Magnēti šķiet noslēpumaini. Neredzēti spēki pievilina magnētiskos materiālus vai, ar viena magnēta pārsegu, tos izspiež. Jo spēcīgāki ir magnēti, jo lielāka ir pievilcība vai atgrūšanās. Un, protams, pati Zeme ir magnēts. Kaut arī daži magnēti ir izgatavoti no tērauda, pastāv arī citi magnēti.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Magnetīts ir dabisks magnētisks minerāls. Rotējošais Zemes kodols rada magnētisko lauku. Alnico magnēti ir izgatavoti no alumīnija, niķeļa un kobalta ar mazāku daudzumu alumīnija, vara un titāna. Keramikas vai ferīta magnētus izgatavo vai nu no bārija oksīda, vai ar dzelzs oksīdu sakausēta stroncija oksīda. Divi retzemju magnēti ir samārija kobalts, kas satur samārija-kobalta sakausējumu ar mikroelementiem (dzelzs, varš, cirkons), un neodīma dzelzs bora magnēti.
Magnētu un magnētisma definēšana
Jebkurš objekts, kas rada magnētisko lauku un mijiedarbojas ar citiem magnētiskajiem laukiem, ir magnēts. Magnētiem ir pozitīvs gals vai stabs un negatīvs gals vai stabs. Magnēta lauka līnijas virzās no pozitīvā pola (saukta arī par ziemeļu polu) uz negatīvo (dienvidu) polu. Magnētisms attiecas uz divu magnētu mijiedarbību. Pretstati piesaista, tāpēc magnēta pozitīvais un negatīvais cits magnēts piesaista viens otru.
Magnētu veidi
Pastāv trīs vispārīgi magnētu veidi: pastāvīgie magnēti, pagaidu magnēti un elektromagnēti. Pastāvīgie magnēti saglabā savu magnētisko kvalitāti ilgu laiku. Pagaidu magnēti ātri zaudē savu magnētismu. Elektromagnēti izmanto elektrisko strāvu, lai radītu magnētisko lauku.
Pastāvīgie magnēti
Pastāvīgie magnēti saglabā savas magnētiskās īpašības ilgu laiku. Pastāvīgo magnētu izmaiņas ir atkarīgas no magnēta stipruma un magnēta sastāva. Izmaiņas parasti notiek temperatūras izmaiņu (parasti temperatūras paaugstināšanās) dēļ. Magnēti, kas sasildīti līdz Kirī temperatūrai, neatgriezeniski zaudē magnētisko īpašību, jo atomi pārvietojas ārpus konfigurācijas, kas izraisa magnētisko efektu. Kirī temperatūra, kas nosaukta par atklājēju Pjēru Kirī, mainās atkarībā no magnētiskā materiāla.
Magnēts, dabā pastāvīgi pastāvīgs magnēts, ir vājš magnēts. Spēcīgāki pastāvīgie magnēti ir Alnico, neodīma dzelzs bors, samārija-kobalts un keramikas vai ferīta magnēti. Šie magnēti visi atbilst pastāvīgā magnēta definīcijas prasībām.
Magnēts
Magnēts, saukts arī par lodestone, nodrošināja kompasa adatas no pētniekiem, sākot no ķīniešu nefrīta medniekiem līdz pasaules ceļotājiem. Minerāls magnetīts veidojas, kad dzelzi karsē atmosfērā ar zemu skābekļa saturu, kā rezultātā rodas dzelzs oksīda savienojums Fe3O4. Magnētišķi ir kompasi. Kompasi ir datēti ar ap 250. gadu p.m.ē. Ķīnā, kur tos sauca par dienvidu rādītājiem.
Alnico sakausējuma magnēti
Alnico magnēti ir parasti izmantoti magnēti, kas izgatavoti no savienojuma, kurā ir 35 procenti alumīnija (Al), 35 procenti niķeļa (Ni) un 15 procenti kobalta (Co) ar 7 procentiem alumīnija (Al), 4 procentiem vara (Cu) un 4 procentiem titāna (Ti). Šie magnēti tika izstrādāti 1930. gados un kļuva populāri 1940. gados. Temperatūra mazāk ietekmē Alnico magnētus nekā citi mākslīgi radīti magnēti. Alnico magnētus var vieglāk demagnetizēt, tāpēc Alnico stieņu un pakavu magnēti ir pienācīgi jāuzglabā, lai tie netiktu demagnetizēti.
Alnico magnēti tiek izmantoti daudzos veidos, īpaši audio sistēmās, piemēram, skaļruņos un mikrofonos. Alnico magnētu priekšrocības ir augsta izturība pret koroziju, augsta fiziskā izturība (viegli nesadalieties, neplaisājiet un nesalūžiet) un augsta temperatūras izturība (līdz 540 grādiem pēc Celsija). Starp trūkumiem var minēt vājāku magnētisko vilkmi nekā citi mākslīgie magnēti.
Keramikas (ferīta) magnēti
1950. gados tika izstrādāta jauna magnētu grupa. Cietos sešstūra ferītus, kurus dēvē arī par keramikas magnētiem, var sagriezt plānākās šķēlēs un pakļaut zema līmeņa demagnetizācijas laukiem, nezaudējot to magnētiskās īpašības. Arī to izgatavošana ir lēta. Molekulārā sešstūra ferīta struktūra notiek gan ar dzelzs oksīdu sakausētajā bārija oksīdā (BaO ∙ 6Fe2O3) un stroncija oksīdu, kas leģēts ar dzelzs oksīdu (SrO ∙ 6Fe2O3). Stroncija (Sr) ferītam ir nedaudz labākas magnētiskās īpašības. Visbiežāk izmantotie pastāvīgie magnēti ir ferīta (keramikas) magnēti. Bez izmaksām keramikas magnētu priekšrocības ietver labu demagnetizācijas izturību un augstu izturību pret koroziju. Tomēr tie ir trausli un viegli saplīst.
Samarija-kobalta magnēti
Samārija-kobalta magnēti tika izstrādāti 1967. gadā. Šie magnēti ar SmCo molekulāro sastāvu5, kļuva par pirmajiem retzemju un pārejas metāla pastāvīgajiem magnētiem. 1976. gadā tika izstrādāts samārija kobalta sakausējums ar mikroelementiem (dzelzi, varu un cirkonu) ar molekulāro struktūru Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17. Šiem magnētiem ir liels izmantošanas potenciāls augstākās temperatūrās, aptuveni līdz 500 C, taču augstās materiālu izmaksas ierobežo šāda veida magnētu izmantošanu. Samarijs ir reti sastopams pat starp retzemju elementiem, un kobalts tiek klasificēts kā stratēģisks metāls, tāpēc piegādes tiek kontrolētas.
Samarija-kobalta magnēti labi darbojas mitros apstākļos. Citas priekšrocības ir augsta karstumizturība, izturība pret zemām temperatūrām (-273 C) un augsta izturība pret koroziju. Tomēr tāpat kā keramikas magnēti, samārija-kobalta magnēti ir trausli. Tie, kā teikts, ir dārgāki.
Neodīma dzelzs bora magnēti
Neodīma dzelzs bora (NdFeB vai NIB) magnēti tika izgudroti 1983. gadā. Šie magnēti satur 70 procentus dzelzs, 5 procentus bora un 25 procentus neodīma, retzemju elementu. NIB magnēti ātri korozē, tāpēc ražošanas procesā tie saņem aizsargpārklājumu, parasti niķeli. Niķeļa vietā var izmantot alumīnija, cinka vai epoksīdsveķu pārklājumus.
Lai gan NIB magnēti ir visspēcīgākie zināmie pastāvīgie magnēti, tiem ir arī viszemākā Kirī temperatūra, aptuveni 350 C (dažos avotos teikts, ka zemāka par 80 C) no citiem pastāvīgajiem magnētiem. Šī zemā Kirī temperatūra ierobežo to rūpniecisko izmantošanu. Neodīma dzelzs bora magnēti ir kļuvuši par būtisku sadzīves elektronikas, tostarp mobilo tālruņu un datoru, sastāvdaļu. Neodīma dzelzs bora magnētus izmanto arī magnētiskās rezonanses attēlveidošanas (MRI) iekārtās.
NIB magnētu priekšrocības ir jaudas un svara attiecība (līdz 1300 reizēm), augsta izturība pret demagnetizāciju cilvēkiem ērtā temperatūrā un rentabilitāte. Starp trūkumiem var minēt magnētisma zudumu zemākā Kirī temperatūrā, zemu izturību pret koroziju (ja plātne ir bojāta) un trauslums (pēkšņas sadursmes ar citiem magnētiem vai metāli. (Skatiet resursus par magnētiskajiem augļiem, darbību, kurā izmantoti NIB magnēti.)
Pagaidu magnēti
Pagaidu magnēti sastāv no tā sauktajiem mīkstajiem dzelzs materiāliem. Mīkstais dzelzs nozīmē, ka atomi un elektroni spēj izlīdzināties dzelzs iekšienē, kādu laiku izturoties kā magnēts. Magnētisko metālu sarakstā ir naglas, saspraudes un citi dzelzi saturoši materiāli. Pagaidu magnēti kļūst par magnētiem, ja tos pakļauj magnētiskajam laukam vai ievieto tajā. Piemēram, adata, ko berzē magnēts, kļūst par pagaidu magnētu, jo magnēts liek elektroniem izlīdzināties adatas iekšienē. Ja magnētiskais lauks vai magnēta iedarbība ir pietiekami spēcīga, mīkstie gludekļi var kļūt par pastāvīgiem magnētiem vismaz līdz brīdim, kad karstuma, trieciena vai laika dēļ atomi zaudē savu izlīdzinājumu.
Elektromagnēti
Trešais magnētu veids rodas, kad elektrība iet caur vadu. Vada aptīšana ap mīkstu dzelzs serdi pastiprina magnētiskā lauka stiprumu. Elektrības palielināšana palielina magnētiskā lauka stiprumu. Kad elektrība plūst caur vadu, magnēts darbojas. Pārtrauciet elektronu plūsmu, un magnētiskais lauks sabrūk. (Skatiet Resursi par elektromagnētisma PhET simulāciju.)
Vislielākais magnēts pasaulē
Pasaulē lielākais magnēts patiesībā ir Zeme. Zemes cietā dzelzs-niķeļa iekšējā serde, kas griežas šķidrā dzelzs-niķeļa ārējā kodolā, izturas kā dinamo, radot magnētisko lauku. Vājš magnētiskais lauks darbojas kā stieņa magnēts, kas noliekts apmēram 11 grādos no Zemes ass. Šī magnētiskā lauka ziemeļu gals ir stieņa magnēta dienvidu pols. Tā kā pretējie magnētiskie lauki piesaista viens otru, magnētiskā kompasa ziemeļu gals norāda uz Zemes magnētiskā lauka dienvidu galu, kas atrodas netālu no ziemeļu pola (tā sakot) citādi Zemes dienvidu magnētiskais stabs faktiski atrodas netālu no ģeogrāfiskā ziemeļu pola, lai gan jūs bieži redzēsiet, ka dienvidu magnētiskais pols ir apzīmēts kā ziemeļu magnētiskais stabs).
Zemes magnētiskais lauks rada magnetosfēru, kas ieskauj Zemi. Saules vēja mijiedarbība ar magnetosfēru izraisa ziemeļu un dienvidu gaismas, kas pazīstamas kā Aurora Borealis un Aurora Australis.
Zemes magnētiskais lauks ietekmē arī dzelzs minerālus lavas plūsmās. Lavas dzelzs minerāli sakrīt ar Zemes magnētisko lauku. Šie izlīdzinātie minerāli "sasalst" vietā, kad lava atdziest. Pētījumi par magnētisko izlīdzinājumu bazalta plūsmās abās Atlantijas okeāna vidusdaļas grēdās nodrošina pierādījumi ne tikai par Zemes magnētiskā lauka maiņu, bet arī par plāksnes teoriju tektonika.