ממה עשויים מגנטים?

תוֹכֶן

• TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
• הגדרת מגנטים ומגנטיות
• סוגי מגנטים
• מגנטים קבועים
• מגנטים זמניים
• אלקטרומגנטים
• המגנט הגדול ביותר בעולמות

מגנטים נראים מסתוריים. כוחות בלתי נראים מושכים חומרים מגנטיים זה לזה, או בעזרת היפוך של מגנט אחד, דוחפים אותם זה מזה. ככל שהמגנטים חזקים יותר, כך המשיכה או הדחייה חזקים יותר. וכמובן, כדור הארץ עצמו הוא אבן שואבת. בעוד שמגנטים מסוימים עשויים פלדה, ישנם סוגים אחרים של מגנטים.

TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)

מגנטיט הוא מינרל מגנטי טבעי. גרעין כדור הארץ המסתובב מייצר שדה מגנטי. מגנטים מאלניקו עשויים אלומיניום, ניקל וקובלט עם כמויות קטנות יותר של אלומיניום, נחושת וטיטניום. מגנטים קרמיים או פריטים עשויים מחמצן בריום או מתחמוצת סטרונציום עם סגסוגת תחמוצת ברזל. שני מגנטים אדומים נדירים הם סמריום קובלט, המכיל סגסוגת של סמריום קובלט עם אלמנטים קורט (ברזל, נחושת, זירקון) ומגנטים לבור ברזל ניאודימיום.

הגדרת מגנטים ומגנטיות

כל אובייקט המייצר שדה מגנטי ומתקשר עם שדות מגנטיים אחרים הוא מגנט. למגנטים יש סוף או מוט חיובי וסוף או מוט שלילי. קווי שדה המגנט עוברים מהקוטב החיובי (נקרא גם הקוטב הצפוני) לקוטב השלילי (הדרומי). מגנטיות מתייחסת לאינטראקציה בין שני מגנטים. ניגודים מושכים, כך שהקוטב החיובי של מגנט והקוטב השלילי של מגנט אחר מושכים זה את זה.

סוגי מגנטים

ישנם שלושה סוגים כלליים של מגנטים: מגנטים קבועים, מגנטים זמניים ואלקטרומגנטים. מגנטים קבועים שומרים על איכותם המגנטית לאורך תקופות זמן ארוכות. מגנטים זמניים מאבדים את מגנטיותם במהירות. אלקטרומגנטים משתמשים בזרם חשמלי כדי ליצור שדה מגנטי.

מגנטים קבועים

מגנטים קבועים מחזיקים בתכונות המגנטיות שלהם לפרקי זמן ארוכים. שינויים במגנטים קבועים תלויים בחוזק המגנט ובהרכב המגנטים. שינויים מתרחשים בדרך כלל בגלל שינויים בטמפרטורה (בדרך כלל העלאת הטמפרטורה). מגנטים המחוממים לטמפרטורת הקארי שלהם מאבדים לצמיתות את רכושם המגנטי מכיוון שהאטומים עוברים מהתצורה הגורמת לאפקט המגנטי. טמפרטורת הקארי, על שם המגלה פייר קירי, משתנה בהתאם לחומר המגנטי.

מגנטיט, מגנט קבוע המתרחש באופן טבעי, הוא מגנט חלש. מגנטים קבועים חזקים יותר הם אלניקו, בורון ברזל ניאודימיום, סמריום קובלט ומגנטים קרמיים או פריטים. מגנטים אלה עונים כולם לדרישות הגדרת המגנט הקבוע.

מגנטיט

מגנטיט, המכונה גם לודסטון, סיפק מחטי מצפן מגלי ארצות החל מציידי ירקן סיניים ועד מטיילים עולמיים. המגנטיט המינרלי נוצר כאשר מחממים ברזל באטמוספירה דלה בחמצן, וכתוצאה מכך תרכובת תחמוצת הברזל Fe₃הו₄. רסיסי מגנטיט משמשים כמצפנים. מצפנים מתוארכים לכ- 250 מעלות צלזיוס. בסין, שם נקראו מצביעי דרום.

מגנטים לסגסוגת אלניקו

מגנטים לאלניקו הם מגנטים נפוצים המיוצרים מתרכובת של 35 אחוז אלומיניום (Al), 35 אחוז ניקל (Ni) ו -15 אחוז קובלט (Co) עם 7 אחוז אלומיניום (Al), 4 אחוז נחושת (Cu) ו -4 אחוזים טיטניום ( טי). מגנטים אלה פותחו בשנות השלושים והפכו פופולריים בשנות הארבעים. הטמפרטורה משפיעה פחות על מגנטים של אלניקו בהשוואה למגנטים מגנטיים אחרים שנוצרו באופן מלאכותי. עם זאת, ניתן לאחסן מגנטים של אלניקו בקלות רבה יותר, עם זאת, יש לאחסן כראוי מגנטים של אלניקו ופרסת פרסה כך שהם לא יהפכו לדיגאנטיזציה.

מגנטים של אלניקו משמשים בדרכים רבות, במיוחד במערכות שמע כמו רמקולים ומיקרופונים. היתרונות של מגנטים מאלניקו כוללים עמידות בפני קורוזיה גבוהה, חוזק גופני גבוה (אל תעבד, לא נסדק ולא נשבר בקלות) והתנגדות לטמפרטורה גבוהה (עד 540 מעלות צלזיוס). החסרונות כוללים משיכה מגנטית חלשה יותר ממגנטים מלאכותיים אחרים.

מגנטים קרמיים (פריט)

בשנות החמישים פותחה קבוצת מגנטים חדשה. פריסים משושים קשים, הנקראים גם מגנטים קרמיים, ניתנים לחתך לפרוסות דקות יותר ולהיחשף לשדות דמגנטיזציה ברמה נמוכה מבלי לאבד את תכונותיהם המגנטיות. הם גם זולים להכין. מבנה הפריט המשושה המולקולרי מתרחש בשני תחמוצת הבריום הסובלים מתחמוצת ברזל (BaO ∙ 6Fe₂הו₃) ותחמוצת סטרונציום עם סגסוגת תחמוצת ברזל (SrO ∙ 6Fe₂הו₃). לפריט סטרונציום (Sr) יש תכונות מגנטיות מעט טובות יותר. המגנטים הקבועים הנפוצים ביותר הם מגנטים פריט (קרמיקה). מלבד העלות, היתרונות של מגנטים קרמיים כוללים התנגדות טובה לפיזור ועמידות בפני קורוזיה גבוהה. עם זאת, הם שבירים ונשברים בקלות.

מגנטים לסמריום-קובלט

מגנטים לסמריום-קובלט פותחו בשנת 1967. מגנטים אלה, בעלי הרכב מולקולרי של SmCo₅, הפך למגנטים הקבעיים המסחריים הראשונים של כדור הארץ והמתכת. בשנת 1976 פותחה סגסוגת קובלט סמריום עם יסודות קורט (ברזל, נחושת וזירקון), עם מבנה מולקולרי של סמ₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. למגנטים אלה פוטנציאל גדול לשימוש ביישומים בטמפרטורה גבוהה יותר, עד 500 C, אך העלות הגבוהה של החומרים מגבילה את השימוש במגנט מסוג זה. הסמריום נדיר אפילו בקרב היסודות האדירים הנדירים, וקובלט מסווג כמתכת אסטרטגית ולכן האספקה ​​נשלטת.

מגנטים לסמריום-קובלט עובדים היטב בתנאים לחים. יתרונות נוספים כוללים עמידות בחום גבוהה, עמידות לטמפרטורות נמוכות (-273 צלזיוס) ועמידות בפני קורוזיה גבוהה. כמו מגנטים קרמיים, לעומת זאת, מגנטים של סמריום-קובלט הם שבירים. הם כאמור יקרים יותר.

מגנטים לבורון ברזל ניאודימיום

מגנטים לבורון ברזל Neodymium (NdFeB או NIB) הומצאו בשנת 1983. מגנטים אלה מכילים 70 אחוז ברזל, 5 אחוז בורון ו- 25 אחוז ניאודימיום, יסוד אדמה נדירה. מגנטים של ה- NIB מתיישבים במהירות, כך שהם מקבלים ציפוי מגן, בדרך כלל ניקל, במהלך תהליך הייצור. ניתן להשתמש בציפויים של אלומיניום, אבץ או שרף אפוקסי במקום ניקל.

למרות שמגנטים של ה- NIB הם המגנטים הקבועים הידועים החזקים ביותר, יש להם גם טמפרטורת הקארי הנמוכה ביותר, בערך 350 צלזיוס (יש מקורות שאומרים שהם נמוכים כמו 80 צלזיוס), של מגנטים קבועים אחרים. טמפרטורת הקארי הנמוכה הזו מגבילה את השימוש התעשייתי שלהם. מגנטים לבורון ברזל ניאודימיום הפכו לחלק חיוני במוצרי אלקטרוניקה ביתיים כולל טלפונים סלולריים ומחשבים. מגנטים לבורון ברזל Neodymium משמשים גם במכונות הדמיית תהודה מגנטית (MRI).

היתרונות של מגנטים ל- NIB כוללים יחס בין כוח למשקל (עד 1,300 פעמים), עמידות גבוהה בפני דמגנטיזציה בטמפרטורות נוחות לבני אדם וחסכוניות. החסרונות כוללים אובדן מגנטיות בטמפרטורות נמוכות של קארי, עמידות בפני קורוזיה נמוכה (אם הציפוי פגום) וגמישות (עלולה להישבר, להיסדק או לשבב בעת התנגשויות פתאומיות עם מגנטים ומתכות אחרות. (ראה משאבים לפירות מגנטיות, פעילות המשתמשת במגנטים NIB) .)

מגנטים זמניים

מגנטים זמניים מורכבים ממה שמכונה חומרי ברזל רכים. ברזל רך פירושו שהאטומים והאלקטרונים מסוגלים להתיישר בתוך הברזל, ומתנהגים כמגנט לזמן מה. רשימת המתכות המגנטיות כוללת ציפורניים, מהדקי נייר וחומרים אחרים המכילים ברזל. מגנטים זמניים הופכים למגנטים כאשר הם נחשפים או מונחים בתוך שדה מגנטי. לדוגמה, מחט שנשפשפת על ידי מגנט הופכת למגנט זמני מכיוון שהמגנט גורם לאלקטרונים להתיישר בתוך המחט. אם השדה המגנטי או החשיפה למגנט חזקים מספיק, מגהצים רכים עלולים להפוך למגנטים קבועים, לפחות עד שחום, הלם או זמן יגרמו לאטומים לאבד את יישורם.

אלקטרומגנטים

הסוג השלישי של המגנט מתרחש כאשר חשמל עובר דרך חוט. עטיפת החוט סביב ליבת ברזל רכה מגבירה את חוזק השדה המגנטי. הגדלת החשמל מגדילה את חוזק השדה המגנטי. כאשר חשמל זורם דרך התיל, המגנט עובד. עצרו את זרימת האלקטרונים והשדה המגנטי קורס. (ראה משאבים להדמיה PhET של אלקטרומגנטיות.)

המגנט הגדול ביותר בעולמות

למעשה, המגנט הגדול ביותר בעולם הוא כדור הארץ. הליבה הפנימית של ניקל הברזל המוצק בכדור הארץ המסתובבת בליבה החיצונית של ניקל הברזל, מתנהגת כמו דינמו, ויוצרת שדה מגנטי. השדה המגנטי החלש פועל כמגנט בר מוטה בערך 11 מעלות מציר כדור הארץ. הקצה הצפוני של שדה מגנטי זה הוא הקוטב הדרומי של מגנט הבר. מכיוון ששדות מגנטיים מנוגדים מושכים זה את זה, הקצה הצפוני של מצפן מגנטי מצביע לקצה הדרומי של השדה המגנטי של כדור הארץ הממוקם בסמוך לקוטב הצפוני (אם לומר זאת דרך אחרת, הקוטב המגנטי הדרומי של כדור הארץ ממוקם למעשה ליד הקוטב הצפוני הגיאוגרפי אם כי לעיתים קרובות תראה את הקוטב המגנטי הדרומי שכותרתו כקוטב המגנטי הצפוני).

השדה המגנטי של כדור הארץ מייצר את המגנטוספרה המקיפה את כדור הארץ. אינטראקציה של רוח השמש עם המגנטוספירה גורמת לאורות הצפון והדרומי המכונים אורורה בוראליס ואורורה אוסטרליס.

השדה המגנטי של כדור הארץ משפיע גם על מינרלי הברזל בזרימת לבה. מינרלי הברזל בלבה מיישרים קו עם השדה המגנטי של כדור הארץ. מינרלים מיושרים אלה "קופאים" למקומה כאשר הלבה מתקררת. מחקרים על יישור מגנטי בזרימת בזלת משני צידי הרכס האמצעי האטלנטי מספקים עדויות לא רק לאחור של השדה המגנטי של כדור הארץ, אלא גם לתיאוריה של טקטוניקת צלחות.