Z čoho sú vyrobené magnety?

Magnety pôsobia záhadne. Neviditeľné sily sťahujú magnetické materiály k sebe alebo ich otočením jedného magnetu odtlačia od seba. Čím silnejšie sú magnety, tým silnejšia je príťažlivosť alebo odpor. A samozrejme, samotná Zem je magnet. Zatiaľ čo niektoré magnety sú vyrobené z ocele, existujú aj iné typy magnetov.

TL; DR (príliš dlhý; Nečítali)

Magnetit je prírodný magnetický minerál. Rotujúce zemské jadro generuje magnetické pole. Alnico magnety sú vyrobené z hliníka, niklu a kobaltu s menším množstvom hliníka, medi a titánu. Keramické alebo feritové magnety sú vyrobené z oxidu bárnatého alebo oxidu strontnatého legovaného oxidom železa. Dva magnety vzácnych zemín sú samáriový kobalt, ktorý obsahuje zliatinu samária-kobaltu so stopovými prvkami (železo, meď, zirkón) a neodymové železné bórové magnety.

Akýkoľvek objekt, ktorý vytvára magnetické pole a interaguje s inými magnetickými poľami, je magnet. Magnety majú kladný koniec alebo pól a záporný koniec alebo pól. Čiary magnetického poľa sa pohybujú od kladného pólu (nazývaného tiež severný pól) k zápornému (južnému) pólu. Magnetizmus označuje interakciu medzi dvoma magnetmi. Protiklady sa priťahujú, takže kladný pól magnetu a záporný pól iného magnetu sa navzájom priťahujú.

Existujú tri všeobecné typy magnetov: permanentné magnety, dočasné magnety a elektromagnety. Permanentné magnety si zachovávajú svoju magnetickú kvalitu po dlhú dobu. Dočasné magnety rýchlo strácajú magnetizmus. Elektromagnety používajú na generovanie magnetického poľa elektrický prúd.

Permanentné magnety si zachovávajú svoje magnetické vlastnosti po dlhú dobu. Zmeny permanentných magnetov závisia od sily magnetu a zloženia magnetu. Zmeny sa spravidla vyskytujú v dôsledku zmien teploty (zvyčajne stúpajúca teplota). Magnety ohriate na ich Curieovu teplotu permanentne strácajú svoje magnetické vlastnosti, pretože atómy sa presúvajú z konfigurácie, ktorá spôsobuje magnetický efekt. Curieho teplota, pomenovaná pre objaviteľa Pierra Curieho, sa líši v závislosti od magnetického materiálu.

Magnetit, prirodzene sa vyskytujúci permanentný magnet, je slabým magnetom. Silnejšie permanentné magnety sú Alnico, neodym-železo-bór, samárium-kobalt a keramické alebo feritové magnety. Všetky tieto magnety spĺňajú požiadavky definície permanentného magnetu.

Magnetit

Magnetit, ktorý sa tiež nazýva lodestone, poskytoval ihly kompasu od prieskumníkov od čínskych lovcov nefritov po svetových cestovateľov. Minerálny magnetit sa tvorí pri zahrievaní železa v atmosfére s nízkym obsahom kyslíka, čo vedie k vzniku zlúčeniny železa Fe₃O₄. Trosky magnetitu slúžia ako kompasy. Kompasy pochádzajú približne z roku 250 p.n.l. v Číne, kde sa im hovorilo južné ukazovatele.

Zliatinové magnety Alnico

Alnico magnety sú bežne používané magnety vyrobené zo zmesi 35 percent hliníka (Al) a 35 percent niklu (Ni) a 15 percent kobaltu (Co) so 7 percentami hliníka (Al), 4 percentami medi (Cu) a 4 percentami titánu (Ti). Tieto magnety boli vyvinuté v 30. rokoch 20. storočia a stali sa populárnymi v 40. rokoch 20. storočia. Teplota má na magnety Alnico menší vplyv ako iné umelo vytvorené magnety. Alnico magnety sa dajú demagnetizovať jednoduchšie, avšak tyčinkové a podkovové magnety Alnico musia byť uskladnené správne, aby sa nedemagnetizovali.

Magnety Alnico sa používajú mnohými spôsobmi, najmä v audio systémoch, ako sú reproduktory a mikrofóny. Medzi výhody magnetov Alnico patrí vysoká odolnosť proti korózii, vysoká fyzikálna pevnosť (ľahko sa neodlamujú, nepraskajú alebo sa nerozlomia) a odolnosť proti vysokej teplote (až 540 stupňov Celzia). Medzi nevýhody patrí slabší magnetický ťah ako v prípade iných umelých magnetov.

Keramické (feritové) magnety

V 50. rokoch bola vyvinutá nová skupina magnetov. Tvrdé šesťuholníkové ferity, ktoré sa tiež nazývajú keramické magnety, možno rezať na tenšie plátky a vystaviť ich nízkoúrovňovým demagnetizačným poliam bez straty magnetických vlastností. Tiež sú lacné na výrobu. Molekulárna hexagonálna feritová štruktúra sa vyskytuje v obidvoch oxidoch bárnatých legovaných oxidom železa (BaO ∙ 6Fe₂O₃) a oxid strontnatý legovaný oxidom železa (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Ferit strontnatý (Sr) má o niečo lepšie magnetické vlastnosti. Najbežnejšie používané permanentné magnety sú feritové (keramické) magnety. Medzi výhody keramických magnetov patrí okrem nákladov aj dobrá demagnetizačná odolnosť a vysoká odolnosť proti korózii. Sú však krehké a ľahko sa lámu.

Samarium-kobaltové magnety

Samarium-kobaltové magnety boli vyvinuté v roku 1967. Tieto magnety s molekulárnym zložením SmCo₅, sa stali prvými komerčnými permanentnými magnetmi zo vzácnych zemín a prechodných kovov. V roku 1976 bola vyvinutá zliatina kobaltu samaria so stopovými prvkami (železo, meď a zirkón) s molekulárnou štruktúrou Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Tieto magnety majú veľký potenciál na použitie pri vyšších teplotách až do asi 500 ° C, ale použitie tohto typu magnetu obmedzuje vysoká cena materiálov. Samárium je vzácne aj medzi prvkami vzácnych zemín a kobalt je klasifikovaný ako strategický kov, takže zásoby sú kontrolované.

Samarium-kobaltové magnety fungujú dobre vo vlhkých podmienkach. Medzi ďalšie výhody patrí vysoká tepelná odolnosť, odolnosť voči nízkym teplotám (-273 ° C) a vysoká odolnosť proti korózii. Rovnako ako keramické magnety sú ale samarium-kobaltové magnety krehké. Sú, ako sa uvádza, drahšie.

Neodýmové železné bórové magnety

V roku 1983 boli vynájdené magnety bóru z neodýmového železa (NdFeB alebo NIB). Tieto magnety obsahujú 70 percent železa, 5 percent bóru a 25 percent neodýmu, prvku vzácnych zemín. Magnety NIB rýchlo korodujú, takže počas výrobného procesu dostávajú ochranný povlak, zvyčajne nikel. Namiesto niklu sa môžu použiť povlaky z hliníka, zinku alebo epoxidovej živice.

Aj keď sú NIB magnety najsilnejšie známe permanentné magnety, majú tiež najnižšiu Curieovu teplotu, okolo 350 C (niektoré zdroje uvádzajú až 80 C), iných permanentných magnetov. Táto nízka teplota Curie obmedzuje ich priemyselné použitie. Neodýmové železo-bórové magnety sa stali nevyhnutnou súčasťou domácej elektroniky vrátane mobilných telefónov a počítačov. Neodymové železné bórové magnety sa používajú aj v prístrojoch na zobrazovanie pomocou magnetickej rezonancie (MRI).

Medzi výhody magnetov NIB patrí pomer výkonu k hmotnosti (až 1 300-krát), vysoká odolnosť proti demagnetizácii pri pohodlných teplotách pre človeka a nákladová efektívnosť. Medzi nevýhody patrí strata magnetizmu pri nižších teplotách Curie, nízka odolnosť proti korózii (ak pokovovanie je poškodené) a krehkosť (môže sa zlomiť, prasknúť alebo odštiepiť sa pri náhlych kolíziách s inými magnetmi alebo kovy. (Pozri Zdroje pre Magnetic Fruit, činnosť využívajúca magnety NIB.)

Dočasné magnety pozostávajú z takzvaných materiálov z mäkkého železa. Mäkké železo znamená, že atómy a elektróny sú schopné zosúladiť sa v železe a určitý čas sa správať ako magnet. Zoznam magnetických kovov obsahuje nechty, sponky na papier a iné materiály obsahujúce železo. Z dočasných magnetov sa stávajú magnety, ktoré sú vystavené magnetickému poľu alebo sú v ňom umiestnené. Napríklad z ihly vtieranej magnetom sa stane dočasný magnet, pretože magnet spôsobí, že sa elektróny v ihle zarovnajú. Ak je magnetické pole alebo pôsobenie magnetu dostatočne silné, z mäkkých žehličiek sa môžu stať permanentné magnety, a to prinajmenšom dovtedy, kým teplo, šok alebo čas nespôsobia stratu vzájomného súladu atómov.

Tretí typ magnetu nastáva, keď elektrina prechádza drôtom. Omotaním drôtu okolo jadra z mäkkého železa sa zosilňuje sila magnetického poľa. Zvyšovaním elektriny sa zvyšuje sila magnetického poľa. Keď elektrina preteká drôtom, magnet funguje. Zastavte tok elektrónov a magnetické pole sa zrúti. (Pozri Zdroje týkajúce sa simulácie elektromagnetizmu PhET.)

Najväčším magnetom na svete je v skutočnosti Zem. Zemské pevné železo-niklové vnútorné jadro točiace sa v tekutom železno-niklovom vonkajšom jadre sa správa ako dynamo a vytvára magnetické pole. Slabé magnetické pole funguje ako tyčový magnet naklonený asi o 11 stupňov od zemskej osi. Severný koniec tohto magnetického poľa je južný pól tyčového magnetu. Pretože opačné magnetické polia sa navzájom lákajú, severný koniec magnetického kompasu smeruje na južný koniec magnetického poľa Zeme blízko severného pólu ( iným spôsobom, južný magnetický pól Zeme sa v skutočnosti nachádza v blízkosti geografického severného pólu, aj keď často uvidíte ten južný magnetický pól označený ako severný magnetický pól pól).

Magnetické pole Zeme generuje magnetosféru, ktorá obklopuje Zem. Interakcia slnečného vetra s magnetosférou spôsobuje severné a južné svetlo známe ako Aurora Borealis a Aurora Australis.

Magnetické pole Zeme ovplyvňuje aj železné minerály v prúdoch lávy. Železné minerály v láve sa vyrovnávajú s magnetickým poľom Zeme. Tieto zarovnané minerály „zamrznú“ na mieste, keď láva chladne. Poskytujú štúdie magnetického vyrovnania v čadičových tokoch na oboch stranách stredoatlantického hrebeňa dôkazy nielen o obráteniach magnetického poľa Zeme, ale aj o teórii platní tektonika.