Z czego wykonane są magnesy?

Magnesy wydają się tajemnicze. Niewidzialne siły przyciągają do siebie materiały magnetyczne lub, jednym ruchem jednego magnesu, rozpychają je. Im silniejsze magnesy, tym silniejsze przyciąganie lub odpychanie. I oczywiście sama Ziemia jest magnesem. Podczas gdy niektóre magnesy są wykonane ze stali, istnieją inne rodzaje magnesów.

TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)

Magnetyt to naturalny minerał magnetyczny. Wirujące jądro Ziemi generuje pole magnetyczne. Magnesy Alnico wykonane są z aluminium, niklu i kobaltu z mniejszą ilością aluminium, miedzi i tytanu. Magnesy ceramiczne lub ferrytowe są wykonane z tlenku baru lub tlenku strontu z tlenkiem żelaza. Dwa magnesy ziem rzadkich to samar-kobalt, który zawiera stop samaru-kobaltu z pierwiastkami śladowymi (żelazo, miedź, cyrkon) oraz magnesy neodymowo-żelazowo-borowe.

Każdy przedmiot, który wytwarza pole magnetyczne i oddziałuje z innymi polami magnetycznymi, jest magnesem. Magnesy mają dodatni koniec lub biegun i ujemny koniec lub biegun. Linie pola magnetycznego przesuwają się od bieguna dodatniego (zwanego również biegunem północnym) do bieguna ujemnego (południowego). Magnetyzm odnosi się do interakcji między dwoma magnesami. Przeciwieństwa się przyciągają, więc dodatni biegun magnesu i ujemny biegun innego magnesu przyciągają się nawzajem.

Istnieją trzy ogólne typy magnesów: magnesy trwałe, magnesy tymczasowe i elektromagnesy. Magnesy trwałe zachowują swoją magnetyczną jakość przez długi czas. Magnesy tymczasowe szybko tracą swój magnetyzm. Elektromagnesy wykorzystują prąd elektryczny do generowania pola magnetycznego.

Magnesy trwałe zachowują swoje właściwości magnetyczne przez długi czas. Zmiany w magnesach trwałych zależą od siły magnesu i składu magnesu. Zmiany zazwyczaj następują z powodu zmian temperatury (zwykle wzrastającej temperatury). Magnesy podgrzane do ich temperatury Curie na stałe tracą swoje właściwości magnetyczne, ponieważ atomy przesuwają się z konfiguracji wywołującej efekt magnetyczny. Temperatura Curie, nazwana na cześć odkrywcy Pierre'a Curie, zmienia się w zależności od materiału magnetycznego.

Magnetyt, naturalnie występujący magnes trwały, jest magnesem słabym. Silniejsze magnesy trwałe to magnesy Alnico, neodymowo-żelazowo-borowe, samarowo-kobaltowe i ceramiczne lub ferrytowe. Wszystkie te magnesy spełniają wymagania definicji magnesów trwałych.

Magnetyt

Magnetyt, zwany także lodestonem, dostarczał igły kompasu od odkrywców, od chińskich łowców jadeitów po światowych podróżników. Magnetyt mineralny tworzy się, gdy żelazo jest podgrzewane w atmosferze o niskiej zawartości tlenu, w wyniku czego powstaje związek tlenku żelaza Fe₃O₄. Paski magnetytu służą jako kompasy. Kompasy pochodzą z około 250 roku p.n.e. w Chinach, gdzie nazywano je wskaźnikami południowymi.

Magnesy ze stopu Alnico

Magnesy Alnico są powszechnie stosowanymi magnesami wykonanymi z mieszanki 35 procent aluminium (Al), 35 procent niklu (Ni) i 15% kobaltu (Co) z 7% aluminium (Al), 4% miedzi (Cu) i 4% tytanu (Ti). Magnesy te zostały opracowane w latach 30. XX wieku i stały się popularne w latach 40. XX wieku. Temperatura ma mniejszy wpływ na magnesy Alnico niż inne magnesy stworzone sztucznie. Magnesy Alnico można jednak łatwiej rozmagnesować, więc magnesy Alnico w formie sztabki i podkowy muszą być odpowiednio przechowywane, aby się nie rozmagnesowały.

Magnesy Alnico są używane na wiele sposobów, zwłaszcza w systemach audio, takich jak głośniki i mikrofony. Zaletami magnesów Alnico są wysoka odporność na korozję, duża wytrzymałość fizyczna (nie łamią się, nie pękają i nie pękają) oraz odporność na wysoką temperaturę (do 540 stopni Celsjusza). Wady to słabsze przyciąganie magnetyczne niż inne sztuczne magnesy.

Magnesy ceramiczne (ferrytowe)

W latach 50. powstała nowa grupa magnesów. Twarde sześciokątne ferryty, zwane również magnesami ceramicznymi, można ciąć na cieńsze plastry i wystawiać na działanie pól rozmagnesujących o niskim poziomie bez utraty swoich właściwości magnetycznych. Są też tanie w wykonaniu. Struktura molekularna ferrytu heksagonalnego występuje zarówno w tlenku baru stopionego z tlenkiem żelaza (BaO∙6Fe₂O₃) oraz tlenek strontu stopowy z tlenkiem żelaza (SrO∙6Fe₂O₃). Nieco lepsze właściwości magnetyczne ma ferryt strontu (Sr). Najczęściej stosowanymi magnesami trwałymi są magnesy ferrytowe (ceramiczne). Oprócz kosztów, zalety magnesów ceramicznych obejmują dobrą odporność na rozmagnesowanie i wysoką odporność na korozję. Są jednak kruche i łatwo się łamią.

Magnesy samarowo-kobaltowe

Magnesy samarowo-kobaltowe zostały opracowane w 1967 roku. Te magnesy o składzie molekularnym SmCo₅, stał się pierwszym komercyjnym magnesem trwałym z metali ziem rzadkich i przejściowych. W 1976 roku opracowano stop samaru kobaltu z pierwiastkami śladowymi (żelazo, miedź i cyrkon) o strukturze molekularnej Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Magnesy te mają ogromny potencjał w zastosowaniach w wyższych temperaturach, do około 500 C, ale wysoki koszt materiałów ogranicza zastosowanie tego typu magnesów. Samarium jest rzadkie nawet wśród pierwiastków ziem rzadkich, a kobalt jest klasyfikowany jako metal strategiczny, więc zapasy są kontrolowane.

Magnesy samarowo-kobaltowe dobrze sprawdzają się w wilgotnych warunkach. Inne zalety to wysoka odporność na ciepło, odporność na niskie temperatury (-273 C) oraz wysoka odporność na korozję. Podobnie jak magnesy ceramiczne, magnesy samarowo-kobaltowe są jednak kruche. Są, jak wspomniano, droższe.

Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe

Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe (NdFeB lub NIB) zostały wynalezione w 1983 roku. Magnesy te zawierają 70 procent żelaza, 5 procent boru i 25 procent neodymu, pierwiastka ziem rzadkich. Magnesy NIB szybko korodują, dzięki czemu podczas procesu produkcyjnego otrzymują powłokę ochronną, zwykle niklową. Zamiast niklu można stosować powłoki z aluminium, cynku lub żywicy epoksydowej.

Chociaż magnesy NIB są najsilniejszymi znanymi magnesami trwałymi, mają również najniższą temperaturę Curie, około 350 C (niektóre źródła podają, że tak niskie, jak 80 C) spośród innych magnesów trwałych. Ta niska temperatura Curie ogranicza ich zastosowanie przemysłowe. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe stały się istotną częścią elektroniki domowej, w tym telefonów komórkowych i komputerów. Magnesy neodymowo-żelazowo-borowe są również wykorzystywane w urządzeniach do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI).

Zaletami magnesów NIB są stosunek mocy do masy (do 1300 razy), wysoka odporność na rozmagnesowanie w temperaturach dogodnych dla człowieka oraz opłacalność. Wady obejmują utratę magnetyzmu w niższych temperaturach Curie, niską odporność na korozję (jeśli poszycie jest uszkodzone) i kruchość (może pęknąć, pęknąć lub odpryskiwać przy nagłym zderzeniu z innymi magnesami lub metale. (Patrz Zasoby dla Magnetic Fruit, aktywność wykorzystująca magnesy NIB.)

Magnesy tymczasowe składają się z tak zwanych miękkich materiałów żelaznych. Miękkie żelazo oznacza, że ​​atomy i elektrony są w stanie ustawić się w żelazie, zachowując się przez pewien czas jak magnes. Lista metali magnetycznych obejmuje gwoździe, spinacze do papieru i inne materiały zawierające żelazo. Magnesy tymczasowe stają się magnesami, gdy zostaną wystawione na działanie pola magnetycznego lub umieszczone w nim. Na przykład igła pocierana przez magnes staje się magnesem tymczasowym, ponieważ magnes powoduje, że elektrony ustawiają się w jednej linii w igle. Jeśli pole magnetyczne lub ekspozycja na magnes są wystarczająco silne, miękkie żelazka mogą stać się magnesami trwałymi, przynajmniej dopóki ciepło, wstrząs lub czas nie spowodują, że atomy stracą swoje wyrównanie.

Trzeci rodzaj magnesu występuje, gdy prąd przechodzi przez drut. Owijanie drutu wokół miękkiego żelaznego rdzenia wzmacnia siłę pola magnetycznego. Zwiększenie energii elektrycznej zwiększa siłę pola magnetycznego. Kiedy prąd przepływa przez drut, działa magnes. Zatrzymaj przepływ elektronów, a pole magnetyczne zapadnie. (Zobacz Zasoby dotyczące symulacji elektromagnetyzmu PhET.)

Największym magnesem na świecie jest w rzeczywistości Ziemia. Stałe żelazo-nikielowe jądro Ziemi obracające się w ciekłym żelazowo-niklowym jądrze zewnętrznym zachowuje się jak dynamo, generując pole magnetyczne. Słabe pole magnetyczne działa jak magnes sztabkowy nachylony pod kątem około 11 stopni od osi Ziemi. Północny kraniec tego pola magnetycznego to południowy biegun magnesu sztabkowego. Ponieważ przeciwne pola magnetyczne przyciągają się nawzajem, północny kraniec kompasu magnetycznego wskazuje na południowy kraniec ziemskiego pola magnetycznego znajdujący się w pobliżu bieguna północnego (mówiąc w inny sposób południowy biegun magnetyczny Ziemi znajduje się w pobliżu geograficznego bieguna północnego, chociaż często można zobaczyć ten południowy biegun magnetyczny oznaczony jako północny magnetyczny Polak).

Pole magnetyczne Ziemi generuje magnetosferę otaczającą Ziemię. Oddziaływanie wiatru słonecznego z magnetosferą powoduje zorzę polarną i południową, znane jako Aurora Borealis i Aurora Australis.

Pole magnetyczne Ziemi wpływa również na minerały żelaza w strumieniu lawy. Minerały żelaza w lawie pokrywają się z polem magnetycznym Ziemi. Te wyrównane minerały „zamarzają” na swoim miejscu, gdy lawa się ochładza. Badania wyrównań magnetycznych w przepływach bazaltowych po obu stronach grzbietu środkowoatlantyckiego zapewniają dowód nie tylko na odwrócenie ziemskiego pola magnetycznego, ale także na teorię płyty tektonika.