З чого виготовлені магніти?

Зміст

• TL; DR (Занадто довго; Не читав)
• Визначення магнітів та магнетизму
• Види магнітів
• Постійні магніти
• Тимчасові магніти
• Електромагніти
• Найбільший у світі магніт

Магніти здаються загадковими. Невидимі сили витягують магнітні матеріали разом або, обертаючи один магніт, розсувають їх. Чим сильніші магніти, тим сильніше тяжіння чи відштовхування. І, звичайно, сама Земля - ​​магніт. Хоча деякі магніти виготовляються зі сталі, існують інші види магнітів.

TL; DR (Занадто довго; Не читав)

Магнетит - природний магнітний мінерал. Обертання ядра Землі генерує магнітне поле. Магніти Alnico виготовлені з алюмінію, нікелю та кобальту з меншою кількістю алюмінію, міді та титану. Керамічні або феритові магніти виготовляють або з оксиду барію, або з оксиду стронцію, легованого оксидом заліза. Два рідкісноземельних магніти - це самарійний кобальт, який містить сплав самарія-кобальту з мікроелементами (залізо, мідь, циркон) та неодимовими магнітами бору.

Визначення магнітів та магнетизму

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 (його ще називають північним полюсом) до негативного (південного) полюса. Магнетизм відноситься до взаємодії двох магнітів. Протилежності приваблюють, тому позитивний полюс магніту та негативний полюс іншого магніту притягують один одного.

Види магнітів

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

Постійні магніти

Постійні магніти зберігають свої магнітні властивості протягом тривалого періоду часу. Зміни постійних магнітів залежать від сили магніту та складу магнітів. Зміни, як правило, відбуваються через зміни температури (зазвичай підвищення температури). Магніти, нагріті до температури Кюрі, назавжди втрачають свою магнітну властивість, оскільки атоми зміщуються з конфігурації, що викликає магнітний ефект. Температура Кюрі, названа відкривачем П'єром Кюрі, змінюється в залежності від магнітного матеріалу.

Магнетит, природний постійний магніт, є слабким магнітом. Більш міцні постійні магніти - це альніко, неодимовий залізний бор, самарій-кобальт та керамічні чи феритові магніти. Всі ці магніти відповідають вимогам постійного визначення магніту.

Магнетит

Магнетит, який також називають камінним каменем, забезпечував голки компаса від дослідників, починаючи від китайських мисливців на нефрит до світових мандрівників. Мінеральний магнетит утворюється при нагріванні заліза в атмосфері з низьким вмістом кисню, внаслідок чого утворюється оксид заліза Fe₃О₄. Полоски магнетиту служать компасами. Компаси сягають близько 250 до н.е. в Китаї, де їх називали південними покажчиками.

Магніти зі сплаву Alnico

Алініковими магнітами зазвичай користуються магніти, виготовлені із сполуки 35 відсотків алюмінію (Al), 35 відсотків нікелю (Ni) та 15 відсотків кобальту (Co) із 7 відсотками алюмінію (Al), 4 відсотків міді (Cu) та 4 відсотками титану ( Ті). Ці магніти були розроблені в 30-х роках і стали популярними у 40-х роках. Температура має менший вплив на магніти Alnico, ніж інші штучно створені магніти. Проте, магніти Alnico можна легше розмагнічувати, тому штанги та магніти підкови потрібно зберігати належним чином, щоб вони не стали розмагнічуватись.

Магніти Alnico використовуються багатьма способами, особливо в аудіосистемах, таких як динаміки та мікрофони. Переваги магнітів Alnico включають високу стійкість до корозії, високу фізичну міцність (не чіпляйте, не тріскайте та не ламайте) та високу стійкість до температури (до 540 градусів Цельсія). До недоліків можна віднести слабкіші магнітні тяги, ніж інші штучні магніти.

Керамічні (феритові) магніти

У 1950-х роках була розроблена нова група магнітів. Жорсткі гексагональні ферити, які ще називають керамічними магнітами, можна розрізати на більш тонкі скибочки і піддавати дії демагнетизуючих полів низького рівня, не втрачаючи своїх магнітних властивостей. Їх також дешево виготовити. Молекулярна гексагональна структура фериту зустрічається в оксиді барію, легованому оксидом заліза (BaO ∙ 6Fe₂О₃) і оксид стронцію, легований оксидом заліза (SrO ∙ 6Fe₂О₃). Ферит стронцію (Sr) має дещо кращі магнітні властивості. Найпоширенішими постійними магнітами є феритові (керамічні) магніти. Крім вартості, до переваг керамічних магнітів можна віднести високу стійкість до розмагнічування та високу корозійну стійкість. Однак вони крихкі і легко ламаються.

Самарій-кобальтові магніти

Самарійно-кобальтові магніти були розроблені в 1967 р. Ці магніти, з молекулярним складом SmCo₅, стали першими комерційними постійними магнітами рідкоземельних та перехідних металів. 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 у застосуванні для більш високих температур, приблизно до 500 C, але висока вартість матеріалів обмежує використання цього типу магніту. Самарій є рідкісним навіть серед рідкісноземельних елементів, а кобальт класифікується як стратегічний метал, тому запаси контролюються.

Самарійно-кобальтові магніти добре працюють у вологих умовах. До інших переваг можна віднести високу жаростійкість, стійкість до низьких температур (-273 С) та високу корозійну стійкість. Як і керамічні магніти, однак, самарійно-кобальтові магніти крихкі. Вони, як зазначалося, дорожчі.

Неодимові залізні магніти бору

Неодимові магнітні бори (NdFeB або NIB) були винайдені в 1983 році. Ці магніти містять 70 відсотків заліза, 5 відсотків бору і 25 відсотків неодиму, рідкоземельних елементів. Магніти NIB швидко роз’їдаються, 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, близько 350 C (деякі джерела говорять про 80 ​​° C), інші постійні магніти. Ця низька температура Кюрі обмежує їх промислове використання. Неодимові залізні магніти стали важливою частиною побутової електроніки, включаючи стільникові телефони та комп’ютери. Неодимові залізні магніти також використовуються в апаратах магнітно-резонансної томографії (МРТ).

Переваги магнітів NIB включають співвідношення потужності до ваги (до 1300 разів), високу стійкість до розмагнічування при комфортних для людини температурах та економічну ефективність. До недоліків можна віднести втрату магнетизму при більш низьких температурах Кюрі, низьку стійкість до корозії (якщо покриття пошкоджено) та крихкість (може зламатися, тріснути або сколотитися при раптових зіткненнях з іншими магнітами чи металами. (Див. Ресурси для «Магнітний фрукт», діяльність з використанням магнітів NIB .)

Тимчасові магніти

Тимчасові магніти складаються з матеріалів, що називаються м'якими залізами. М’яке залізо означає, що атоми та електрони здатні стати вирівняними всередині заліза, поводячись як магніт протягом певного часу. Список магнітних металів включає цвяхи, скріпки для паперу та інші матеріали, що містять залізо. Тимчасові магніти стають магнітами, коли потрапляють у магнітне поле або розміщуються в ньому. Наприклад, голка, потерта магнітом, стає тимчасовим магнітом, оскільки магніт викликає вирівнювання електронів всередині голки. Якщо магнітне поле або вплив магніту є досить сильним, м'які праски можуть стати постійними магнітами, принаймні, поки тепло, удар або час не призведуть до того, що атоми втратять своє вирівнювання.

Електромагніти

Третій тип магніту виникає при проходженні електрики через провід. Обмотування дроту навколо м'якого залізного сердечника посилює силу магнітного поля. Збільшення електрики збільшує силу магнітного поля. Коли електричний струм протікає через дріт, магніт працює. Зупиніть потік електронів і магнітне поле руйнується. (Див. Ресурси для моделювання електромагнетизму в ПЕТ.)

Найбільший у світі магніт

Найбільшим у світі магнітом є, власне, Земля. Земне тверде залізо-нікелеве внутрішнє ядро, що обертається у рідкому залізо-нікелевому зовнішньому ядрі, поводиться як динамо, генеруючи магнітне поле. Слабке магнітне поле діє як магніт бар, нахилений приблизно на 11 градусів від осі Землі. Північний кінець цього магнітного поля - південний полюс смугового магніту. Оскільки протилежні магнітні поля притягують одне одного, північний кінець магнітного компаса вказує на південний кінець магнітного поля Землі, розташований поблизу північного полюса (кажучи інакше, південний магнітний полюс Землі фактично розташований поблизу географічного північного полюса , хоча ви часто бачите, що південний магнітний полюс позначений як північний магнітний полюс).

Магнітне поле Землі породжує магнітосферу, яка оточує Землю. Взаємодія сонячного вітру з магнітосферою спричиняє північне та південне сяйво, відоме як Aurora Borealis та Aurora Australis.

Магнітне поле Землі також впливає на мінеральні речовини заліза в потоках лави. Мінерали заліза в лаві співпадають із магнітним полем Землі. Ці вирівняні мінерали «замерзають» на місці, коли лава охолоджується. Дослідження магнітних вирівнювань в базальтових потоках по обидві сторони середньоатлантичного хребта дають свідчення не тільки для реверсування магнітного поля Землі, але й для теорії тектоніки плит.