוחד במערכות שמע כמו רמקולים ומיקרופונים. היתרונות של מגנטים של אלניקו כוללים עמידות בפני קורוזיה גבוהה, חוזק פיזי גבוה (לא סדוקים, נסדקים או נשברים בקלות) ועמידות בטמפרטורה גבוהה (עד 540 מעלות צלזיוס). החסרונות כוללים משיכה מגנטית חלשה יותר ממגנטים מלאכותיים אחרים.

מגנטים קרמיים (פריט)

בשנות החמישים פותחה קבוצה חדשה של מגנטים. פריטים משושים קשים, המכונים גם מגנטים קרמיים, ניתנים לחיתוך לפרוסות דקות יותר ולהיחשף לשדות demagnetizing ברמה נמוכה מבלי לאבד את תכונותיהם המגנטיות. הם גם זולים להכנה. מבנה הפריט המשושה המולקולרי מתרחש בשני תחמוצת הבריום המוגשים עם תחמוצת ברזל (BaO ∙ 6Fe₂או₃) ותחמוצת סטרונציום המוגשת עם תחמוצת ברזל (SrO ∙ 6Fe₂או₃). לפריט סטרונציום (Sr) יש תכונות מגנטיות מעט טובות יותר. המגנטים הקבועים הנפוצים ביותר הם מגנטים פריטים (קרמיים). מלבד עלות, היתרונות של מגנטים קרמיים כוללים עמידות טובה בפני פירוק ועמידות בפני קורוזיה גבוהה. הם, לעומת זאת, שבירים ונשברים בקלות.

מגנטים של סמריום-קובלט

מגנטים של סמריום-קובלט פותחו בשנת 1967. מגנטים אלה, עם הרכב מולקולרי של SmCo₅, הפך למגנטים הקבועים המסחריים של אדמת נדיר ומעבר-מתכת. בשנת 1976 פותחה סגסוגת קובלט סמריום עם יסודות קורט (ברזל, נחושת וזירקון), עם מבנה מולקולרי של Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. למגנטים אלה פוטנציאל רב לשימוש ביישומים בטמפרטורה גבוהה יותר, עד כ -500 צלזיוס, אך העלות הגבוהה של החומרים מגבילה את השימוש במגנט מסוג זה. סמריום הוא נדיר אפילו בקרב יסודות האדמה הנדירה, וקובלט מסווג כמתכת אסטרטגית, כך שהאספקה ​​נשלטת.

מגנטים של סמריום-קובלט עובדים היטב בתנאי לחות. יתרונות נוספים כוללים עמידות גבוהה בחום, עמידות בטמפרטורות נמוכות (-273 צ ') ועמידות בפני קורוזיה גבוהה. כמו מגנטים קרמיים, עם זאת, מגנטים של סמריום-קובלט שבירים. הם, כאמור, יקרים יותר.

מגנטים לבורון ניאודימיום

בורון ברזל ניאודימיום (NdFeB או NIB) הומצא בשנת 1983. מגנטים אלה מכילים 70 אחוז ברזל, 5 אחוז בורון ו- 25 אחוז ניאודימיום, יסוד של אדמה נדירה. מגנטים של NIB מתאחדים במהירות, כך שהם מקבלים ציפוי מגן, בדרך כלל ניקל, בתהליך הייצור. ניתן להשתמש בציפוי אלומיניום, אבץ או שרף אפוקסי במקום ניקל.

למרות שמגנטים של NIB הם המגנטים הקבועים הידועים ביותר, הם גם בעלי טמפרטורת הקירי הנמוכה ביותר, בערך 350 צלזיוס (מקורות מסוימים אומרים כי הם נמוכים יותר מ -80 צלזיוס), ממגנטים קבועים אחרים. טמפרטורת Curie נמוכה זו מגבילה את השימוש בתעשייה שלהם. מגנטים של בוריון ברזל ניאודימיום הפכו לחלק חיוני באלקטרוניקה הביתית כולל טלפונים סלולריים ומחשבים. מגנטים של בורני ברזל ניאודימיום משמשים גם במכונות הדמיה תהודה מגנטית (MRI).

היתרונות של מגנטים של NIB כוללים יחס הספק-משקל (עד 1,300 פעמים), עמידות גבוהה בפני דה-מגנטיזציה בטמפרטורות נוחות לאדם וחסכוניות. החסרונות כוללים אובדן מגנטיות בטמפרטורות Curie נמוכות יותר, עמידות בפני קורוזיה נמוכה (אם ציפוי פגום) ושבירות (עלול להישבר, להיסדק או לשבב בהתנגשות פתאומית עם מגנטים אחרים או מתכות. (ראה משאבים לפירות מגנטיים, פעילות המשתמשת במגנטים של NIB).

מגנטים זמניים מורכבים ממה שמכונה חומרי ברזל רכים. ברזל רך פירושו שהאטומים והאלקטרונים מסוגלים להתיישר בתוך הברזל, מתנהגים כמגנט לזמן מה. רשימת המתכות המגנטיות כוללת מסמרים, מהדקי נייר וחומרים אחרים המכילים ברזל. מגנטים זמניים הופכים למגנטים כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי או מונחים בהם. לדוגמא, מחט שנשפשפה על ידי מגנט הופכת למגנט זמני מכיוון שהמגנט גורם לאלקטרונים להתיישר בתוך המחט. אם השדה המגנטי או החשיפה למגנט חזקים מספיק, מגהצים רכים עשויים להפוך למגנטים קבועים, לפחות עד שחום, הלם או זמן גורמים לאטומים לאבד את היישור שלהם.

הסוג השלישי של מגנט מתרחש כאשר חשמל עובר דרך חוט. עטיפת החוט סביב ליבת ברזל רכה מגבירה את חוזק השדה המגנטי. הגדלת החשמל מגדילה את חוזק השדה המגנטי. כאשר חשמל זורם דרך החוט, המגנט עובד. עצור את זרימת האלקטרונים והשדה המגנטי קורס. (ראה משאבים להדמיית PhET של אלקטרומגנטיות).

המגנט הגדול בעולם הוא למעשה כדור הארץ. הליבה הפנימית המוצקה של כדור הארץ מברזל-ניקל המסתובבת בליבה החיצונית הנוזל-ברזל הנוזל מתנהגת כמו דינמו, ויוצרת שדה מגנטי. השדה המגנטי החלש פועל כמו מגנט מוט מוטה בכ- 11 מעלות מציר כדור הארץ. הקצה הצפוני של שדה מגנטי זה הוא הקוטב הדרומי של מגנט הבר. מכיוון ששדות מגנטיים מנוגדים מושכים זה את זה, הקצה הצפוני של מצפן מגנטי מצביע על הקצה הדרומי של השדה המגנטי של כדור הארץ הממוקם ליד הקוטב הצפוני (אם לנסח זאת דרך אחרת, הקוטב המגנטי הדרומי של כדור הארץ ממוקם למעשה ליד הקוטב הצפוני הגיאוגרפי, אם כי לעיתים קרובות תראה כי הקוטב המגנטי הדרומי שכותרתו כגנטי הצפוני מוֹט).

השדה המגנטי של כדור הארץ מייצר את המגנטוספירה המקיפה את כדור הארץ. אינטראקציה של רוח השמש עם המגנטוספירה גורמת לאורות הצפון והדרום המכונים אורורה בוריאליס ואורורה אוסטרליס.

השדה המגנטי של כדור הארץ משפיע גם על מינרלי הברזל בזרימות הלבה. מינרלי הברזל בלבה מיישרים קו עם השדה המגנטי של כדור הארץ. מינרלים מיושרים אלה "קופאים" למקומם כשהלבה מתקררת. מחקרים על יישור מגנטי בזרימות בזלת משני צידי הרכס האמצעי האטלנטי עדות לא רק להיפוך השדה המגנטי של כדור הארץ, אלא גם לתורת הלוח טקטוניקה.