Vad är magneter tillverkade av?

Magneter verkar mystiska. Osynliga krafter drar ihop magnetiska material eller skjuter dem isär med en magnet. Ju starkare magneter, desto starkare är attraktionen eller avstötningen. Och naturligtvis är jorden själv en magnet. Medan vissa magneter är gjorda av stål, finns det andra typer av magneter.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Magnetit är ett naturligt magnetiskt mineral. Den snurrande jordkärnan genererar ett magnetfält. Alnico-magneter är gjorda av aluminium, nickel och kobolt med mindre mängder aluminium, koppar och titan. Keramiska magneter eller ferritmagneter är gjorda av antingen bariumoxid eller strontiumoxid legerat med järnoxid. Två sällsynta jordartsmagneter är samarium-kobolt, som innehåller en legering av samarium-kobolt med spårämnen (järn, koppar, zirkon) och neodymiumbor-magneter.

Varje föremål som producerar ett magnetfält och interagerar med andra magnetfält är en magnet. Magneter har en positiv ände eller pol och en negativ ände eller pol. Linjerna i magnetfältet rör sig från den positiva polen (även kallad nordpolen) till den negativa (södra) polen. Magnetism avser interaktionen mellan två magneter. Motsatser lockar, så den positiva polen hos en magnet och den negativa polen hos en annan magnet lockar varandra.

Tre allmänna typer av magneter finns: permanentmagneter, temporära magneter och elektromagneter. Permanenta magneter behåller sin magnetiska kvalitet under långa tidsperioder. Tillfälliga magneter tappar sin magnetism snabbt. Elektromagneter använder elektrisk ström för att generera ett magnetfält.

Permanenta magneter håller sina magnetiska egenskaper under långa perioder. Förändringar i permanentmagneter beror på magnetens styrka och magnets sammansättning. Förändringar sker vanligtvis på grund av temperaturförändringar (vanligtvis ökande temperatur). Magneter som värms upp till Curie-temperaturen tappar permanent sin magnetiska egenskap eftersom atomerna förskjuts ur den konfiguration som orsakar den magnetiska effekten. Curie-temperaturen, uppkallad efter upptäckaren Pierre Curie, varierar beroende på magnetiskt material.

Magnetit, en naturligt förekommande permanentmagnet, är en svag magnet. Starkare permanenta magneter är Alnico, neodymiumbor, samarium-kobolt och keramik- eller ferritmagneter. Dessa magneter uppfyller alla kraven i definitionen av permanentmagnet.

Magnetit

Magnetit, även kallad lodestone, gav kompassnålar från upptäcktsresande, allt från kinesiska jadejägare till världsresenärer. Mineralmagnetiten bildas när järn värms upp i en syrefattig atmosfär, vilket resulterar i järnoxidföreningen Fe₃O₄. Skivor av magnetit fungerar som kompasser. Kompasser går tillbaka till cirka 250 f.Kr. i Kina, där de kallades sydpekare.

Alnico legeringsmagneter

Alnico-magneter är vanligtvis använda magneter tillverkade av en förening av 35 procent aluminium (Al), 35 procent nickel (Ni) och 15 procent kobolt (Co) med 7 procent aluminium (Al), 4 procent koppar (Cu) och 4 procent titan (Ti). Dessa magneter utvecklades på 1930-talet och blev populära på 1940-talet. Temperaturen har mindre effekt på Alnico-magneter än andra konstgjorda magneter. Alnico-magneter kan avmagnetiseras lättare, så Alnico-stång- och hästsko-magneter måste lagras ordentligt så att de inte avmagnetiseras.

Alnico-magneter används på många sätt, särskilt i ljudsystem som högtalare och mikrofoner. Fördelarna med Alnico-magneter inkluderar hög korrosionsbeständighet, hög fysisk hållfasthet (inte flisas, sprickas eller bryts lätt) och hög temperaturbeständighet (upp till 540 grader Celsius). Nackdelarna inkluderar svagare magnetisk dragning än andra konstgjorda magneter.

Keramiska magneter (ferrit)

På 1950-talet utvecklades en ny grupp magneter. Hårda sexkantiga ferriter, även kallade keramiska magneter, kan skäras i tunnare skivor och utsättas för demagnetiserande fält på låg nivå utan att förlora sina magnetiska egenskaper. De är också billiga att tillverka. Den molekylära hexagonala ferritstrukturen förekommer i både bariumoxid legerat med järnoxid (BaO ∙ 6Fe₂O₃) och strontiumoxid legerat med järnoxid (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Strontium (Sr) ferrit har något bättre magnetiska egenskaper. De vanligaste permanenta magneterna är ferritmagneter (keramik). Förutom kostnad inkluderar fördelarna med keramiska magneter att ha bra demagnetiseringsmotstånd och hög korrosionsmotstånd. De är dock spröda och går sönder lätt.

Samarium-koboltmagneter

Samarium-koboltmagneter utvecklades 1967. Dessa magneter, med en molekylär sammansättning av SmCo₅, blev den första permanenta magneten för sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetaller. 1976 utvecklades en legering av samariumkobalt med spårämnen (järn, koppar och zirkon) med en molekylär struktur av Sm.₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Dessa magneter har stor potential för användning i applikationer med högre temperaturer, upp till cirka 500 ° C, men den höga kostnaden för materialen begränsar användningen av denna typ av magnet. Samarium är sällsynt även bland de sällsynta jordartsmetallerna, och kobolt klassas som en strategisk metall, så leveranser kontrolleras.

Samarium-koboltmagneter fungerar bra i fuktiga förhållanden. Andra fördelar inkluderar hög värmebeständighet, motståndskraft mot låga temperaturer (-273 C) och hög korrosionsbeständighet. Liksom keramiska magneter är dock samarium-koboltmagneter spröda. De är som sagt dyrare.

Neodymium järnbor magneter

Neodym järnbor (NdFeB eller NIB) magneter uppfanns 1983. Dessa magneter innehåller 70 procent järn, 5 procent bor och 25 procent neodym, ett sällsynt jordelement. NIB-magneter korroderar snabbt så att de får en skyddande beläggning, vanligtvis nickel, under produktionsprocessen. Beläggningar av aluminium, zink eller epoxiharts kan användas istället för nickel.

Även om NIB-magneter är de starkaste kända permanentmagneterna, har de också den lägsta Curietemperaturen, cirka 350 C (vissa källor säger så låga som 80 C), av andra permanentmagneter. Denna låga Curie-temperatur begränsar deras industriella användning. Neodym järnbormagneter har blivit en viktig del av hushållselektronik inklusive mobiltelefoner och datorer. Neodym järnbormagneter används också i magnetiska resonanstomografimaskiner (MRI).

Fördelarna med NIB-magneter inkluderar förhållande mellan vikt och vikt (upp till 1300 gånger), hög motståndskraft mot demagnetisering vid mänskliga bekväma temperaturer och kostnadseffektivitet. Nackdelarna inkluderar förlust av magnetism vid lägre Curie temperaturer, låg korrosionsbeständighet (om plätering är skadad) och sprödhet (kan gå sönder, spricka eller flisas vid plötsliga kollisioner med andra magneter eller metaller. (Se Resurser för magnetisk frukt, en aktivitet som använder NIB-magneter.)

Tillfälliga magneter består av vad som kallas mjuka järnmaterial. Mjukt järn betyder att atomerna och elektronerna kan justeras i järnet och beter sig som en magnet en tid. Listan över magnetiska metaller innehåller spikar, gem och andra material som innehåller järn. Tillfälliga magneter blir magneter när de utsätts för eller placeras i ett magnetfält. Till exempel blir en nål som gnuggas av en magnet en tillfällig magnet eftersom magneten får elektronerna att rikta sig inuti nålen. Om magnetfältet eller exponeringen för magneten är tillräckligt stark kan mjuka strykjärn bli permanentmagneter, åtminstone tills värme, chock eller tid orsakar atomerna förlorar sin inriktning.

Den tredje typen av magnet uppstår när el passerar genom en tråd. Att vira tråden runt en mjuk järnkärna förstärker magnetfältets styrka. Att öka elen ökar styrkan i magnetfältet. När el rinner genom ledningen fungerar magneten. Stoppa elektronflödet och magnetfältet kollapsar. (Se Resurser för en PhET-simulering av elektromagnetism.)

Världens största magnet är faktiskt jorden. Jordens inre kärna av fast järn-nickel som snurrar i den flytande yttre kärnan av järn-nickel beter sig som en dynamo och genererar ett magnetfält. Det svaga magnetfältet fungerar som en stavmagnet lutad ungefär 11 grader från jordens axel. Den nordliga änden av detta magnetfält är den södra polen av stavmagneten. Eftersom motsatta magnetfält lockar varandra, pekar den norra änden av en magnetkompass mot den södra änden av jordens magnetfält som ligger nära nordpolen (för att uttrycka det ett annat sätt, jordens sydmagnetiska pol ligger faktiskt nära den geografiska nordpolen, men du kommer ofta att se den sydmagnetiska polen märkt som den nordliga magnetiska Pol).

Jordens magnetfält genererar magnetosfären som omger jorden. Samverkan mellan solvinden och magnetosfären orsakar norr- och södra ljus som kallas Aurora Borealis och Aurora Australis.

Jordens magnetfält påverkar också järnmineralerna i lavaflöden. Järnmineralerna i lavan ligger i linje med jordens magnetfält. Dessa inriktade mineraler "fryser" på plats när lavan svalnar. Studier av magnetiska inriktningar i basaltflöden på vardera sidan av midatlantiska åsen ger bevis inte bara för reverseringar av jordens magnetfält utan också för teorin om plattan tektonik.