Magnetai atrodo paslaptingi. Nematytos jėgos pritraukia magnetines medžiagas arba, pasisukusios vieno magneto apatinę dalį, jas atstumia. Kuo stipresni magnetai, tuo stipresnis traukimas ar atstumimas. Ir, žinoma, pati Žemė yra magnetas. Kai kurie magnetai yra pagaminti iš plieno, egzistuoja ir kitų tipų magnetai.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Magnetitas yra natūralus magnetinis mineralas. Besisukanti Žemės šerdis sukuria magnetinį lauką. „Alnico“ magnetai gaminami iš aliuminio, nikelio ir kobalto, mažesniais kiekiais aliuminio, vario ir titano. Keraminiai arba feritiniai magnetai gaminami iš bario oksido arba stroncio oksido, legiruoto geležies oksidu. Du retųjų žemių magnetai yra samariumo kobaltas, kuriame yra samario-kobalto lydinys su mikroelementais (geležis, varis, cirkonis), ir neodimio geležies boro magnetai.
Magnetų ir magnetizmo apibrėžimas
Bet kuris objektas, kuris sukuria magnetinį lauką ir sąveikauja su kitais magnetiniais laukais, yra magnetas. Magnetai turi teigiamą galą arba ašį ir neigiamą galą arba ašį. Magnetinio lauko linijos juda iš teigiamo poliaus (dar vadinamo šiaurės ašigaliu) į neigiamą (pietų) polių. Magnetizmas reiškia dviejų magnetų sąveiką. Priešingybės traukia, todėl teigiamas magneto ir neigiamas kito magneto polius traukia vienas kitą.
Magnetų tipai
Yra trys bendrieji magnetų tipai: nuolatiniai, laikini ir elektromagnetiniai. Nuolatiniai magnetai ilgą laiką išlaiko savo magnetinę kokybę. Laikini magnetai greitai praranda savo magnetizmą. Elektromagnetai naudoja elektros srovę magnetiniam laukui generuoti.
Nuolatiniai magnetai
Nuolatiniai magnetai išlaiko savo magnetines savybes ilgą laiką. Nuolatinių magnetų pokyčiai priklauso nuo magneto stiprumo ir magneto sudėties. Pokyčiai paprastai įvyksta dėl temperatūros pokyčių (paprastai didėjančios temperatūros). Iki Curie temperatūros įkaitę magnetai visam laikui praranda savo magnetines savybes, nes atomai pasislenka iš konfigūracijos, kuri sukelia magnetinį efektą. Kurio temperatūra, pavadinta atradėjui Pierre'u Curie, skiriasi priklausomai nuo magnetinės medžiagos.
Magnetitas, natūraliai atsirandantis nuolatinis magnetas, yra silpnas magnetas. Stipresni nuolatiniai magnetai yra Alnico, neodimio geležies boras, samariumo-kobalto ir keramikos ar ferito magnetai. Šie magnetai atitinka nuolatinio magneto apibrėžimo reikalavimus.
Magnetitas
Magnetitas, dar vadinamas lodestone, suteikė tyrinėtojams kompaso adatas, pradedant Kinijos nefrito medžiotojais ir baigiant keliautojais visame pasaulyje. Mineralinis magnetitas susidaro, kai geležis kaitinama mažai deguonies turinčioje atmosferoje, todėl gaunamas geležies oksido junginys Fe3O4. Skersai magnetito tarnauja kaip kompasai. Kompasai siekia maždaug 250 m. Pr. Kr. Kinijoje, kur jie buvo vadinami pietų rodyklėmis.
„Alnico“ lydiniai magnetai
„Alnico“ magnetai yra dažniausiai naudojami magnetai, pagaminti iš 35 procentų aliuminio (Al) ir 35 procentų nikelio junginio (Ni) ir 15 procentų kobalto (Co) su 7 procentais aliuminio (Al), 4 procentais vario (Cu) ir 4 procentais titano (Ti). Šie magnetai buvo sukurti 1930-aisiais ir išpopuliarėjo 1940-aisiais. Temperatūra daro mažesnį poveikį „Alnico“ magnetams nei kiti dirbtinai sukurti magnetai. „Alnico“ magnetus galima lengviau išmagnetinti, todėl „Alnico“ juostos ir pasagos magnetai turi būti tinkamai laikomi, kad jie netaptų magnetizuoti.
„Alnico“ magnetai naudojami įvairiais būdais, ypač garso sistemose, tokiose kaip garsiakalbiai ir mikrofonai. „Alnico“ magnetų privalumai yra didelis atsparumas korozijai, didelis fizinis stiprumas (lengvai nesulaužykite, netrūkinėkite ir nesulaužykite) ir atsparumas aukštai temperatūrai (iki 540 laipsnių Celsijaus). Tarp trūkumų yra silpnesnė magnetinė trauka nei kitų dirbtinių magnetų.
Keraminiai (feritiniai) magnetai
1950-aisiais buvo sukurta nauja magnetų grupė. Kietus šešiakampius feritus, dar vadinamus keramikiniais magnetais, galima supjaustyti plonesniais griežinėliais ir paveikti žemo lygio demagnetinamaisiais laukais, neprarandant jų magnetinių savybių. Jie taip pat yra pigūs gaminti. Molekulinė šešiakampė ferito struktūra atsiranda abiejuose bario oksiduose, legiruotuose geležies oksidu (BaO ∙ 6Fe2O3) ir geležies oksidu legiruoto stroncio oksido (SrO ∙ 6Fe2O3). Stroncio (Sr) feritas pasižymi šiek tiek geresnėmis magnetinėmis savybėmis. Dažniausiai naudojami nuolatiniai magnetai yra ferito (keramikos) magnetai. Be išlaidų, keraminių magnetų privalumai yra tai, kad jie turi gerą atsparumą demagnetizacijai ir aukštą atsparumą korozijai. Tačiau jie yra trapūs ir lengvai lūžta.
Samario-kobalto magnetai
Samario-kobalto magnetai buvo sukurti 1967 m. Šie magnetai, kurių molekulinė sudėtis yra SmCo5, tapo pirmaisiais retųjų žemių ir pereinamojo metalo nuolatiniais magnetais. 1976 m. Buvo sukurtas samariumo kobalto lydinys su mikroelementais (geležimi, variu ir cirkoniu), kurio molekulinė struktūra buvo Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17. Šie magnetai turi didelį potencialą naudoti aukštesnėje temperatūroje, iki maždaug 500 C, tačiau didelė medžiagų kaina riboja šio tipo magnetų naudojimą. Samariumas yra retas net tarp retųjų žemių elementų, o kobaltas priskiriamas strateginiam metalui, todėl tiekimas yra kontroliuojamas.
Samario-kobalto magnetai gerai veikia drėgnomis sąlygomis. Kiti privalumai yra didelis atsparumas karščiui, atsparumas žemai temperatūrai (-273 C) ir didelis atsparumas korozijai. Tačiau kaip ir keraminiai magnetai, samariumo-kobalto magnetai yra trapūs. Jie, kaip minėta, yra brangesni.
Neodimio geležies boro magnetai
Neodimio geležies boro (NdFeB arba NIB) magnetai buvo išrasti 1983 m. Šiuose magnetuose yra 70 procentų geležies, 5 procentai boro ir 25 procentai neodimo, retųjų žemių elemento. NIB magnetai greitai korozija, todėl gamybos procese jie gauna apsauginę dangą, dažniausiai nikelį. Vietoj nikelio gali būti naudojamos aliuminio, cinko arba epoksidinės dervos dangos.
Nors NIB magnetai yra stipriausi žinomi nuolatiniai magnetai, jie taip pat turi žemiausią Curie temperatūrą, apie 350 C (kai kurie šaltiniai sako, kad iki 80 C), iš kitų nuolatinių magnetų. Ši žema Curie temperatūra riboja jų pramoninį naudojimą. Neodimio geležies boro magnetai tapo pagrindine buitinės elektronikos dalimi, įskaitant mobiliuosius telefonus ir kompiuterius. Neodimio geležies boro magnetai taip pat naudojami magnetinio rezonanso tomografijos (MRT) aparatuose.
NIB magnetų pranašumai yra galios ir svorio santykis (iki 1 300 kartų), didelis atsparumas demagnetizacijai esant patogiai žmogaus temperatūrai ir ekonomiškumas. Trūkumai yra magnetizmo praradimas esant žemesnėms Curie temperatūroms, mažas atsparumas korozijai (jei yra pažeidžiamas) ir trapumas (gali staiga susidūrus su kitais magnetais ar metalai. (Žr. „Magnetinių vaisių ištekliai“, veikla naudojant NIB magnetus.)
Laikini magnetai
Laikini magnetai susideda iš vadinamųjų minkštųjų geležies medžiagų. Minkšta geležis reiškia, kad atomai ir elektronai sugeba susilyginti geležyje, kurį laiką elgdamiesi kaip magnetas. Magnetinių metalų sąraše yra vinys, segtukai ir kitos medžiagos, kuriose yra geležies. Laikini magnetai tampa magnetais, veikiami magnetinio lauko ar patekę į jį. Pavyzdžiui, adata, kurią įtrina magnetas, tampa laikinuoju magnetu, nes dėl magneto elektronai susilygina adatos viduje. Jei magnetinis laukas ar jo poveikis yra pakankamai stiprus, minkšti lygintuvai gali tapti nuolatiniais magnetais, bent jau tol, kol dėl karščio, smūgio ar laiko atomai neteks derinimo.
Elektromagnetai
Trečiasis magneto tipas atsiranda, kai elektra praeina per laidą. Apvyniojus laidą aplink minkštą geležies šerdį, sustiprėja magnetinio lauko stipris. Padidinus elektrą, padidėja magnetinio lauko stipris. Kai viela teka elektra, magnetas veikia. Sustabdykite elektronų srautą ir magnetinis laukas sugriūva. (Žr. PhET elektromagnetizmo modeliavimo išteklius.)
Didžiausias pasaulyje magnetas
Didžiausias pasaulio magnetas iš tikrųjų yra Žemė. Žemės kietasis geležies-nikelio vidinis šerdis, besisukantis skystame geležies-nikelio išoriniame šerdyje, elgiasi kaip dinamo, generuodamas magnetinį lauką. Silpnas magnetinis laukas veikia kaip juostos magnetas, pakreiptas maždaug 11 laipsnių kampu nuo Žemės ašies. Šiaurinis šio magnetinio lauko galas yra juostos magneto pietinis polius. Kadangi priešingi magnetiniai laukai traukia vienas kitą, šiaurinis magnetinio kompaso galas nukreiptas į pietinį Žemės magnetinio lauko galą, esantį netoli šiaurinio ašigalio kitu būdu, Žemės pietinis magnetinis polius iš tikrųjų yra netoli geografinio šiaurės ašigalio, nors dažnai pamatysite tą pietinį magnetinį polių, pažymėtą šiauriniu magnetiniu poliu stulpas).
Žemės magnetinis laukas sukuria magnetosferą, kuri supa Žemę. Saulės vėjo sąveika su magnetosfera sukelia šiaurės ir pietų žiburius, vadinamus Aurora Borealis ir Aurora Australis.
Žemės magnetinis laukas taip pat veikia lavos srautuose esančius geležies mineralus. Lavoje esantys geležies mineralai sutampa su Žemės magnetiniu lauku. Šie sulyginti mineralai „sustingsta“ vietoje, kai lava atvėsta. Magnetinio išsidėstymo bazalto srautuose iš abiejų Atlanto vidurio kalvagūbrių pusių tyrimai suteikia įrodymai ne tik apie Žemės magnetinio lauko pasikeitimą, bet ir apie plokštelių teoriją tektonika.