Из чего сделаны магниты?

Содержание

• TL; DR (слишком долго; не читал)
• Определение магнитов и магнетизма
• Типы магнитов
• Постоянные магниты
• Временные магниты
• Электромагниты
• Самый большой в мире магнит

Магниты кажутся загадочными. Невидимые силы стягивают магнитные материалы вместе или, щелкнув одним магнитом, раздвигают их. Чем сильнее магниты, тем сильнее притяжение или отталкивание. И, конечно же, сама Земля - ​​это магнит. В то время как некоторые магниты сделаны из стали, существуют другие типы магнитов.

TL; DR (слишком долго; не читал)

Магнетит - это природный магнитный минерал. Вращающееся ядро ​​Земли генерирует магнитное поле. Магниты Alnico изготовлены из алюминия, никеля и кобальта с меньшим количеством алюминия, меди и титана. Керамические или ферритовые магниты изготавливаются из оксида бария или оксида стронция, легированного оксидом железа. Два редкоземельных магнита - это самарий-кобальт, который содержит сплав самарий-кобальт с микроэлементами (железо, медь, циркон) и неодим-железо-бор-магниты.

Определение магнитов и магнетизма

Любой объект, который создает магнитное поле и взаимодействует с другими магнитными полями, является магнитом. Магниты имеют положительный конец или полюс и отрицательный конец или полюс. Линии магнитного поля перемещаются от положительного полюса (также называемого северным полюсом) к отрицательному (южному) полюсу. Магнетизм относится к взаимодействию между двумя магнитами. Противоположности притягиваются, поэтому положительный полюс магнита и отрицательный полюс другого магнита притягивают друг друга.

Типы магнитов

Существуют три основных типа магнитов: постоянные магниты, временные магниты и электромагниты. Постоянные магниты сохраняют свое магнитное качество в течение длительных периодов времени. Временные магниты быстро теряют магнетизм. Электромагниты используют электрический ток для генерации магнитного поля.

Постоянные магниты

Постоянные магниты сохраняют свои магнитные свойства в течение длительных периодов времени. Изменения в постоянных магнитах зависят от силы магнита и состава магнитов. Изменения обычно происходят из-за изменений температуры (обычно повышение температуры). Магниты, нагретые до температуры Кюри, постоянно теряют свои магнитные свойства, потому что атомы смещаются из конфигурации, которая вызывает магнитный эффект. Температура Кюри, названная в честь первооткрывателя Пьера Кюри, варьируется в зависимости от магнитного материала.

Магнетит, естественный постоянный магнит, является слабым магнитом. Более сильные постоянные магниты - это алнико, неодим, железо, бор, самарий-кобальт и керамические или ферритовые магниты. Все эти магниты соответствуют требованиям определения постоянного магнита.

магнетит

Магнетит, также называемый магнитом, предоставлял иглы для компасов от исследователей, от китайских нефритовых охотников до путешественников. Минеральный магнетит образуется при нагревании железа в атмосфере с низким содержанием кислорода, что приводит к образованию соединения оксида железа Fe₃О₄, Щепки магнетита служат компасами. Компасы датируются около 250 г. до н.э. в Китае, где их называли южными указателями.

Алнико Сплав Магниты

Магниты Alnico - это обычно используемые магниты, изготовленные из 35-процентного алюминия (Al), 35-процентного никеля (Ni) и 15-процентного кобальта (Co), 7-процентного алюминия (Al), 4-процентной меди (Cu) и 4-процентного титана ( Ti). Эти магниты были разработаны в 1930-х годах и стали популярными в 1940-х годах. Температура оказывает меньшее влияние на магниты алнико, чем другие искусственно созданные магниты. Однако магниты Alnico можно размагничивать легче, поэтому магниты Alnico и подковы должны храниться надлежащим образом, чтобы они не размагничивались.

Магниты Alnico используются во многих отношениях, особенно в аудиосистемах, таких как динамики и микрофоны. Преимущества магнитов Alnico включают высокую коррозионную стойкость, высокую физическую прочность (не ломать, не растрескиваться и не ломаться) и высокую термостойкость (до 540 градусов по Цельсию). Недостатки включают более слабое магнитное притяжение, чем у других искусственных магнитов.

Керамические (ферритовые) магниты

В 1950-х годах была разработана новая группа магнитов. Твердые гексагональные ферриты, также называемые керамическими магнитами, могут быть нарезаны на более тонкие ломтики и подвергаться воздействию размагничивающих полей низкого уровня без потери их магнитных свойств. Они также дешевы, чтобы сделать. Структура молекулярного гексагонального феррита встречается как в оксиде бария, легированного оксидом железа (BaO ∙ 6Fe₂О₃) и оксид стронция, легированный оксидом железа (SrO ∙ 6Fe₂О₃). Феррит стронция (Sr) обладает немного лучшими магнитными свойствами. Наиболее часто используемые постоянные магниты представляют собой ферритовые (керамические) магниты. Помимо стоимости, преимущества керамических магнитов включают в себя хорошую стойкость к размагничиванию и высокую коррозионную стойкость. Однако они хрупкие и легко ломаются.

Самарий-кобальтовые магниты

Самарий-кобальтовые магниты были разработаны в 1967 году. Эти магниты с молекулярным составом SmCo₅, стал первым коммерческим редкоземельным и переходным металлом постоянных магнитов. В 1976 году был разработан сплав самария-кобальта с микроэлементами (железо, медь и циркон) с молекулярной структурой Sm.₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇, Эти магниты имеют большой потенциал для использования при более высоких температурах, примерно до 500 ° С, но высокая стоимость материалов ограничивает использование этого типа магнита. Самарий редок даже среди редкоземельных элементов, а кобальт классифицируется как стратегический металл, поэтому запасы контролируются.

Самарий-кобальтовые магниты хорошо работают во влажных условиях. Другие преимущества включают высокую термостойкость, устойчивость к низким температурам (-273 ° С) и высокую коррозионную стойкость. Однако, подобно керамическим магнитам, самарий-кобальтовые магниты являются хрупкими. Они, как указано, дороже.

Неодимовые железо-бор магниты

Магниты из неодима, железа и бора (NdFeB или NIB) были изобретены в 1983 году. Эти магниты содержат 70 процентов железа, 5 процентов бора и 25 процентов неодима, редкоземельного элемента. Магниты NIB быстро корродируют, поэтому в процессе производства они получают защитное покрытие, обычно никелевое. Покрытия из алюминия, цинка или эпоксидной смолы могут быть использованы вместо никеля.

Хотя НИБ-магниты являются самыми сильными из известных постоянных магнитов, они также имеют самую низкую температуру Кюри, около 350 С (некоторые источники говорят, что она составляет всего 80 С), из других постоянных магнитов. Эта низкая температура Кюри ограничивает их промышленное использование. Неодимовые железо-борные магниты стали неотъемлемой частью бытовой электроники, включая мобильные телефоны и компьютеры. Неодимовые железо-борные магниты также используются в машинах магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Преимущества НИБ-магнитов включают соотношение мощности к весу (до 1300 раз), высокую устойчивость к размагничиванию при комфортных для человека температурах и экономическую эффективность. Недостатки включают потерю магнетизма при более низких температурах Кюри, низкую коррозионную стойкость (если покрытие повреждено) и хрупкость (может сломаться, растрескиваться или рассыпаться при внезапных столкновениях с другими магнитами или металлами. (См. Ресурсы для магнитных плодов, деятельность с использованием магнитов NIB). .)

Временные магниты

Временные магниты состоят из так называемых мягких железных материалов. Мягкое железо означает, что атомы и электроны могут выровняться внутри железа, некоторое время ведя себя как магнит. Список магнитных металлов включает гвозди, скрепки и другие материалы, содержащие железо. Временные магниты становятся магнитами, когда подвергаются воздействию или помещаются в магнитное поле. Например, игла, протертая магнитом, становится временным магнитом, потому что магнит заставляет электроны выравниваться внутри иглы. Если магнитное поле или воздействие магнита достаточно сильны, мягкие утюги могут стать постоянными магнитами, по крайней мере, до тех пор, пока тепло, удар или время не приведут к потере ориентации атомов.

Электромагниты

Третий тип магнита возникает, когда электричество проходит по проводу. Обмотка провода вокруг мягкого железного сердечника усиливает напряженность магнитного поля. Увеличение электричества увеличивает напряженность магнитного поля. Когда электричество течет по проводу, магнит работает. Остановите поток электронов и магнитное поле разрушится. (См. Ресурсы для моделирования электромагнетизма с помощью PhET.)

Самый большой в мире магнит

На самом деле самый большой магнит в мире - это Земля. Твердое железо-никелевое внутреннее ядро ​​Земли, вращающееся в жидком железо-никелевом внешнем ядре, ведет себя как динамо, генерируя магнитное поле. Слабое магнитное поле действует как стержневой магнит, наклоненный примерно на 11 градусов от оси Земли. Северный конец этого магнитного поля является южным полюсом стержневого магнита. Поскольку противоположные магнитные поля притягивают друг друга, северный конец магнитного компаса указывает на южный конец магнитного поля Земли, расположенного рядом с северным полюсом (другими словами, южный магнитный полюс Земли фактически расположен вблизи географического северного полюса). хотя вы часто видите, что южный магнитный полюс обозначен как северный магнитный полюс).

Магнитное поле Земли генерирует магнитосферу, которая окружает Землю. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой вызывает северное и южное сияние, известное как Северное сияние и Северное сияние.

Магнитное поле Земли также влияет на железные минералы в потоках лавы. Минералы железа в лаве совпадают с магнитным полем Земли. Эти выровненные минералы "замерзают" на месте при охлаждении лавы. Исследования магнитных выравниваний в базальтовых потоках по обе стороны от срединно-атлантического хребта подтверждают не только изменения магнитного поля Земли, но и теорию тектоники плит.