Περιεχόμενο
- TL · DR (Πολύ μακρύ;
- Ορισμός μαγνητών και μαγνητισμός
- Τύποι μαγνητών
- Μόνιμοι μαγνήτες
- Προσωρινοί μαγνήτες
- Ηλεκτρομαγνήτες
- Ο μεγαλύτερος μαγνήτης στον κόσμο
Οι μαγνήτες μοιάζουν μυστηριώδεις. Οι αόρατες δυνάμεις τραβούν μαζί μαγνητικά υλικά ή, με το αναστροφή ενός μαγνήτη, τα σπρώχνουν. Όσο ισχυρότεροι είναι οι μαγνήτες, τόσο ισχυρότερη είναι η έλξη ή η απέλαση. Και, φυσικά, η ίδια η Γη είναι μαγνήτης. Ενώ ορισμένοι μαγνήτες είναι κατασκευασμένοι από χάλυβα, υπάρχουν και άλλοι τύποι μαγνητών.
TL · DR (Πολύ μακρύ;
Ο μαγνητίτης είναι ένα φυσικό μαγνητικό ορυκτό. Ο περιστροφικός πυρήνας της Γης παράγει ένα μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνήτες Alnico είναι κατασκευασμένοι από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο με μικρότερες ποσότητες αλουμινίου, χαλκού και τιτανίου. Οι μαγνήτες από κεραμικό ή φερρίτη αποτελούνται είτε από οξείδιο του βαρίου είτε από οξείδιο του στροντίου που είναι κραματοποιημένο με οξείδιο του σιδήρου. Δύο μαγνήτες σπάνιων γαιών είναι κοβάλτιο σαμαρίου, το οποίο περιέχει ένα κράμα σαμαρίου-κοβαλτίου με ιχνοστοιχεία (σίδηρος, χαλκός, ζιρκόνιο) και μαγνήτες σιδήρου βοριδίου νεοδυμίου.
Ορισμός μαγνητών και μαγνητισμός
Κάθε αντικείμενο που παράγει μαγνητικό πεδίο και αλληλεπιδρά με άλλα μαγνητικά πεδία είναι ένας μαγνήτης. Οι μαγνήτες έχουν θετικό άκρο ή πόλο και αρνητικό άκρο ή πόλο. Οι γραμμές του πεδίου του μαγνήτη κινούνται από τον θετικό πόλο (ονομάζεται επίσης βόρειος πόλος) ως τον αρνητικό (νότιο) πόλο. Ο μαγνητισμός αναφέρεται στην αλληλεπίδραση μεταξύ δύο μαγνητών. Τα αντίθετα προσελκύουν, οπότε ο θετικός πόλος ενός μαγνήτη και ο αρνητικός πόλος ενός άλλου μαγνήτη έλκουν ο ένας τον άλλον.
Τύποι μαγνητών
Υπάρχουν τρεις γενικοί τύποι μαγνητών: μόνιμοι μαγνήτες, προσωρινοί μαγνήτες και ηλεκτρομαγνήτες. Οι μόνιμοι μαγνήτες διατηρούν τη μαγνητική τους ποιότητα για μεγάλες χρονικές περιόδους. Οι προσωρινοί μαγνήτες χάνουν γρήγορα το μαγνητισμό τους. Οι ηλεκτρομαγνήτες χρησιμοποιούν ηλεκτρικό ρεύμα για τη δημιουργία μαγνητικού πεδίου.
Μόνιμοι μαγνήτες
Οι μόνιμοι μαγνήτες διατηρούν τις μαγνητικές τους ιδιότητες για μεγάλες χρονικές περιόδους. Οι μεταβολές των μόνιμων μαγνητών εξαρτώνται από την αντοχή του μαγνήτη και τη σύνθεση των μαγνητών. Οι αλλαγές συμβαίνουν γενικά λόγω αλλαγών στη θερμοκρασία (συνήθως αυξανόμενη θερμοκρασία). Οι μαγνήτες που θερμαίνονται στη θερμοκρασία του Curie χάνουν μόνιμα τη μαγνητική τους ιδιότητα επειδή τα άτομα μετακινούνται εκτός της διαμόρφωσης που προκαλεί το μαγνητικό αποτέλεσμα. Η θερμοκρασία Curie, που ονομάζεται για τον ερευνητή Pierre Curie, ποικίλλει ανάλογα με το μαγνητικό υλικό.
Ο μαγνητίτης, ένας φυσικός μόνιμος μαγνήτης, είναι ένας ασθενής μαγνήτης. Οι ισχυρότεροι μόνιμοι μαγνήτες είναι το Alnico, το βόριο σιδήρου νεοδυμίου, το σαμάριο-κοβάλτιο και οι μαγνήτες από κεραμικό ή φερρίτη. Αυτοί οι μαγνήτες πληρούν όλες τις απαιτήσεις του ορισμού του μόνιμου μαγνήτη.
Μαγνητίτης
Ο μαγνητίτης, που ονομάζεται επίσης κιγκλίδωμα, παρείχε βελόνες πυξίδας από εξερευνητές που κυμαίνονται από κινέζους κυνηγούς νεφρίτη έως ταξιδιώτες από όλο τον κόσμο. Ο ορυκτός μαγνητίτης σχηματίζεται όταν ο σίδηρος θερμαίνεται σε ατμόσφαιρα χαμηλού οξυγόνου, με αποτέλεσμα την ένωση οξειδίου σιδήρου Fe3Ο4. Τα τεμάχια μαγνητίτη χρησιμεύουν ως πυξίδες. Οι πυξίδες χρονολογούνται από περίπου 250 π.Χ. στην Κίνα, όπου ονομάζονταν νότιοι δείκτες.
Μαγνήτες κράματος Alnico
Οι μαγνήτες Alnico είναι συνήθως χρησιμοποιούμενοι μαγνήτες κατασκευασμένοι από ένωση 35% αλουμινίου (Al), 35% νικέλιο (Ni) και 15% κοβάλτιο (Co) με αλουμίνιο 7%, χαλκό 4% και τιτάνιο 4% Ti). Αυτοί οι μαγνήτες αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1930 και έγιναν δημοφιλείς στη δεκαετία του 1940. Η θερμοκρασία έχει λιγότερη επίδραση στους μαγνήτες Alnico από τους άλλους τεχνητά δημιουργημένους μαγνήτες. Ωστόσο, οι μαγνήτες Alnico μπορούν να απομαγνητοποιηθούν ευκολότερα, έτσι ώστε οι ράβδοι Alnico και οι πεταλοειδείς μαγνήτες πρέπει να αποθηκεύονται σωστά, ώστε να μην απομαγνητίζονται.
Οι μαγνήτες Alnico χρησιμοποιούνται με πολλούς τρόπους, ειδικά σε ηχητικά συστήματα όπως ηχεία και μικρόφωνα. Τα πλεονεκτήματα των μαγνητών Alnico περιλαμβάνουν υψηλή αντοχή στη διάβρωση, υψηλή φυσική αντοχή (δεν τσιπ, σπάσιμο ή σπάσιμο εύκολα) και αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία (έως 540 βαθμούς Κελσίου). Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν ασθενέστερη μαγνητική έλξη από άλλους τεχνητούς μαγνήτες.
Κεραμικοί (φερρίτες) μαγνήτες
Στη δεκαετία του 1950 αναπτύχθηκε μια νέα ομάδα μαγνητών. Τα σκληρά εξαγωνικά φερρίτες, που ονομάζονται επίσης κεραμικοί μαγνήτες, μπορούν να κοπούν σε λεπτές φέτες και να εκτεθούν σε πεδία απομαγνητισμού χαμηλού επιπέδου χωρίς να χάσουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Είναι επίσης φτηνές. Η μοριακή εξαγωνική δομή φερρίτη εμφανίζεται και στα δύο οξείδια του βαρίου που είναι κράματα με οξείδιο σιδήρου (BaO · 6Fe2Ο3) και το οξείδιο του στροντίου που είναι κραματοποιημένο με οξείδιο του σιδήρου (SrO · 6Fe2Ο3). Ο φερρίτης στροντίου (Sr) έχει ελαφρώς καλύτερες μαγνητικές ιδιότητες. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι μόνιμοι μαγνήτες είναι φερρίτες (κεραμικοί) μαγνήτες. Εκτός από το κόστος, τα πλεονεκτήματα των κεραμικών μαγνητών περιλαμβάνουν καλή αντίσταση απομαγνητισμού και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Είναι, ωστόσο, εύθραυστα και σπάνε εύκολα.
Μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου
Οι μαγνήτες σαμαρίου και κοβαλτίου αναπτύχθηκαν το 1967. Αυτοί οι μαγνήτες, με μοριακή σύνθεση SmCo5, έγιναν οι πρώτοι εμπορικοί μόνιμοι μαγνήτες σπάνιων γαιών και μεταβατικών μετάλλων. Το 1976 αναπτύχθηκε ένα κράμα κοβαλτίου σαμαρίου με ιχνοστοιχεία (σίδηρος, χαλκός και ζιργκόν), με μοριακή δομή Sm2(Co, Fe, Cu, Zr)17. Αυτοί οι μαγνήτες έχουν μεγάλες δυνατότητες χρήσης σε εφαρμογές υψηλότερης θερμοκρασίας, μέχρι περίπου 500 C, αλλά το υψηλό κόστος των υλικών περιορίζει τη χρήση αυτού του τύπου μαγνήτη. Το σάμαριο είναι σπάνιο ακόμη και μεταξύ των στοιχείων των σπάνιων γαιών και το κοβάλτιο χαρακτηρίζεται ως στρατηγικό μέταλλο, επομένως οι εφοδιασμοί ελέγχονται.
Οι μαγνήτες σαμαρίου και κοβαλτίου λειτουργούν καλά σε υγρές συνθήκες. Άλλα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν υψηλή αντοχή στη θερμότητα, αντοχή σε χαμηλές θερμοκρασίες (-273 C) και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Όπως οι κεραμικοί μαγνήτες, ωστόσο, οι μαγνήτες σαμαρίου και κοβαλτίου είναι εύθραυστες. Είναι, όπως αναφέρθηκε, ακριβότερα.
Μαγνήτες σιδήρου βορίου νεοδυμίου
Οι μαγνήτες σιδήρου νεοδυμίου σιδήρου (NdFeB ή NIB) επινοήθηκαν το 1983. Αυτοί οι μαγνήτες περιέχουν 70 τοις εκατό σίδηρο, 5 τοις εκατό βόριο και 25 τοις εκατό νεοδυμίου, στοιχείο σπανίων γαιών. Οι μαγνήτες NIB διαβρώνονται γρήγορα, έτσι λαμβάνουν μια προστατευτική επίστρωση, συνήθως νικέλιο, κατά τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας. Επικαλύψεις αλουμινίου, ψευδαργύρου ή εποξειδικής ρητίνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντί του νικελίου.
Αν και οι μαγνήτες NIB είναι οι ισχυρότεροι γνωστοί μόνιμοι μαγνήτες, έχουν επίσης τη χαμηλότερη θερμοκρασία Curie, περίπου 350 C (μερικές πηγές λένε τόσο χαμηλές όσο 80 C), άλλων μόνιμων μαγνητών. Αυτή η χαμηλή θερμοκρασία Curie περιορίζει τη βιομηχανική τους χρήση. Οι μαγνήτες βορών σιδήρου από νεοδύμιο έχουν γίνει ουσιαστικό μέρος των ηλεκτρονικών ειδών οικιακής χρήσης, συμπεριλαμβανομένων των κινητών τηλεφώνων και των υπολογιστών. Οι μαγνήτες βορικού σιδήρου από νεοδύμιο χρησιμοποιούνται επίσης σε μηχανές απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού (MRI).
Τα πλεονεκτήματα των μαγνητών NIB περιλαμβάνουν την αναλογία ισχύος προς βάρους (μέχρι 1.300 φορές), υψηλή ανθεκτικότητα στην απομαγνητισμό σε θερμοκρασίες άνετες από τον άνθρωπο και αποδοτικότητα κόστους. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν απώλεια μαγνητισμού σε χαμηλότερες θερμοκρασίες Curie, χαμηλή αντοχή στη διάβρωση (εάν η επίστρωση είναι κατεστραμμένη) και ευθραυστότητα (μπορεί να σπάσει, να σπάσει ή να τσιμπήσει σε ξαφνικές συγκρούσεις με άλλους μαγνήτες ή μέταλλα. .)
Προσωρινοί μαγνήτες
Οι προσωρινοί μαγνήτες αποτελούνται από αυτά που ονομάζονται μαλακά υλικά από σίδηρο. Ο μαλακός σίδηρος σημαίνει ότι τα άτομα και τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να ευθυγραμμιστούν μέσα στο σίδερο, συμπεριφέροντας ως μαγνήτη για κάποιο χρονικό διάστημα. Η λίστα των μαγνητικών μετάλλων περιλαμβάνει τα καρφιά, τους συνδετήρες και άλλα υλικά που περιέχουν σίδηρο. Οι προσωρινοί μαγνήτες γίνονται μαγνήτες όταν εκτίθενται ή τοποθετούνται μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο. Για παράδειγμα, μια βελόνα που τρίβεται από έναν μαγνήτη γίνεται ένας προσωρινός μαγνήτης επειδή ο μαγνήτης προκαλεί την ευθυγράμμιση των ηλεκτρονίων μέσα στη βελόνα. Εάν το μαγνητικό πεδίο ή η έκθεση στο μαγνήτη είναι αρκετά ισχυρή, τα μαλακά σίδερα μπορεί να γίνουν μόνιμοι μαγνήτες, τουλάχιστον έως ότου η θερμότητα, το σοκ ή ο χρόνος αναγκάσουν τα άτομα να χάσουν την ευθυγράμμισή τους.
Ηλεκτρομαγνήτες
Ο τρίτος τύπος μαγνήτη συμβαίνει όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα σύρμα. Η περιτύλιξη του σύρματος γύρω από έναν μαλακό πυρήνα σιδήρου ενισχύει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Η αύξηση της ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνει τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου. Όταν ο ηλεκτρισμός ρέει μέσω του καλωδίου, ο μαγνήτης λειτουργεί. Σταματήστε τη ροή των ηλεκτρονίων και το μαγνητικό πεδίο καταρρέει. (Δείτε τους πόρους για μια προσομοίωση του ηλεκτρομαγνητισμού από το PhET.)
Ο μεγαλύτερος μαγνήτης στον κόσμο
Ο μεγαλύτερος μαγνήτης στον κόσμο είναι, στην πραγματικότητα, η Γη. Ο εσωτερικός πυρήνας του στερεού σιδήρου-νικελίου της γης που περιστρέφεται στον υγρό εξωτερικό πυρήνα σιδήρου-νικελίου συμπεριφέρεται σαν δυναμό, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Το ασθενές μαγνητικό πεδίο λειτουργεί σαν ένας μαγνήτης ράβδου που κλίνει σε περίπου 11 μοίρες από τον άξονα των Γη. Το βόρειο άκρο αυτού του μαγνητικού πεδίου είναι ο νότιος πόλος του μαγνητικού λαδιού. Δεδομένου ότι τα αντίθετα μαγνητικά πεδία προσελκύουν το ένα το άλλο, το βόρειο άκρο μιας μαγνητικής πυξίδας δείχνει στο νότιο άκρο του μαγνητικού πεδίου της γης που βρίσκεται κοντά στον βόρειο πόλο (για να το θέσουμε με άλλο τρόπο, ο μαγνητικός πόλος της Γης βρίσκεται στην πραγματικότητα κοντά στον γεωγραφικό βόρειο πόλο , αν και συχνά βλέπετε ότι ο νότιος μαγνητικός πόλος ονομάζεται βόρειος μαγνητικός πόλος).
Το γήινο μαγνητικό πεδίο δημιουργεί τη μαγνητόσφαιρα που περιβάλλει τη Γη. Η αλληλεπίδραση του ηλιακού ανέμου με τη μαγνητόσφαιρα προκαλεί τα βόρεια και νότια φώτα γνωστά ως Aurora Borealis και Aurora Australis.
Το γήινο μαγνητικό πεδίο επηρεάζει επίσης τα ορυκτά σιδήρου στις ροές λάβας. Τα ορυκτά σιδήρου στη λάβα ευθυγραμμίζονται με το γήινο μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα ευθυγραμμισμένα ορυκτά "παγώνουν" στη θέση τους καθώς η λάβα κρυώνει. Μελέτες των μαγνητικών ευθυγραμμίσεων στις ροές βασάλτου σε κάθε πλευρά της μέσης ατλαντικής κορυφογραμμής παρέχουν αποδείξεις όχι μόνο για την αναστροφή του μαγνητικού πεδίου της Γης αλλά και για τη θεωρία της τεκτονικής πλάκας.