З чого зроблені магніти?

Магніти здаються загадковими. Невидимі сили зближують магнітні матеріали або, зіштовхуючи один магніт, розсовують їх. Чим сильніші магніти, тим сильніше притягання або відштовхування. І, звичайно, сама Земля є магнітом. Хоча деякі магніти виготовляються зі сталі, існують інші типи магнітів.

TL; DR (занадто довгий; Не читав)

Магнетит - природний магнітний мінерал. Обертається ядро ​​Землі генерує магнітне поле. Магніти Alnico виготовляються з алюмінію, нікелю та кобальту з меншою кількістю алюмінію, міді та титану. Керамічні або феритові магніти виготовляються з оксиду барію або оксиду стронцію, легованого оксидом заліза. Два рідкісноземельні магніти - це кобальт із самарію, який містить сплав самарію-кобальту з мікроелементами (залізо, мідь, циркон) та неодимовий магніт із бором.

Будь-який об'єкт, який виробляє магнітне поле і взаємодіє з іншими магнітними полями, є магнітом. Магніти мають позитивний кінець або полюс і негативний кінець або полюс. Лінії магнітного поля рухаються від позитивного полюса (також його називають північним) до негативного (південного) полюса. Магнетизм відноситься до взаємодії двох магнітів. Протилежності притягуються, тому позитивний полюс магніту і негативний полюс іншого магніту притягують один одного.

Існують три загальних типи магнітів: постійні магніти, тимчасові магніти та електромагніти. Постійні магніти зберігають свою магнітну якість протягом тривалого періоду часу. Тимчасові магніти швидко втрачають свій магнетизм. Електромагніти використовують електричний струм для генерації магнітного поля.

Постійні магніти зберігають свої магнітні властивості протягом тривалого періоду часу. Зміни постійних магнітів залежать від сили магніту та його складу. Зміни зазвичай відбуваються внаслідок зміни температури (як правило, підвищення температури). Магніти, нагріті до температури Кюрі, назавжди втрачають свої магнітні властивості, оскільки атоми виходять з конфігурації, що викликає магнітний ефект. Температура Кюрі, названа на честь першовідкривача П'єра Кюрі, змінюється залежно від магнітного матеріалу.

Магнетит, природний постійний магніт, є слабким магнітом. Потужнішими постійними магнітами є альникові, неодимові залізні бори, самарій-кобальтові та керамічні або феритові магніти. Усі ці магніти відповідають вимогам визначення постійних магнітів.

Магнетит

Магнетит, який також називають лодестоном, забезпечував голки компаса від дослідників, починаючи від китайських мисливців за нефритом і закінчуючи світовими мандрівниками. Мінерал магнетит утворюється при нагріванні заліза в атмосфері з низьким вмістом кисню, в результаті чого оксид заліза Fe одержується₃О₄. Цирком магнетиту служать компаси. Компаси датуються приблизно 250 р. До н. Е. в Китаї, де їх називали південними вказівниками.

Магніти зі сплаву Alnico

Магніти Alnico - це загальновживані магніти, виготовлені із сполуки 35 відсотків алюмінію (Al), 35 відсотків нікелю (Ni) та 15 відсотків кобальту (Co) з 7 відсотків алюмінію (Al), 4 відсотків міді (Cu) та 4 відсотків титану (Ti). Ці магніти були розроблені в 1930-х роках, а стали популярними в 1940-х. Температура має менший вплив на магніти Альніко, ніж інші штучно створені магніти. Однак магніти Alnico можна легше розмагнітити, однак, тому магніти Alnico та підкови повинні зберігатися належним чином, щоб вони не розмагнічувались.

Магніти Alnico використовуються багато в чому, особливо в аудіосистемах, таких як динаміки та мікрофони. Переваги магнітів Alnico включають високу корозійну стійкість, високу фізичну міцність (не сколюються, не тріскаються та не ламаються) та стійкість до високих температур (до 540 градусів Цельсія). До недоліків можна віднести слабший магнітний потяг, ніж інші штучні магніти.

Керамічні (феритові) магніти

У 1950-х роках була розроблена нова група магнітів. Тверді гексагональні ферити, які також називають керамічними магнітами, можна нарізати на більш тонкі скибочки і піддавати впливу розмагнічуючих полів низького рівня, не втрачаючи своїх магнітних властивостей. Вони також дешеві у виготовленні. Молекулярна гексагональна структура фериту зустрічається як в оксиді барію, легованому оксидом заліза (BaO ∙ 6Fe₂О₃) та оксид стронцію, легований оксидом заліза (SrO ∙ 6Fe₂О₃). Ферит стронцію (Sr) має дещо кращі магнітні властивості. Найпоширенішими постійними магнітами є феритові (керамічні) магніти. Крім вартості, переваги керамічних магнітів включають хорошу стійкість до розмагнічування та високу корозійну стійкість. Однак вони крихкі і легко ламаються.

Самарій-кобальтові магніти

Самарій-кобальтові магніти були розроблені в 1967 році. Ці магніти з молекулярним складом SmCo₅, стали першими комерційними постійними магнітами на рідкісноземельні та перехідні метали. У 1976 р. Був розроблений сплав кобальту самарію з мікроелементами (залізо, мідь та циркон) з молекулярною структурою Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Ці магніти мають великий потенціал для використання в умовах більш високих температур, приблизно до 500 С, але висока вартість матеріалів обмежує використання цього типу магнітів. Самарій рідкісний навіть серед рідкісноземельних елементів, а кобальт класифікується як стратегічний метал, тому поставки контролюються.

Самарій-кобальтові магніти добре працюють у вологих умовах. Інші переваги включають високу термостійкість, стійкість до низьких температур (-273 С) та високу корозійну стійкість. Однак, як і керамічні магніти, самарій-кобальтові магніти крихкі. Вони, як зазначалося, дорожчі.

Неодимові залізні магніти з бору

Неодимові магнітні заліза (NdFeB або NIB) були винайдені в 1983 році. Ці магніти містять 70 відсотків заліза, 5 відсотків бору та 25 відсотків неодиму, рідкісноземельного елемента. Магніти NIB швидко піддаються корозії, тому в процесі виробництва вони отримують захисне покриття, як правило, нікелеве. Замість нікелю можна використовувати покриття з алюмінію, цинку або епоксидної смоли.

Хоча магніти NIB є найсильнішими відомими постійними магнітами, вони також мають найнижчу температуру Кюрі, приблизно 350 C (деякі джерела кажуть, що до 80 C), серед інших постійних магнітів. Ця низька температура Кюрі обмежує їх промислове використання. Неодимові залізні магніти з бором стали важливою частиною побутової електроніки, включаючи мобільні телефони та комп’ютери. Неодимові залізні магніти з бором також використовуються в апаратах магнітно-резонансної томографії (МРТ).

Переваги магнітів NIB включають відношення потужності до ваги (до 1300 разів), високу стійкість до розмагнічування при комфортних для людини температурах та економічну ефективність. Недоліки включають втрату магнетизму при нижчих температурах Кюрі, низьку корозійну стійкість (якщо покриття пошкоджено) та крихкість (можуть зламатися, тріснутись або сколитися при раптових зіткненнях з іншими магнітами або металів. (Див. «Ресурси для магнітних фруктів», діяльність із використанням магнітів NIB.)

Тимчасові магніти складаються з так званих м'яких залізних матеріалів. М'яке залізо означає, що атоми та електрони здатні вирівнятися в залізі, який деякий час поводиться як магніт. Список магнітних металів включає цвяхи, скріпки та інші матеріали, що містять залізо. Тимчасові магніти стають магнітами під впливом або розміщенням в магнітному полі. Наприклад, голка, потерта магнітом, стає тимчасовим магнітом, оскільки магніт змушує електрони вирівнюватися всередині голки. Якщо магнітне поле або вплив магніту досить сильні, м’які праски можуть стати постійними магнітами, принаймні до тих пір, поки тепло, удар або час не призведуть до втрати атомами свого вирівнювання.

Третій тип магнітів виникає, коли електрика проходить через дріт. Обмотування дроту навколо м’якого залізного сердечника посилює силу магнітного поля. Збільшення електрики збільшує силу магнітного поля. Коли електрика протікає по дроту, магніт працює. Зупиніть потік електронів і магнітне поле руйнується. (Див. Ресурси для моделювання електромагнетизму за допомогою PhET.)

Найбільшим магнітом у світі є, власне, Земля. Тверде внутрішнє серцевина заліза-нікелю Землі, що обертається у рідкому зовнішньому ядрі залізо-нікель, поводиться як динамо, створюючи магнітне поле. Слабке магнітне поле діє як стержневий магніт, нахилений приблизно на 11 градусів від осі Землі. Північний кінець цього магнітного поля - це південний полюс пруткового магніту. Оскільки протилежні магнітні поля притягують одне одного, північний кінець магнітного компаса вказує на південний кінець магнітного поля Землі, розташований поблизу північного полюса (якщо сказати іншим чином, південний магнітний полюс Землі насправді розташований поблизу географічного північного полюса, хоча часто ви побачите, що південний магнітний полюс позначений як північний магнітний полюс).

Магнітне поле Землі породжує магнітосферу, яка оточує Землю. Взаємодія сонячного вітру з магнітосферою викликає північне та південне сяйво, відомі як полярне сяйво та полярне сяйво.

Магнітне поле Землі також впливає на мінерали заліза в потоках лави. Мінерали заліза в лаві узгоджуються з магнітним полем Землі. Ці вирівняні мінерали "застигають" на місці в міру охолодження лави. Дослідження магнітних вирівнювань в базальтових потоках по обидві сторони середньоатлантичного хребта дають докази не лише обернень магнітного поля Землі, а й теорії плит тектоніка.