Miből készülnek mágnesek?

Tartalom

• TL; DR (túl hosszú; nem olvastam)
• A mágnesek és a mágnesesség meghatározása
• Mágnesek típusai
• Állandó mágnesek
• Ideiglenes mágnesek
• Elektromágnes
• A világ legnagyobb mágnese

A mágnesek titokzatosnak tűnnek. A láthatatlan erők összehúzzák a mágneses anyagokat, vagy egy mágnes lepattintásával szétvágják azokat. Minél erősebbek a mágnesek, annál erősebb a vonzerő vagy visszatükröződés. És természetesen maga a Föld is mágnes. Míg néhány mágnes acélból készül, más típusú mágnesek léteznek.

TL; DR (túl hosszú; nem olvastam)

A magnetit természetes mágneses ásvány. A forgó Föld mag mágneses teret generál. Az Alnico mágnesek alumíniumból, nikkelből és kobaltból készülnek, kisebb mennyiségű alumíniumból, rézből és titánból. A kerámia- vagy ferritmágnesek bárium-oxidból vagy vas-oxiddal ötvözött stroncium-oxidból készülnek. Két ritkaföldfémből álló mágnes a szamárium-kobalt, amely szamárium-kobalt ötvözetet tartalmaz nyomelemekkel (vas, réz, cirkon), és neodímium-vas-bór-mágnesek.

A mágnesek és a mágnesesség meghatározása

Bármely tárgy, amely mágneses teret generál és kölcsönhatásba lép más mágneses mezőkkel, mágnes. A mágneseknek pozitív vége vagy pólusa és negatív vége vagy pólusa van. A mágneses mező vonalai a pozitív pólusról (más néven az északi pólus) a negatív (déli) pólusra mozognak. A mágnesesség két mágnes közötti kölcsönhatásra utal. Az ellentétek vonzódnak, tehát egy mágnes pozitív pólusa és egy másik mágnes negatív pólusa vonzza egymást.

Mágnesek típusai

Három általános típusú mágnes létezik: állandó mágnesek, ideiglenes mágnesek és elektromágnesek. Az állandó mágnesek hosszú ideig megőrzik mágneses tulajdonságaikat. Az ideiglenes mágnesek gyorsan elveszítik mágnesességüket. Az elektromágnesek elektromos áramot használnak mágneses mező létrehozására.

Állandó mágnesek

Az állandó mágnesek hosszú ideig megtartják mágneses tulajdonságaikat. Az állandó mágnesek változása a mágnes erősségétől és a mágnesek összetételétől függ. A változások általában a hőmérséklet változása (általában növekvő hőmérséklet) következtében történnek. A Curie-hőmérsékletre hevített mágnesek véglegesen elveszítik mágneses tulajdonságaikat, mivel az atomok elmozdulnak a mágneses hatást okozó konfigurációtól. A felfedező Pierre Curie-nek nevezett Curie-hőmérséklet a mágneses anyagtól függően változik.

A magneten, a természetben előforduló állandó mágnes gyenge mágnes. Erősebb állandó mágnesek az Alnico, a neodímium-vas-bór, a szamárium-kobalt és a kerámia vagy a ferrit mágnesek. Ezek a mágnesek megfelelnek az állandó mágnesek meghatározásának követelményeinek.

Magnetit

A lodestone néven is ismert magnetit iránytűt biztosított a felfedezőktől, kezdve a kínai jadevadászokat a világutazóktól kezdve. Az ásványi magnetit akkor képződik, amikor a vas alacsony oxigéntartalmú atmoszférában melegül, így Fe vas-oxid-vegyületet eredményezve₃O₄. A magnetit forgácsai iránytűként szolgálnak. Körülbelül 250 B.C. Kínában, ahol déli mutatóknak hívták őket.

Alnico ötvözött mágnesek

Az Alnico mágnesek általában mágnesek, amelyek 35% alumínium (Al), 35% nikkel (Ni) és 15% kobalt (Co), 7% alumínium (Al), 4% réz (Cu) és 4% titán ( Ti). Ezeket a mágneseket az 1930-as években fejlesztették ki, és az 1940-es években népszerűvé váltak. A hőmérséklet kevésbé befolyásolja az Alnico mágneseket, mint más mesterségesen létrehozott mágnesek. Az Alnico mágneseket azonban könnyebben lehet mágneseztetni, ezért az Alnico sáv- és patkómágneseket megfelelően kell tárolni, hogy azok ne mágnesesedjenek.

Az Alnico mágneseket sokféle módon használják, különösen az audiorendszerekben, például hangszórók és mikrofonok. Az Alnico mágnesek előnyei között szerepel a magas korrózióállóság, a nagy fizikai szilárdság (ne aprítsa, repedjen vagy törjön könnyen) és a magas hőmérsékleti ellenállás (540 Celsius fok). Hátrányok közé tartozik a gyengébb mágneses húzás, mint a többi műmágnesnél.

Kerámia (ferrit) mágnesek

Az 1950-es években a mágnesek új csoportját fejlesztették ki. A kemény hatszögletű ferriteket, más néven kerámia mágneseket, vékonyabb szeletekre lehet vágni, és alacsony szintű mágnesezési mezőknek kitéve, mágneses tulajdonságaik elvesztése nélkül. Ők is olcsók elkészítéséhez. A molekuláris hatszögletű ferritszerkezet mindkét vas-oxiddal ötvözött bárium-oxidban (BaO ∙ 6Fe) fordul elő₂O₃) és vas-oxiddal ötvözött stroncium-oxid (SrO ∙ 6Fe₂O₃). A stroncium (Sr) ferrit valamivel jobb mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. A leggyakrabban használt állandó mágnesek a ferrit (kerámia) mágnesek. A költségek mellett a kerámia mágnesek előnyei között szerepel a jó mágnesezési ellenállás és a magas korrózióállóság. Törékenyek és könnyen törnek.

Samarium-Cobalt mágnesek

A szamárium-kobalt mágneseket 1967-ben fejlesztették ki. Ezek a mágnesek SmCo molekuláris összetételűek₅lett az első kereskedelmi ritkaföldfémek és átmeneti fém állandó mágnesek. 1976-ban kifejlesztettek egy szamárium-kobalt ötvözetet nyomelemekkel (vas, réz és cirkon), amelynek molekuláris szerkezete Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Ezeknek a mágneseknek nagy a lehetősége a magasabb hőmérsékleten történő alkalmazásra, körülbelül 500 ° C-ig, de az anyagok magas költsége korlátozza az ilyen típusú mágnesek alkalmazását. A szamárium még a ritkaföldfémek között is ritka, és a kobalt stratégiai fémnek minősül, tehát az ellátás ellenőrzése alatt áll.

A szamárium-kobalt mágnesek jól működnek nedves körülmények között. További előnyök a magas hőállóság, az alacsony hőmérsékleti ellenállás (-273 C) és a magas korrózióállóság. A kerámia mágnesekhez hasonlóan a szamárium-kobalt mágnesek is törékenyek. Ezek, amint kijelentették, drágábbak.

Neodímium vasbór mágnesek

Neodímium-vas-bór (NdFeB vagy NIB) mágneseket fedeztek fel 1983-ban. Ezek a mágnesek 70% vasat, 5% bórt és 25% neodímet tartalmaznak, egy ritkaföldfémet. A NIB mágnesek gyorsan korrodálódnak, így védőbevonatot kapnak, általában nikkelt a gyártási folyamat során. Nikkel helyett alumínium, cink vagy epoxigyanta bevonatok használhatók.

Noha a NIB mágnesek a legerősebb ismert állandó mágnesek, a többi állandó mágneseknek a legalacsonyabb Curie-hőmérséklete is van, körülbelül 350 ° C (egyes források szerint 80 ° C). Ez az alacsony Curie-hőmérséklet korlátozza ipari felhasználásukat. A neodímium vasbór-mágnesek a háztartási elektronika nélkülözhetetlen részévé váltak, ideértve a mobiltelefonokat és a számítógépeket. A neodímium vasbór-mágneseket a mágneses rezonancia képalkotó (MRI) gépekben is használják.

A NIB mágnesek előnyei között szerepel a teljesítmény / tömeg arány (akár 1300-szor), a nagy lemaradás-ellenállás az ember számára kényelmes hőmérsékleten és a költséghatékonyság. Hátrányok közé tartozik a mágnesesség elvesztése alacsonyabb Curie-hőmérsékleten, az alacsony korrózióállóság (ha a burkolat sérült) és a törékenység (törés, repedés vagy repedés következhet be, ha más mágnesekkel vagy fémekkel hirtelen ütköznek. .)

Ideiglenes mágnesek

Az ideiglenes mágnesek lágy vasanyagokból állnak. A puha vas azt jelenti, hogy az atomok és az elektronok egységessé válhatnak a vasban, egy ideig mágnesként viselkedve. A mágneses fémek listája magába foglalja a körmöket, gemkapcsokat és más, vasat tartalmazó anyagokat. Az ideiglenes mágnesek mágnesekké válnak, ha azokat mágneses mezőnek teszik ki, vagy azokba helyezik. Például, egy tű, amelyet egy mágnes megdörzsöl, ideiglenes mágnessé válik, mivel a mágnes miatt az elektronok a tűn belül igazodnak. Ha a mágneses mező vagy a mágneses expozíció elég erős, akkor a puha vasak állandó mágnesekké válhatnak, legalábbis addig, amíg hő, sokk vagy idő nem okozza az atomok illesztésének elvesztését.

Elektromágnes

A harmadik típusú mágnes akkor fordul elő, amikor az elektromosság áthalad egy vezetéken. A huzal körbefűzése egy puha vasmag körül erősíti a mágneses erő erősségét. A villamosenergia-növekedés növeli a mágneses erő erősségét. Amikor az áram áramlik a vezetéken, a mágnes működik. Állítsa le az elektronok áramlását, és a mágneses mező összeomlik. (Lásd a forrásokat az elektromágnesesség PhET-szimulációjához.)

A világ legnagyobb mágnese

A világ legnagyobb mágnese valójában a Föld. A Föld szilárd vas-nikkel belső magja, amely a folyékony vas-nikkel külső magban forog, dinamóként viselkedik, mágneses teret generálva. A gyenge mágneses mező úgy működik, mint egy rúdmágnes, amely körülbelül 11 fokkal dől a Föld tengelyétől. Ennek a mágneses mezőnek az északi vége a rúdmágnes déli pólusa. Mivel az ellentétes mágneses mezők vonzzák egymást, a mágneses iránytű északi vége a föld mágneses mezőjének déli végére mutat, az északi pólus közelében (más szóval a Föld déli mágneses pólusa valójában a földrajzi északi pólus közelében található) , bár gyakran látni fogja azt a déli mágneses pólt, amelyet az északi mágneses pólusnak jelölnek).

A Föld mágneses mezője létrehozza a Földet körülvevő magnetoszféra. A napszél és a magnetoszféra kölcsönhatása okozza az északi és déli fényeket, amelyeket Aurora Borealis és Aurora Australis néven ismernek.

A Föld mágneses tere a vas ásványokat is befolyásolja a lávaáramokban. A láva vas ásványi anyagai igazodnak a Föld mágneses mezőjéhez. Ezek az igazított ásványok "lefagynak" a helyükre, amikor a láva lehűl. A közép-atlanti gerinc mindkét oldalán lévő bazaltáramok mágneses illesztéseinek vizsgálata nemcsak a Föld mágneses mezőjének megfordulására, hanem a lemeztektonika elméletére is bizonyítékot szolgáltat.