Mistä magneetit on valmistettu?

Sisältö

• TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)
• Magneettien ja magnetismin määritteleminen
• Magneettityypit
• Pysyvät magneetit
• Väliaikaiset magneetit
• sähkömagneetit
• Maailman suurin magneetti

Magneetit vaikuttavat salaperäisiltä. Näkymättömät voimat vetävät magneettiset materiaalit yhteen tai työntävät ne erilleen yhden magneetin läppällä. Mitä vahvemmat magneetit ovat, sitä voimakkaampi vetovoima tai heijastus. Ja tietenkin, maa itse on magneetti. Vaikka jotkut magneetit ovat terästä, on olemassa muun tyyppisiä magneetteja.

TL; DR (liian pitkä; ei lukenut)

Magnetiitti on luonnollinen magneettinen mineraali. Pyörivä maan ydin synnyttää magneettikentän. Alnico-magneetit ovat alumiinia, nikkeliä ja kobolttia, pienempiä määriä alumiinia, kuparia ja titaania. Keraamiset tai ferriittimagneetit on valmistettu joko bariumoksidista tai rautaoksidilla seostetusta strontiumoksidista. Kaksi harvinaisten maametallien magneetteja ovat samariumkoboltti, joka sisältää samariumkoboltin seosta hivenaineiden kanssa (rauta, kupari, zirkoni), ja neodyymirautaboorimagneetit.

Magneettien ja magnetismin määritteleminen

Mikä tahansa esine, joka tuottaa magneettikentän ja on vuorovaikutuksessa muiden magneettikenttien kanssa, on magneetti. Magneeteilla on positiivinen pää tai napa ja negatiivinen pää tai napa. Magneettikentän linjat siirtyvät positiivisesta navasta (jota kutsutaan myös pohjoisnapoksi) negatiiviseen (eteläiseen) napaan. Magnetismi viittaa kahden magneetin väliseen vuorovaikutukseen. Vastakkaiset vetoavat, joten magneetin positiivinen napa ja toisen magneettisen navan vetoavat toisiinsa.

Magneettityypit

Magneetteja on kolme yleistä tyyppiä: kestomagneetit, väliaikaiset magneetit ja sähkömagneetit. Pysyvät magneetit säilyttävät magneettisen laadunsa pitkän ajanjakson ajan. Väliaikaiset magneetit menettävät magnetisminsa nopeasti. Sähkömagneetit käyttävät sähkövirtaa magneettikentän luomiseen.

Pysyvät magneetit

Pysyvät magneetit pitävät magneettiset ominaisuutensa pitkään. Kestomagneettien muutokset riippuvat magneetin lujuudesta ja magneettien koostumuksesta. Muutokset tapahtuvat yleensä lämpötilan muutosten vuoksi (yleensä lämpötilan nousu). Curie-lämpötilaan lämmitetyt magneetit menettävät pysyvästi magneettisen ominaisuutensa, koska atomit siirtyvät pois konfiguraatiosta, joka aiheuttaa magneettisen vaikutuksen. Löydäjälle Pierre Curielle nimetty Curie-lämpötila vaihtelee magneettisen materiaalin mukaan.

Magnetiitti, luonnossa esiintyvä kestomagneetti, on heikko magneetti. Vahvempia kestomagneetteja ovat Alnico, neodyymi rautaboori, samarium-koboltti ja keraamiset tai ferriittimagneetit. Nämä kaikki magneetit täyttävät kestomagneetin määritelmän vaatimukset.

magnetiitti

Magnetiitti, jota kutsutaan myös lodestoneksi, toimitti kompassinneuloja tutkijoilta aina kiinalaisista jademetsästäjistä maailmanmatkailijoihin. Mineraalimagnetiitti muodostuu, kun rautaa lämmitetään vähän happea sisältävässä ilmakehässä, mistä seuraa rautaoksidiyhdiste Fe₃O₄. Magnetiittisillat toimivat kompassina. Kompasseja on jo noin 250 B.C. Kiinassa, missä niitä kutsuttiin eteläpisteiksi.

Alnico Alloy -magneetit

Alnico-magneetit ovat yleisesti käytettyjä magneetteja, jotka on valmistettu yhdisteestä, jossa on 35 prosenttia alumiinia (Al), 35 prosenttia nikkeliä (Ni) ja 15 prosenttia kobolttia (Co), jossa on 7 prosenttia alumiinia (Al), 4 prosenttia kuparia (Cu) ja 4 prosenttia titaania ( ti). Nämä magneetit kehitettiin 1930-luvulla, ja niistä tuli suosittuja 1940-luvulla. Lämpötilalla on vähemmän vaikutusta Alnico-magneetteihin kuin muihin keinotekoisesti luotuihin magneetteihin. Alnico-magneetit voidaan kuitenkin demagnetoida helpommin, joten Alnico-sauva- ja hevosenkengän magneetteja on säilytettävä oikein, jotta niistä ei aiheutuisi magnetointia.

Alnico-magneetteja käytetään monin tavoin, erityisesti audiojärjestelmissä, kuten kaiuttimissa ja mikrofoneissa. Alnico-magneettien etuja ovat korkea korroosionkestävyys, korkea fysikaalinen lujuus (älä siru, halkeile tai murtu helposti) ja korkea lämpötilankestävyys (jopa 540 astetta). Haittoihin sisältyy heikompi magneettinen veto kuin muihin keinotekoisiin magneetteihin.

Keraamiset (ferriitti) magneetit

1950-luvulla kehitettiin uusi ryhmä magneetteja. Kovat kuusikulmaiset ferriitit, joita kutsutaan myös keraamisiksi magneeteiksi, voidaan leikata ohuemmiksi viipaleiksi ja altistaa matalan tason demagnetoiville kentille menettämättä niiden magneettisia ominaisuuksia. Niitä on myös halpoja valmistaa. Molekyylinen kuusikulmainen ferriittirakenne esiintyy molemmissa bariumoksidissa, joka on seostettu rautaoksidilla (BaO ∙ 6Fe)₂O₃) ja rautoksidilla seostettua strontiumoksidia (SrO = 6Fe₂O₃). Strontium (Sr) -ferriitillä on hiukan paremmat magneettiset ominaisuudet. Yleisimmin käytetyt kestomagneetit ovat ferriitti (keraamiset) magneetit. Kustannusten lisäksi keraamisten magneettien etuihin kuuluu hyvä demagnetoitumiskestävyys ja korkea korroosionkestävyys. Ne ovat kuitenkin hauraita ja murtuvat helposti.

Samarium-Cobalt -magneetit

Samarium-kobolttimagneetit kehitettiin vuonna 1967. Nämä magneetit ovat SmCon molekyylikoostumuksen kanssa₅, tuli ensimmäisistä kaupallisista harvinaisten maametallien ja siirtymämetallien kestomagneeteista. Vuonna 1976 kehitettiin samariumkoboltin seos hivenaineilla (rauta, kupari ja zirkoni), jonka molekyylirakenne on Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Näillä magneeteilla on suuri käyttöpotentiaali korkeampissa lämpötiloissa, jopa noin 500 ° C: seen, mutta materiaalien korkeat kustannukset rajoittavat tämän tyyppisten magneettien käyttöä. Samarium on harvinainen jopa harvinaisten maametallien joukossa, ja koboltti luokitellaan strategiseksi metalliksi, joten tarvikkeet ovat hallinnassa.

Samarium-kobolttimagneetit toimivat hyvin kosteissa olosuhteissa. Muita etuja ovat korkea lämmönkestävyys, kestävyys alhaisissa lämpötiloissa (-273 C) ja korkea korroosionkestävyys. Samoin kuin keraamiset magneetit, samarium-kobolttimagneetit ovat kuitenkin hauraita. Ne ovat, kuten todettiin, kalliimpia.

Neodyymi rautaboorimagneetit

Neodyymirautaboori (NdFeB tai NIB) -magneetit keksittiin vuonna 1983. Nämä magneetit sisältävät 70 prosenttia rautaa, 5 prosenttia booria ja 25 prosenttia neodyymiä, harvinaisten maametallien alkuaineita. NIB-magneetit syövyttävät nopeasti, joten ne saavat suojaavan pinnoitteen, yleensä nikkelin, tuotantoprosessin aikana. Nikkelin sijasta voidaan käyttää alumiini-, sinkki- tai epoksihartsipinnoitteita.

Vaikka NIB-magneetit ovat vahvimpia tunnettuja pysyviä magneetteja, niillä on myös alhaisin Curie-lämpötila, noin 350 ° C (joidenkin lähteiden mukaan jopa 80 ° C), muista kestomagneeteista. Tämä matala Curie-lämpötila rajoittaa niiden teollista käyttöä. Neodyymirautaboorimagneeteista on tullut olennainen osa kotitalouselektroniikkaa, matkapuhelimet ja tietokoneet mukaan lukien. Neodyymirautaboorimagneetteja käytetään myös magneettikuvauslaitteissa (MRI).

NIB-magneettien etuihin kuuluvat tehon ja painon suhde (jopa 1 300 kertaa), korkea demagnetoitumiskestävyys ihmisen mukavissa lämpötiloissa ja kustannustehokkuus. Haittoja ovat magneettisuuden menetys alhaisemmissa Curie-lämpötiloissa, alhainen korroosionkestävyys (jos pinnoitus on vaurioitunut) ja hauraus (voi rikkoutua, halkeilla tai hajoa äkillisissä törmäyksissä muiden magneettien tai metallien kanssa. .)

Väliaikaiset magneetit

Väliaikaiset magneetit koostuvat ns. Pehmeistä rautamateriaaleista. Pehmeä rauta tarkoittaa, että atomit ja elektronit pääsevät kohdistumaan raudan sisällä, käyttäytyen jonkin aikaa magneettina. Magneettisten metallien luettelo sisältää kynnet, paperiliittimet ja muut rautaa sisältävät materiaalit. Väliaikaisista magneeteista tulee magneetteja, kun ne altistetaan magneettikentälle tai asetetaan magneettikentään. Esimerkiksi magneettin hieromasta neulasta tulee väliaikainen magneetti, koska magneetti saa elektronit kohdistumaan neulaan. Jos magneettikenttä tai magneettialtistus on riittävän vahva, pehmeistä rautaista voi tulla pysyviä magneetteja, ainakin siihen asti, kunnes lämpö, ​​shokki tai aika aiheuttavat atomien menettävän kohdistuksen.

sähkömagneetit

Kolmas tyyppi magneettia esiintyy, kun sähkö kulkee johtimen läpi. Langan kääriminen pehmeän raudasydämen ympärille vahvistaa magneettikentän voimakkuutta. Sähkön lisääminen lisää magneettikentän voimakkuutta. Kun sähkö virtaa johtimen läpi, magneetti toimii. Pysäytä elektronien virtaus ja magneettikenttä romahtaa. (Katso sähkömagneettisuuden PhET-simulaatiota Resurssit.)

Maailman suurin magneetti

Maailman suurin magneetti on itse asiassa maa. Maapallon kiinteän rauta-nikkelin sisäydin, joka pyörii nestemäisessä rauta-nikkeli-ytimessä, käyttäytyy kuin dynaaminen, muodostaen magneettikentän. Heikko magneettikenttä toimii kuin sauvamagneetti, joka on kallistettu noin 11 asteeseen maapallon akselista. Tämän magneettikentän pohjoispää on tanko magneetin etelänapa. Koska vastakkaiset magneettikentät houkuttelevat toisiaan, magneettisen kompassin pohjoispää osoittaa maan pohjoisnavan lähellä sijaitsevan Maan magneettikentän eteläpäähän (toisin sanoen, maan eteläinen magneettinapa sijaitsee oikeastaan ​​lähellä maantieteellistä pohjoisnapaa , vaikka näet usein eteläisen magneettisen navan, joka on merkitty pohjoiseksi magneettiseksi napoksi).

Maapallon magneettikenttä synnyttää maapallon ympäröivän magnetosfäärin. Auringon tuulen vuorovaikutus magnetosfäärin kanssa aiheuttaa pohjoisen ja eteläisen valon, joka tunnetaan nimellä Aurora Borealis ja Aurora Australis.

Maapallon magneettikenttä vaikuttaa myös laavavirtojen rauta mineraaleihin. Laavan rauta mineraalit ovat linjassa maan magneettikentän kanssa. Nämä kohdistetut mineraalit "jäätyvät" paikoilleen laavan jäähtyessä. Tutkimukset basalttivirtausten magneettisista kohdistuksista puolivälissä Atlantin harjannetta tarjoavat todisteita paitsi Maapallon magneettikentän kääntöihin myös levytektonian teoriaan.