Kako temperatura vpliva na magnete?

Magnetiustvarjajo nevidna polja sile, ki vlečejo kovine, vključno z železom, nikljem in kobaltom. Toplota vpliva na to, kako dobro delujejo magneti. Ko postane vroče, postanejo magneti šibkejši. Pri zelo visoki vročini prenehajo biti magnetni. Razumevanje vpliva temperature je pomembno.

Poznavanje, kako toplota vpliva na magnete, nam omogoča načrtovanje naprav in sistemov, ki delujejo zanesljivo pri različnih delovnih temperaturah.

Ta članek bo prpodarijo pregled magnetizma in razložijo, kako temperatura vpliva na trajne magnete in elektromagnete. Razpravljali bomo tudi o Curiejevi temperaturi in aplikacijah, kjer so temperaturni učinki na magnete bistveni dejavnik oblikovanja.

Kaj omogoča delovanje magnetov?

Magneti delujejo zaradi drobnih delcev v notranjosti, imenovanih elektroni. Elektroni delujejo kot majhni vrteči se magneti. V večini stvari se elektroni naključno vrtijo v vse smeri. Toda v magnetnih materialih se vrtljaji elektronov poravnajo.

Poravnani vrtljaji tvorijo celotno magnetno polje z dvema koncema – severnim in južnim polom. Nasprotna pola se privlačita, kot sever in jug. Toda isti poli se odbijajo za dva severa.

Kako močan je magnet, je odvisno od tega, iz česa je narejen. Nekateri materiali ohranjajo svoje vrtljaje elektronov poravnane bolje kot drugi. Ta zmožnost upreti vrtljajem, ki se pomešajo, se imenuje zadrževanje. Večja zadrževalna sposobnost naredi močnejši magnet. Čista poravnava na milijone elektronov, ki se vrtijo skupaj, omogoča, da se magneti držijo kovin!

Permanentni magneti proti elektromagnetom

Obstajata dve vrsti magnetov, vključno s trajnimi in elektromagnetnimi. Trajni magneti ohranjajo svoj magnetizem. Izdelani so iz železa, niklja, kobalta in redkih kovin. Atomski vrtljaji v teh materialih se poravnajo spontano.

Elektromagneti so narejeni tako, da električni tok teče skozi žično tuljavo okoli železnega jedra. Magnetno polje ustvarja tok v žici. Ko se tok ustavi, elektromagnet izgubi svoj magnetizem. 

Temperatura različno vpliva na trajne in elektromagnete. Oglejmo si vsakega posebej:

Kako temperatura vpliva na trajne magnete

Trajni magneti delujejo samo v določenem temperaturnem območju. Če se trajni magnet segreje nad določeno temperaturo, imenovano Curiejeva točka, bo izgubil svoj magnetizem.

Na Curiejevi točki začnejo drobni vrtljaji znotraj magnetnega materiala kazati v naključnih smereh, namesto da bi se poravnali. Zaradi tega trajni magnet preneha biti magneten.

Curiejeve temperature običajnih magnetnih materialov

Segrevanje trajnega magneta nad Curiejevo točko postane popolnoma nemagnetno. Nad to točko so atomski vrtljaji, ki ustvarjajo magnetizem, moteni. Povzroči, da trajni magneti iz železa, niklja ali kobalta izgubijo vse magnetne lastnosti.

Običajno te popolne demagnetizacije pri tradicionalnih magnetih ni mogoče obrniti. Magnet je treba ponovno magnetizirati z izpostavitvijo drugemu močnemu magnetnemu polju.

Vendar pa lahko nekateri magneti redkih zemelj iz neodima ali samarijevega kobalta ponovno pridobijo svoj magnetizem po segrevanju preko Curiejeve točke. Toda večkratno segrevanje in ohlajanje z vsakodnevno uporabo lahko kljub temu sčasoma počasi zmanjša magnetizem.

Pod Curiejevo temperaturo bo trajni magnet postopoma izgubil moč, ko se segreje. Več toplote daje atomskim vrtljajem več vibracijske energije. Zaradi te motnje poravnanih vrtljajev je magnetno polje vedno šibkejše.

Na srečo je ta postopna izguba magnetizma z naraščajočo temperaturo reverzibilna. Ko se trajni magnet ohladi, se atomski vrtljaji ponovno poravnajo in polna magnetna moč se povrne. Že majhne spremembe temperature za nekaj stopinj lahko opazno spremenijo moč magnetnega polja.

Če povzamemo, trajni magneti najbolje delujejo v omejenem optimalnem temperaturnem območju. Preveč toplote jih v celoti ali delno razmagneti. Nižje temperature izboljšajo jakost magnetnega polja.

Inženirji upoštevajo te toplotne vplive pri načrtovanju naprav, ki uporabljajo trajne magnete. Skrben nadzor temperature zagotavlja, da magneti delujejo z največjo magnetno zmogljivostjo.

Kako temperatura vpliva na elektromagnete

Elektromagneti se razlikujejo od trajnih magnetov. Njihov magnetizem izvira iz elektrike, ki se premika skozi žično tuljavo. Spreminjanje elektrike poveča ali oslabi magnetno polje.

Toplota vpliva na elektromagnete tako, da otežuje pretok električne energije skozi žico. Ko se žica bolj segreje, elektrika v njej močneje vibrira. Zaradi tega je težko premikati elektriko gladko v eno smer.

Ko električna energija ne teče tako enostavno, lahko gre skozi žico manj. Torej, elektromagnet postane šibkejši, ko je vroč v primerjavi z mrzlim.

Toda povprečne vroče in nizke temperature ne vplivajo preveč na elektromagnete. Pretok električne energije pade le malo, razen če se žica pregreje. Magnetno polje nekoliko oslabi, ne izgine popolnoma.

Če močno ohladite elektromagnet, se električna energija zlahka pretaka. Primer je uporaba tekočega dušika, ki ima -196 stopinj! Omogoča močna magnetna polja z manj električne energije. Supercool elektromagneti lahko ustvarijo polja 100,000-krat večja od Zemljinega!

Če povzamemo, elektromagneti oslabijo, ko so vroči, ker se žica bolj upira elektriki. Zelo nizke temperature izboljšajo pretok električne energije in okrepijo magnetno polje. Toda toplota ne odstrani magnetizma elektromagneta kot pri trajnih magnetih.

Primeri temperaturnih učinkov na magnete

Če želite videti, kako temperatura vpliva na magnete, si poglejmo nekaj primerov iz resničnega sveta:

● Magneti za hladilnik uporabljajo trajne magnete iz ferita ali neodija. Ko so vroče, postanejo opazno oslabljene, vendar ponovno pridobijo polni magnetizem, ko se ohladijo. Če jih pustite na vročini kot v pečici, se lahko sčasoma počasi razmagnetijo.

● Stroji MRI uporabljajo zelo močne superprevodne elektromagnete, ki so podhlajeni s tekočim helijem. Hlajenje jim omogoča ustvarjanje močnih 3 Teslovih magnetnih polj, potrebnih za podrobno skeniranje telesa.

● Veliki elektromagneti, ki se uporabljajo za dviganje avtomobilov na odpadih, se imenujejo magneti za žerjave. S pomočjo magnetne sile dvigujejo težka bremena. V vročih dneh magnet zaradi vročine ne more dvigniti največje teže, kar ga oslabi. Hlajenje elektromagnetne tuljave omogoča dvigovanje težjih predmetov.

● Drobni neodimovi magneti v majhnih motorjih izgubijo navor in postanejo manj učinkoviti, če se motor pregreje. Visoke temperature razmagnetijo trajne magnete v vrtečem se rotorju. Oslabi rotacijsko magnetno polje, zaradi katerega motor deluje.

● Magnetni trakovi in ​​trdi diski za shranjevanje podatkov uporabljajo drobne delce železa. Preveč toplote zmeša magnetne delce in izbriše podatke. Torej ima magnetni pomnilnik najvišjo temperaturo, pri kateri lahko deluje, preden se podatki izgubijo.

Ti primeri prikazujejo, kako sta nadzor in upravljanje temperature ključnega pomena pri delu z magneti. Trajni magneti potrebujejo hlajenje, da ohranijo magnetne lastnosti. Hkrati se morajo elektromagneti izogibati pregrevanju, povečati odpornost žice in zmanjšati jakost polja.

Vpliv nizkih temperatur na magnete

Videli smo, da visoke temperature zmanjšujejo magnetno moč. Kaj pa temperature ledišča?

Kot smo že omenili, zmanjšanje toplotne energije pomaga stabilizirati poravnavo atomskih vrtljajev v trajnih magnetih. Tako postanejo trajni magneti še močnejši pri kriogenih temperaturah.

Hlajenje neodimovih magnetov s tekočim dušikom na -196 stopinj lahko poveča vlečno silo za 2-5x v primerjavi s sobno temp. To hipermagnetizirano stanje omogoča nove aplikacije, kot so vlaki maglev.

Elektromagnetom koristijo tudi nizke temperature zaradi ničelnega električnega upora žic (superprevodnost). Posledica tega so ogromna magnetna polja iz majhnih tuljav.

MRI in znanstvenoraziskovalni elektromagneti se hladijo s tekočim helijem, da izkoristijo potencial superprevodnikov, kot je niobij-kositer. Nizkotemperaturno delovanje omogoča lažje ustvarjanje magnetnih polj visoke jakosti.

Torej, medtem ko vročina oslabi magnete, nizke temperature povečajo učinkovitost magneta. Tako trajne magnete kot elektromagnete je mogoče izboljšati z zmanjšanjem toplotnega gibanja na molekularni ravni.

Kako temperatura vpliva na strukturo magnetov?

Drobni gradniki, ki sestavljajo magnetne materiale, se spreminjajo, ko se segrevajo ali ohlajajo. Vpliva na to, kako magnetni so. Poglejmo, kako temperatura spremeni kristalno mrežo in magnetne domene vrst magnetov.

Trajni magneti imajo majhna območja, imenovana domene. Vsaka domena je kot majhen magnet z poravnanimi vrtljaji. Toda sosednje domene kažejo na naključne načine. Ogrevanje pomeša strukturo čiste domene, zaradi česar je magnet šibkejši. Hlajenje natančno poravna domene in krepi skupni magnetizem.

Različni materiali imajo različne strukture kristalne mreže. To je razmik in vrstni red atomov. Železo ima eno strukturo, kobalt pa drugo. Najboljša poravnava domene je odvisna od specifičnega atomskega razmika in energijskih stanj vsake kristalne mreže.

Elektromagneti so žice, zvite v zanke in ne trdni material. Toda pogosto imajo jedra iz kristalnega železa ali jekla. Zaradi segrevanja atomi vibrirajo in se razpršijo. Moti poravnavo domen v jedru, kar zmanjša magnetizem. Ohranjanje elektromagnetov na hladnem ohranja dobro strukturo domene.

Na splošno nevidna atomska ureditev pojasnjuje, zakaj se magnetizem spreminja s temperaturo. Ogrevanje moti drobno strukturo. Hlajenje prinaša urejen red in stabilnost. Razumevanje teh lastnosti nanometrskega merila je ključnega pomena za inženiring magnetov za visoke ali nizke temperature.

Izbira pravega magnetnega materiala

Trajni magneti so narejeni iz železa, niklja, kobalta in izjemnih mešanic redkih zemeljskih kovin. Inženirji izberejo material na podlagi temperaturnega razpona, trdnosti in stroškov.

Alnico magneti vsebujejo železo, aluminij, nikelj in kobalt. Delujejo do 600 stopinj, vendar je njihova jakost magnetnega polja srednja, okoli 0.5-1.3T.

Keramični ali feritni magneti uporabljajo barijeve in stroncijeve ferite. So poceni, vendar imajo skromno poljsko jakost pod 0,4T.

Magneti iz samarijevega kobalta lahko ustvarjajo polja visoke jakosti do 1,1 T in delujejo do 350 stopinj, vendar so dragi.

Magneti železo-neodim-bor imajo najboljšo skupno zmogljivost. Imajo močna polja do 1,4T in delujejo do 230 stopinj.

Magnetne lastnosti običajnih trajnih magnetov

Za elektromagnete bakrene tuljave povečajo prevodnost in jih je mogoče ohladiti, da povečajo polje. Železna jedra koncentrirajo magnetno polje. Z nikljem prevlečeno železo je tudi odporno proti koroziji.

Neodim ali samarijev kobalt se kljub ceni najbolje obneseta za najmočnejša polja. Temperaturno območje, v katerem mora delovati magnet, določa najboljši material.

Zabavni poskusi z magneti

Z magneti in različnimi materiali lahko doma preizkusite razburljive znanstvene poskuse.

Ohlajeni magneti:

Z zabavnim poskusom si lahko ogledate, kako nizke temperature naredijo magnete močnejše. Vzemite magnet za hladilnik in ga prilepite na hladilnik. Magnet pustite nekaj ur v hladilniku. Nato z njim poberite sponke za papir ali druge magnetne kovine.

Ali magnet čuti, da močneje vleče kovinske predmete, ko je hladen? Zaradi nižje temperature v hladilniku je magnet začasno močnejši. Toda to povečanje magnetne moči ne bo trajalo večno.

Ko se magnet zunaj hladilnika segreje na sobno temperaturo, se bo njegov magnetizem vrnil v normalno stanje. Čudovito je, kako lahko nekaj stopinj temperaturnih sprememb vpliva na nevidno magnetno polje!

Pečeni magneti:

Tukaj je poskus, ki dokazuje, da toplota naredi magnete šibkejše. Vzemite nekaj magnetov in jih pecite v pečici pri nizki temperaturi 150 stopinj F (65 stopinj) 10-20 minut. Po peki odstranite magnete in preizkusite njihovo vlečno silo.

Poskusite pobrati sponke za papir ali majhne žeblje. Opaziti morate, da so magneti zaradi vročine manj močni. Peka je zmanjšala njihov magnetni vlek v topli pečici. Kaže, da lahko celo blaga vročina zmoti nevidna magnetna polja trajnih magnetov.

Magnetna privlačnost:

Vzemite dva močna magneta. Prilepite en magnet na vrečko ledu, da se zelo ohladi. Drugi magnet prilepite na torbico za gretje rok, da bo lepo in toplo. Zdaj poskusite počasi približati dva magneta drug drugemu.

Bodite pozorni na to, kako močno se nasprotna pola privlačita in držita skupaj. Opazili boste, da topli magnet veliko težje pritegne hladnega magneta.

Hladen magnet ima še vedno močan magnetizem, vendar toplota oslabi magnetizem v toplem magnetu. Dokazuje, da višja temperatura zmanjša nevidne magnetne sile med magneti. Precej lepo!

Staljeni magneti:

S pomočjo odraslih lahko pokažete, kako magneti izgubijo svoj magnetizem, ko se preveč segrejejo. Previdno uporabljajte grelne plošče ali pečice, da magnet segrejete nad 770 stopinj (1418 stopinj F). To je višje od njihove Curiejeve temperature, kjer prenehajo biti magnetni.

Ko se magnet toliko segreje, se ne sme več lepiti na kovinske predmete ali odbijati drugih magnetov!

Igranje z magneti in visokimi temperaturami je lahko nevarno, zato poiščite odraslo osebo, ki vam bo pomagala pri varnem nadzoru. Lepo pa je videti, kako lahko temperatura odstrani nevidne magnetne moči magneta. Vedno bodite zelo previdni in izvajajte poskuse le pod ustreznim nadzorom odrasle osebe.

Zaključek

Temperatura močno vpliva na magnete. Trajni magneti, kot sta železo ali neodim, izgubijo ves magnetizem nad Curiejevo točko. Nižja temperatura izboljša njihovo poljsko moč.

Elektromagneti postopoma oslabijo, ko so bolj segreti zaradi nižje električne prevodnosti. Toda mraz poveča superprevodne elektromagnete v zelo visoka polja. Pomemben je skrben nadzor temperature. Če trajne magnete ne izpostavljate ekstremni vročini, ohranite magnetizem.

Hladilni elektromagneti omogočajo močnejša magnetna polja. Izkoriščanje vročega in hladnega odpira nove magnetne aplikacije v znanosti, medicini in tehniki.

Pogosta vprašanja o tem, kako temperatura vpliva na magnete

Kako lahko ugotovim, ali je na magnet vplivala temperatura?

Preizkusite moč magneta z merjenjem njegovega magnetnega polja ali zmožnosti dvigovanja znane teže. Primerjajte specifikacije, da ugotovite morebitno izgubo magnetizma.

Kakšna je Curiejeva temperatura magneta?

Curiejeva temperatura je mejna vrednost, pri kateri material zaradi toplotnih učinkov izgubi trajne magnetne lastnosti.