Din ce sunt făcute magneții?

Magneții par misterioși. Forțele nevăzute atrag materialele magnetice împreună sau, cu clapeta unui magnet, le împing. Cu cât magneții sunt mai puternici, cu atât atracția sau respingerea sunt mai puternice. Și, desigur, Pământul în sine este un magnet. În timp ce unii magneți sunt din oțel, există și alte tipuri de magneți.

TL; DR (Prea lung; Nu am citit)

Magnetita este un mineral magnetic natural. Nucleul pământului care se rotește generează un câmp magnetic. Magneții Alnico sunt fabricați din aluminiu, nichel și cobalt cu cantități mai mici de aluminiu, cupru și titan. Magneții din ceramică sau ferită sunt fabricați fie din oxid de bariu, fie din oxid de stronțiu aliat cu oxid de fier. Doi magneți de pământuri rare sunt samariu-cobalt, care conține un aliaj de samariu-cobalt cu oligoelemente (fier, cupru, zircon) și magneți de neodim-fier-bor.

Orice obiect care produce un câmp magnetic și interacționează cu alte câmpuri magnetice este un magnet. Magneții au un capăt sau pol pozitiv și un capăt sau pol negativ. Liniile câmpului magnetic se deplasează de la polul pozitiv (numit și polul nord) la polul negativ (sud). Magnetismul se referă la interacțiunea dintre doi magneți. Opusurile se atrag, astfel încât polul pozitiv al unui magnet și polul negativ al altui magnet se atrag reciproc.

Există trei tipuri generale de magneți: magneți permanenți, magneți temporari și electro-magneți. Magneții permanenți își păstrează calitatea magnetică pe perioade lungi de timp. Magneții temporari își pierd rapid magnetismul. Electromagneții folosesc curent electric pentru a genera un câmp magnetic.

Magneții permanenți își păstrează proprietățile magnetice pentru perioade lungi de timp. Modificările magneților permanenți depind de puterea magnetului și de compoziția magnetului. Modificările se produc în general din cauza schimbărilor de temperatură (de obicei creșterea temperaturii). Magneții încălziți la temperatura Curie își pierd permanent proprietatea magnetică, deoarece atomii se deplasează în afara configurației care provoacă efectul magnetic. Temperatura Curie, numită după descoperitorul Pierre Curie, variază în funcție de materialul magnetic.

Magnetita, un magnet permanent natural, este un magnet slab. Magneții permanenți mai puternici sunt Alnico, borul de neodim fier, samariu-cobalt și magneții din ceramică sau ferită. Acești magneți îndeplinesc toate cerințele definiției magnetului permanent.

Magnetit

Magnetita, numită și piatră lod, a furnizat ace de busolă de la exploratori, de la vânătorii de jad chinezi până la călătorii mondiali. Magnetitul mineral se formează atunci când fierul este încălzit într-o atmosferă cu conținut scăzut de oxigen, rezultând compusul de oxid de fier Fe₃O₄. Fărâmă de magnetit servesc drept busole. Busolele datează din aproximativ 250 î.e.n. în China, unde au fost numiți indicatori sudici.

Magneți din aliaj Alnico

Magneții Alnico sunt magneți utilizați în mod obișnuit, compuși dintr-un compus de 35% aluminiu (Al), 35% nichel (Ni) și 15% cobalt (Co) cu 7% aluminiu (Al), 4% cupru (Cu) și 4% titan (Ti). Acești magneți au fost dezvoltați în anii 1930 și au devenit populari în anii 1940. Temperatura are un efect mai mic asupra magneților Alnico decât alți magneți creați artificial. Magneții Alnico pot fi demagnetați mai ușor, totuși, astfel încât magneții Alnico cu bare și potcoavă trebuie depozitați corespunzător, astfel încât să nu devină demagnetizați.

Magneții Alnico sunt utilizați în mai multe moduri, în special în sistemele audio precum difuzoarele și microfoanele. Avantajele magneților Alnico includ rezistență ridicată la coroziune, rezistență fizică ridicată (nu ciobesc, nu se sparg sau rupe ușor) și rezistență la temperaturi ridicate (până la 540 grade Celsius). Dezavantajele includ atracția magnetică mai slabă decât alți magneți artificiali.

Magneți din ceramică (ferită)

În anii 1950 a fost dezvoltat un nou grup de magneți. Feritele hexagonale dure, numite și magneți ceramici, pot fi tăiate în felii mai subțiri și pot fi expuse câmpurilor demagnetizante de nivel scăzut fără a-și pierde proprietățile magnetice. De asemenea, sunt ieftine de făcut. Structura de ferită hexagonală moleculară apare atât în ​​oxidul de bariu aliat cu oxid de fier (BaO ∙ 6Fe₂O₃) și oxid de stronțiu aliat cu oxid de fier (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Ferita de stronțiu (Sr) are proprietăți magnetice puțin mai bune. Magneții permanenți utilizați cel mai frecvent sunt magneții de ferită (ceramică). Pe lângă costuri, avantajele magneților ceramici includ o bună rezistență la demagnetizare și o rezistență ridicată la coroziune. Ele sunt, totuși, fragile și se rup ușor.

Magneți Samarium-Cobalt

Magneții de samariu-cobalt au fost dezvoltați în 1967. Acești magneți, cu o compoziție moleculară de SmCo₅, au devenit primii magneți comerciali din pământuri rare și metale de tranziție. În 1976 a fost dezvoltat un aliaj de samariu cobalt cu oligoelemente (fier, cupru și zircon), cu o structură moleculară de Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Acești magneți au un potențial mare de utilizare în aplicații cu temperatură mai ridicată, până la aproximativ 500 C, dar costul ridicat al materialelor limitează utilizarea acestui tip de magnet. Samariul este rar chiar și printre elementele din pământuri rare, iar cobaltul este clasificat ca un metal strategic, astfel încât aprovizionarea este controlată.

Magneții de samariu-cobalt funcționează bine în condiții de umezeală. Alte avantaje includ rezistența ridicată la căldură, rezistența la temperaturi scăzute (-273 C) și rezistența ridicată la coroziune. La fel ca magneții ceramici, totuși, magneții de samariu-cobalt sunt fragili. După cum sa menționat, acestea sunt mai scumpe.

Magneți de neodim fier-bor

Magneții de neodim-fier-bor (NdFeB sau NIB) au fost inventați în 1983. Acești magneți conțin 70% fier, 5% bor și 25% neodim, un element din pământuri rare. Magneții NIB se corodează rapid, astfel încât primesc un strat protector, de obicei nichel, în timpul procesului de producție. În locul nichelului pot fi utilizate straturi de aluminiu, zinc sau rășină epoxidică.

Deși magneții NIB sunt cei mai puternici magneți permanenți cunoscuți, aceștia au și cea mai scăzută temperatură Curie, aproximativ 350 C (unele surse spun că scade până la 80 C), dintre alți magneți permanenți. Această temperatură scăzută Curie limitează utilizarea lor industrială. Magneții din neodim fier-bor au devenit o parte esențială a electronice de uz casnic, inclusiv telefoane mobile și computere. Magneții de neodim fier-bor sunt utilizați și în mașinile de imagistică prin rezonanță magnetică (RMN).

Avantajele magneților NIB includ raportul putere-greutate (de până la 1.300 de ori), rezistență ridicată la demagnetizare la temperaturi confortabile pentru oameni și rentabilitate. Dezavantajele includ pierderea magnetismului la temperaturi Curie mai scăzute, rezistența scăzută la coroziune (dacă este placarea este deteriorată) și fragilitatea (se poate rupe, crăpa sau așchiea la coliziuni bruște cu alți magneți sau metale. (Vedeți Resurse pentru fructe magnetice, o activitate care utilizează magneți NIB.)

Magneții temporari constau din ceea ce se numește materiale moi din fier. Fierul moale înseamnă că atomii și electronii sunt capabili să se alinieze în fier, comportându-se ca un magnet pentru o vreme. Lista metalelor magnetice include cuie, agrafe și alte materiale care conțin fier. Magneții temporari devin magneți atunci când sunt expuși sau plasați într-un câmp magnetic. De exemplu, un ac frecat de un magnet devine un magnet temporar, deoarece magnetul determină alinierea electronilor în interiorul acului. Dacă câmpul magnetic sau expunerea la magnet sunt suficient de puternice, fierele moi pot deveni magneți permanenți, cel puțin până când căldura, șocul sau timpul determină ca atomii să-și piardă alinierea.

Al treilea tip de magnet apare atunci când electricitatea trece printr-un fir. Înfășurarea firului în jurul unui miez de fier moale amplifică puterea câmpului magnetic. Creșterea energiei electrice crește puterea câmpului magnetic. Când curentul curge prin fir, magnetul funcționează. Opriți fluxul de electroni și câmpul magnetic se prăbușește. (Consultați Resurse pentru o simulare PhET a electromagnetismului.)

Cel mai mare magnet din lume este, de fapt, Pământul. Miezul interior fier-nichel solid al Pământului care se rotește în nucleul exterior lichid fier-nichel se comportă ca o dinamă, generând un câmp magnetic. Câmpul magnetic slab acționează ca un magnet magnetic înclinat la aproximativ 11 grade față de axa Pământului. Capătul nordic al acestui câmp magnetic este polul sud al magnetului barei. Deoarece câmpurile magnetice opuse se atrag reciproc, capătul nordic al unei busole magnetice indică capătul sudic al câmpului magnetic al Pământului situat lângă polul nord (pentru a-l pune într-un alt mod, polul magnetic sud al Pământului este de fapt situat lângă polul geografic nord, deși veți vedea adesea acel pol magnetic sud etichetat ca fiind magneticul nordic stâlp).

Câmpul magnetic al Pământului generează magnetosfera care înconjoară Pământul. Interacțiunea vântului solar cu magnetosfera determină luminile nordice și sudice cunoscute sub numele de Aurora Borealis și Aurora Australis.

Câmpul magnetic al Pământului afectează, de asemenea, mineralele de fier din fluxurile de lavă. Mineralele de fier din lavă se aliniază cu câmpul magnetic al Pământului. Aceste minerale aliniate „îngheață” în loc pe măsură ce lava se răcește. Studiile alinierilor magnetice în fluxurile de bazalt de ambele părți ale creastei mijlocii a Atlanticului oferă dovezi nu numai pentru inversarea câmpului magnetic al Pământului, ci și pentru teoria plăcii tectonica.