Waar zijn magneten van gemaakt?

Magneten lijken mysterieus. Ongeziene krachten trekken magnetische materialen naar elkaar toe of duwen ze uit elkaar met de klap van één magneet. Hoe sterker de magneten, hoe sterker de aantrekking of afstoting. En natuurlijk is de aarde zelf een magneet. Terwijl sommige magneten van staal zijn gemaakt, bestaan ​​er ook andere soorten magneten.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Magnetiet is een natuurlijk magnetisch mineraal. De draaiende aardkern genereert een magnetisch veld. Alnico-magneten zijn gemaakt van aluminium, nikkel en kobalt met kleinere hoeveelheden aluminium, koper en titanium. Keramische of ferrietmagneten zijn gemaakt van bariumoxide of strontiumoxide gelegeerd met ijzeroxide. Twee zeldzame-aarde-magneten zijn samariumkobalt, dat een legering van samarium-kobalt met sporenelementen (ijzer, koper, zirkoon) bevat, en neodymium-ijzerboriummagneten.

Elk object dat een magnetisch veld produceert en interageert met andere magnetische velden is een magneet. Magneten hebben een positief uiteinde of pool en een negatief uiteinde of pool. Lijnen van het magneetveld bewegen van de positieve pool (ook wel de noordpool genoemd) naar de negatieve (zuid) pool. Magnetisme verwijst naar de interactie tussen twee magneten. Tegenpolen trekken elkaar aan, dus de positieve pool van een magneet en de negatieve pool van een andere magneet trekken elkaar aan.

Er zijn drie algemene soorten magneten: permanente magneten, tijdelijke magneten en elektromagneten. Permanente magneten behouden hun magnetische kwaliteit gedurende lange tijd. Tijdelijke magneten verliezen snel hun magnetisme. Elektromagneten gebruiken elektrische stroom om een ​​magnetisch veld op te wekken.

Permanente magneten behouden hun magnetische eigenschappen voor lange tijd. Veranderingen in permanente magneten zijn afhankelijk van de sterkte van de magneet en de samenstelling van de magneet. Veranderingen vinden over het algemeen plaats als gevolg van veranderingen in temperatuur (meestal stijgende temperatuur). Magneten die tot hun Curie-temperatuur zijn verwarmd, verliezen permanent hun magnetische eigenschappen omdat de atomen uit de configuratie verschuiven die het magnetische effect veroorzaakt. De Curie-temperatuur, genoemd naar ontdekker Pierre Curie, varieert afhankelijk van het magnetische materiaal.

Magnetiet, een van nature voorkomende permanente magneet, is een zwakke magneet. Sterkere permanente magneten zijn Alnico-, neodymium-ijzerborium-, samarium-kobalt- en keramiek- of ferrietmagneten. Deze magneten voldoen allemaal aan de eisen van de permanente magneetdefinitie.

magnetiet

Magnetiet, ook wel lodestone genoemd, leverde kompasnaalden van ontdekkingsreizigers, variërend van Chinese jadejagers tot wereldreizigers. Het mineraal magnetiet vormt zich wanneer ijzer wordt verwarmd in een zuurstofarme atmosfeer, wat resulteert in de ijzeroxideverbinding Fe₃O₄. Snippers magnetiet dienen als kompassen. Kompassen dateren uit ongeveer 250 voor Christus. in China, waar ze zuidwijzers werden genoemd.

Alnico legeringsmagneten

Alnico-magneten zijn veelgebruikte magneten gemaakt van een verbinding van 35 procent aluminium (Al), 35 procent nikkel percent (Ni) en 15 procent kobalt (Co) met 7 procent aluminium (Al), 4 procent koper (Cu) en 4 procent titanium (Ti). Deze magneten zijn ontwikkeld in de jaren '30 en werden populair in de jaren '40. Temperatuur heeft minder effect op Alnico-magneten dan andere kunstmatig gemaakte magneten. Alnico-magneten kunnen echter gemakkelijker worden gedemagnetiseerd, dus Alnico-staaf- en hoefijzermagneten moeten op de juiste manier worden bewaard, zodat ze niet worden gedemagnetiseerd.

Alnico-magneten worden op veel manieren gebruikt, vooral in audiosystemen zoals luidsprekers en microfoons. Voordelen van Alnico-magneten zijn onder meer een hoge corrosieweerstand, hoge fysieke sterkte (niet gemakkelijk te chippen, barsten of breken) en hoge temperatuurbestendigheid (tot 540 graden Celsius). Nadelen zijn onder meer een zwakkere magnetische aantrekkingskracht dan andere kunstmatige magneten.

Keramische (ferriet)magneten

In de jaren 50 werd een nieuwe groep magneten ontwikkeld. Harde hexagonale ferrieten, ook wel keramische magneten genoemd, kunnen in dunnere plakjes worden gesneden en worden blootgesteld aan lage demagnetiserende velden zonder hun magnetische eigenschappen te verliezen. Ze zijn ook goedkoop om te maken. De moleculaire hexagonale ferrietstructuur komt voor in zowel bariumoxide gelegeerd met ijzeroxide (BaO∙6Fe₂O₃) en strontiumoxide gelegeerd met ijzeroxide (SrO∙6Fe₂O₃). Het strontium (Sr) ferriet heeft iets betere magnetische eigenschappen. De meest gebruikte permanente magneten zijn ferriet (keramische) magneten. Naast de kosten, omvatten de voordelen van keramische magneten een goede demagnetisatieweerstand en een hoge corrosieweerstand. Ze zijn echter broos en breken gemakkelijk.

Samarium-kobaltmagneten

Samarium-kobaltmagneten werden in 1967 ontwikkeld. Deze magneten, met een moleculaire samenstelling van SmCo₅, werden de eerste commerciële permanente magneten van zeldzame aardmetalen en overgangsmetalen. In 1976 werd een legering van samariumkobalt met sporenelementen (ijzer, koper en zirkoon) ontwikkeld, met een moleculaire structuur van Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Deze magneten hebben een groot potentieel voor gebruik in toepassingen bij hogere temperaturen, tot ongeveer 500 C, maar de hoge kosten van de materialen beperken het gebruik van dit type magneet. Samarium is zeldzaam, zelfs onder de zeldzame-aarde-elementen, en kobalt wordt geclassificeerd als een strategisch metaal, dus de voorraden worden gecontroleerd.

Samarium-kobaltmagneten werken goed in vochtige omstandigheden. Andere voordelen zijn hoge hittebestendigheid, weerstand tegen lage temperaturen (-273 C) en hoge corrosieweerstand. Net als keramische magneten zijn samarium-kobaltmagneten echter broos. Ze zijn, zoals gezegd, duurder.

Neodymium ijzerboormagneten

Neodymium ijzerborium (NdFeB of NIB) magneten werden uitgevonden in 1983. Deze magneten bevatten 70 procent ijzer, 5 procent boor en 25 procent neodymium, een zeldzaam aardelement. NIB-magneten corroderen snel, waardoor ze tijdens het productieproces een beschermende coating krijgen, meestal nikkel. In plaats van nikkel kunnen coatings van aluminium, zink of epoxyhars worden gebruikt.

Hoewel NIB-magneten de sterkste bekende permanente magneten zijn, hebben ze ook de laagste Curie-temperatuur, ongeveer 350 C (sommige bronnen zeggen zo laag als 80 C), van andere permanente magneten. Deze lage Curie-temperatuur beperkt hun industrieel gebruik. Neodymium-ijzerboriummagneten zijn een essentieel onderdeel geworden van huishoudelijke elektronica, waaronder mobiele telefoons en computers. Neodymium-ijzerboriummagneten worden ook gebruikt in magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) -machines.

Voordelen van NIB-magneten zijn onder meer vermogen-gewichtsverhouding (tot 1.300 keer), hoge weerstand tegen demagnetisatie bij voor mensen aangename temperaturen en kosteneffectiviteit. Nadelen zijn onder meer verlies van magnetisme bij lagere Curie-temperaturen, lage corrosieweerstand (als de beplating is beschadigd) en broosheid (kan breken, barsten of schilferen bij plotselinge botsingen met andere magneten of metalen. (Zie bronnen voor Magnetic Fruit, een activiteit met NIB-magneten.)

Tijdelijke magneten bestaan ​​uit zogenaamde weekijzeren materialen. Zacht ijzer betekent dat de atomen en elektronen in het ijzer kunnen worden uitgelijnd en zich een tijdje als een magneet gedragen. Op de lijst met magnetische metalen staan ​​spijkers, paperclips en andere ijzerhoudende materialen. Tijdelijke magneten worden magneten wanneer ze worden blootgesteld aan of worden geplaatst in een magnetisch veld. Een naald die door een magneet wordt gewreven, wordt bijvoorbeeld een tijdelijke magneet omdat de magneet ervoor zorgt dat de elektronen in de naald worden uitgelijnd. Als het magnetische veld of de blootstelling aan de magneet sterk genoeg is, kunnen weekijzers permanente magneten worden, tenminste totdat hitte, schokken of tijd ervoor zorgen dat de atomen hun uitlijning verliezen.

Het derde type magneet treedt op wanneer elektriciteit door een draad gaat. Door de draad om een ​​zachte ijzeren kern te wikkelen, wordt de sterkte van het magnetische veld versterkt. Het verhogen van de elektriciteit verhoogt de sterkte van het magnetische veld. Als er elektriciteit door de draad stroomt, werkt de magneet. Stop de stroom van elektronen en het magnetische veld stort in. (Zie bronnen voor een PhET-simulatie van elektromagnetisme.)

De grootste magneet ter wereld is in feite de aarde. De vaste ijzer-nikkel binnenkern van de aarde die ronddraait in de vloeibare ijzer-nikkel buitenkern gedraagt ​​zich als een dynamo en genereert een magnetisch veld. Het zwakke magnetische veld werkt als een staafmagneet die ongeveer 11 graden van de aardas is gekanteld. Het noordelijke uiteinde van dit magnetische veld is de zuidpool van de staafmagneet. Aangezien tegengestelde magnetische velden elkaar aantrekken, wijst het noordelijke uiteinde van een magnetisch kompas naar het zuidelijke uiteinde van het aardmagnetisch veld dat zich in de buurt van de noordpool bevindt (om het een andere manier, de magnetische zuidpool van de aarde bevindt zich eigenlijk in de buurt van de geografische noordpool, hoewel je die magnetische zuidpool vaak zult zien als de magnetische noordpool pool).

Het magnetisch veld van de aarde genereert de magnetosfeer die de aarde omringt. Interactie van de zonnewind met de magnetosfeer veroorzaakt het noorder- en zuiderlicht dat bekend staat als de Aurora Borealis en Aurora Australis.

Het magnetisch veld van de aarde heeft ook invloed op de ijzermineralen in lavastromen. De ijzermineralen in de lava komen overeen met het magnetische veld van de aarde. Deze uitgelijnde mineralen "bevriezen" op hun plaats terwijl de lava afkoelt. Studies van magnetische uitlijningen in basaltstromen aan weerszijden van de mid-Atlantische rug bieden: bewijs niet alleen voor omkeringen van het magnetisch veld van de aarde, maar ook voor de theorie van de plaat tektoniek.