Cum afectează temperatura magneții?

Magnețigenerează câmpuri de forță invizibile care trag asupra metalelor, inclusiv fier, nichel și cobalt. Căldura afectează cât de bine funcționează magneții. Când devine mai fierbinte, magneții devin mai slabi. La căldură foarte mare, nu mai sunt magnetice. Înțelegerea influenței temperaturii contează.

Cunoașterea modului în care căldura afectează magneții ne permite să proiectăm dispozitive și sisteme care funcționează fiabil la diferite temperaturi de funcționare.

Acest articol va prOferiți o privire de ansamblu asupra magnetismului și explicați modul în care temperatura influențează magneții permanenți și electromagneții. Vom discuta, de asemenea, temperatura Curie și aplicațiile în care efectele temperaturii asupra magneților sunt un factor esențial de proiectare.

Ce face ca magneții să funcționeze?

Magneții funcționează datorită particulelor minuscule din interior numite electroni. Electronii acționează ca niște magneți mici care se rotesc. În majoritatea lucrurilor, electronii se rotesc în toate direcțiile aleatoriu. Dar în materialele magnetice, spinurile electronilor se aliniază.

Rotirile aliniate formează un câmp magnetic general cu două capete - polii nord și sud. Polii opuși se atrag unul pe altul, precum nordul și sudul. Dar aceiași poli se resping pentru două norduri.

Cât de puternic este un magnet depinde de ce este făcut. Unele materiale își mențin spinurile electronilor aliniate mai bine decât altele. Această capacitate de a rezista la amestecarea rotirilor se numește retentivitate. Retenție mai mare face un magnet mai puternic. Alinierea ordonată a miliardelor de electroni care se rotesc împreună permite magneților să se lipească de metale!

Magneți permanenți vs. electromagneți

Există două tipuri de magneți, inclusiv permanenți și electromagnetici. Magneții permanenți își păstrează magnetismul. Sunt fabricate din fier, nichel, cobalt și metale rare. Spiriile atomice din aceste materiale se aliniază spontan.

Electromagneții sunt fabricați prin trecerea unui curent electric printr-o bobină de sârmă în jurul unui miez de fier. Câmpul magnetic este creat de curentul din fir. Când curentul se oprește, un electromagnet își pierde magnetismul. 

Magneții permanenți și electromagneții sunt afectați diferit de temperatură. Să ne uităm la fiecare:

Cum afectează temperatura magneții permanenți

Magneții permanenți funcționează numai într-un anumit interval de temperatură. Dacă un magnet permanent este încălzit peste o anumită temperatură, numită punctul Curie, își va pierde magnetismul.

În punctul Curie, micile rotiri din interiorul materialului magnet încep să îndrepte în direcții aleatorii în loc să se alinieze. Face ca magnetul permanent să nu mai fie magnetic.

Temperaturile Curie ale materialelor magnetice comune

Încălzirea unui magnet permanent deasupra unui punct Curie îl face complet nemagnetic. Peste acest punct, rotațiile atomice care creează magnetismul sunt perturbate. Determină ca magneții permanenți de fier, nichel sau cobalt să-și piardă orice comportament magnetic.

De obicei, această demagnetizare completă nu poate fi inversată la magneții tradiționali. Magnetul trebuie remagnetizat folosind expunerea la un alt câmp magnetic puternic.

Cu toate acestea, unii magneți de pământuri rare de neodim sau samariu-cobalt își pot recăpăta magnetismul după încălzirea dincolo de punctul Curie. Dar încălzirea și răcirea repetată prin utilizarea zilnică poate reduce încet magnetismul puțin câte puțin în timp.

Sub temperatura Curie, un magnet permanent își va pierde treptat puterea pe măsură ce se încălzește. Mai multă căldură conferă atomului mai multă energie vibrațională. Această perturbare a spinurilor aliniate face ca câmpul magnetic să fie constant mai slab.

Din fericire, această pierdere treptată a magnetismului odată cu creșterea temperaturii este reversibilă. Când magnetul permanent se răcește, rotațiile atomice se realinează și puterea magnetică completă revine. Chiar și schimbările mici de temperatură de câteva grade pot modifica semnificativ puterea câmpului magnetic.

Pe scurt, magneții permanenți funcționează cel mai bine într-un interval de temperatură optim limitat. Prea multă căldură le demagnetizează total sau parțial. Temperaturile mai scăzute îmbunătățesc puterea câmpului magnetic.

Inginerii iau în considerare aceste impacturi termice atunci când proiectează dispozitive care utilizează magneți permanenți. Controlul atent al temperaturii asigură că magneții funcționează la performanță magnetică maximă.

Cum afectează temperatura electromagneții

Electromagneții sunt diferiți de magneții permanenți. Magnetismul lor provine din electricitatea care se deplasează printr-o bobină de sârmă. Schimbarea energiei electrice face câmpul magnetic mai puternic sau mai slab.

Căldura afectează electromagneții făcând firul mai greu să circule prin electricitate. Când firul devine mai fierbinte, electricitatea vibrează mai mult în interiorul său. Face ca electricitatea să se miște fără probleme într-o direcție dificilă.

Când electricitatea nu curge la fel de ușor, mai puțin poate trece prin fir. Deci, un electromagnet devine mai slab atunci când este cald, comparativ cu când este rece.

Dar temperaturile medii calde și reci nu afectează prea mult electromagneții. Fluxul de energie electrică scade doar puțin, cu excepția cazului în care firul se supraîncălzi. Câmpul magnetic devine puțin mai slab, nu dispare complet.

Răcirea foarte mult a unui electromagnet face ca electricitatea să circule cu ușurință. Un exemplu este utilizarea azotului lichid, care este de -196 grade ! Permite câmpuri magnetice puternice cu mai puțină electricitate. Electromagneții supercool pot crea câmpuri de 100 de 000 ori câmpul Pământului!

Pe scurt, electromagneții slăbesc când sunt fierbinți, deoarece firul rezistă mai mult la electricitate. Temperaturile foarte scăzute îmbunătățesc fluxul de energie electrică și întăresc câmpul magnetic. Dar căldura nu îndepărtează magnetismul unui electromagnet, ca în cazul magneților permanenți.

Exemple de efecte ale temperaturii asupra magneților

Pentru a vedea cum influențează temperatura magneții, să ne uităm la câteva exemple din lumea reală:

● Magneții de frigider folosesc magneți permanenți din ferită sau neodim. Ele devin considerabil mai slabe când sunt fierbinți, dar își recapătă magnetismul complet când sunt răcite din nou. Lăsându-le la căldură ca un cuptor, le poate demagnetiza încet în timp.

● Aparatele RMN folosesc electromagneți supraconductori foarte puternici care sunt suprarăciți cu heliu lichid. Răcirea le permite să creeze câmpuri magnetice puternice de 3 Tesla necesare pentru scanări corporale detaliate.

● Electromagneții mari folosiți pentru ridicarea mașinilor la depozitele de vechituri se numesc magneți de macara. Ele ridică sarcini grele folosind forța magnetică. În zilele caniculare, magnetul nu își poate ridica greutatea maximă din cauza căldurii, slăbindu-l. Răcirea bobinei electromagnetului permite ridicarea obiectelor mai grele.

● Magneții mici de neodim din motoarele mici pierd cuplul și devin mai puțin eficienți dacă motorul se supraîncălzi. Temperaturile ridicate demagnetizează magneții permanenți din rotorul de rotație. Slăbește câmpul magnetic rotativ care face ca motorul să funcționeze.

● Benzile magnetice și hard disk-urile folosesc particule minuscule de fier pentru a stoca date. Prea multă căldură amestecă particulele magnetice, ștergând datele. Deci stocarea magnetică are o temperatură maximă în care poate funcționa înainte ca datele să se piardă.

Aceste exemple demonstrează modul în care controlul și gestionarea temperaturii sunt vitale atunci când lucrați cu magneți. Magneții permanenți necesită răcire pentru a păstra proprietățile magnetice. În același timp, electromagneții trebuie să evite supraîncălzirea, să mărească rezistența firului și să reducă intensitatea câmpului.

Efectul temperaturilor scăzute asupra magneților

Am văzut că temperaturile ridicate au scăzut puterea magnetului. Dar temperaturile de îngheț?

După cum am menționat anterior, reducerea energiei termice ajută la stabilizarea alinierii spinurilor atomice în magneții permanenți. Deci, magneții permanenți devin și mai puternici la temperaturi criogenice.

Răcirea magneților de neodim cu azot lichid la -196 grade poate crește forța de tracțiune cu 2-5x în comparație cu temperatura camerei. Această stare hipermagnetizată permite noi aplicații, cum ar fi trenurile maglev.

Electromagneții beneficiază și de temperaturi scăzute datorită rezistenței electrice zero a firelor (superconductivitate). Acest lucru are ca rezultat câmpuri magnetice enorme din bobine mici.

Electromagneții pentru RMN și cercetarea științifică sunt răciți cu heliu lichid pentru a profita de potențialul supraconductorilor precum niobiul-staniu. Funcționarea la temperatură scăzută permite generarea mai ușoară a câmpurilor magnetice de mare putere.

Deci, în timp ce căldura slăbește magneții, temperaturile scăzute sporesc performanța magnetului. Atât magneții permanenți, cât și electromagneții pot fi îmbunătățiți prin reducerea mișcării termice la nivel molecular.

Cum afectează temperatura structura magneților?

Blocurile de construcție minuscule care alcătuiesc materialele magnetice se schimbă atunci când sunt încălzite sau răcite. Are impact asupra cât de magnetici sunt. Să examinăm modul în care temperatura modifică rețeaua cristalină și domeniile magnetice ale tipurilor de magneti.

Magneții permanenți au zone minuscule numite domenii. Fiecare domeniu este ca un mic magnet cu rotiri aliniate. Dar domeniile învecinate indică în moduri aleatorii. Încălzirea amestecă structura îngrijită a domeniului, făcând magnetul mai slab. Răcirea aliniază bine domeniile, întărind magnetismul total.

Materiale diferite au structuri diferite de rețea cristalină. Este distanța și ordinea atomilor. Fierul are o structură, iar cobaltul are alta. Cea mai bună aliniere a domeniului depinde de distanța atomică specifică și de stările energetice ale fiecărei rețele cristaline.

Electromagneții sunt fire înfăşurate în bucle, mai degrabă decât material solid. Dar au adesea miezuri cristaline de fier sau oțel. Încălzirea face atomii să vibreze și să se împrăștie. Acesta perturbă alinierea domeniului în miez, reducând magnetismul. Menținerea la rece a electromagneților menține o structură bună a domeniului.

În general, aranjamentul atomic invizibil explică de ce magnetismul se modifică odată cu temperatura. Încălzirea dereglează structura minusculă. Răcirea aduce ordine și stabilitate. Înțelegerea acestor proprietăți la scară nanometrică este crucială pentru proiectarea magneților pentru temperaturi ridicate sau scăzute.

Alegerea materialului potrivit pentru magnet

Magneții permanenți sunt fabricați din fier, nichel, cobalt și amestecuri extraordinare de metale cu pământuri rare. Inginerii aleg materialul în funcție de intervalul de temperatură, rezistență și nevoile de cost.

Magneții Alnico au fier, aluminiu, nichel și cobalt. Ele lucrează până la 600 grade, dar intensitatea câmpului magnetic al acestora este medie, în jur de 0.5-1.3T.

Magneții din ceramică sau ferită folosesc ferite de bariu și stronțiu. Au costuri reduse, dar au o intensitate redusă a câmpului sub 0.4T.

Magneții de samariu-cobalt pot crea câmpuri de mare putere de până la 1,1 T și funcționează la 350 de grade, dar sunt scumpi.

Magneții fier-neodim-bor au cea mai bună performanță generală. Au câmpuri puternice de până la 1,4 T și funcționează la 230 de grade.

Proprietățile magnetice ale magneților permanenți obișnuiți

Pentru electromagneți, bobinele de cupru maximizează conductivitatea și pot fi răcite pentru a crește câmpul. Miezurile de fier concentrează câmpul magnetic. Fierul acoperit cu nichel rezistă, de asemenea, la coroziune.

Neodimul sau samariu-cobaltul funcționează cel mai bine pentru cele mai puternice câmpuri, în ciuda costului. Intervalul de temperatură în care trebuie să lucreze magnetul determină cel mai bun material.

Experimente distractive cu magneți

Puteți încerca experimente științifice interesante acasă, folosind magneți și diverse materiale.

Magneți răciți:

Puteți vedea cum temperaturile scăzute întăresc magneții printr-un experiment distractiv. Luați un magnet de frigider și lipiți-l de frigider. Lăsați magnetul la frigider pentru câteva ore. Apoi, folosiți-l pentru a ridica agrafe de hârtie sau alte metale magnetice.

Magnetul simte că trage mai tare de obiectele metalice când este rece? Temperatura mai scăzută din frigider face ca magnetul să fie mai puternic temporar. Dar această creștere a puterii magnetice nu va dura pentru totdeauna.

După ce magnetul se încălzește la temperatura camerei în afara frigiderului, magnetismul său va reveni la normal. Este grozav cum câteva grade de schimbare a temperaturii pot afecta câmpul magnetic invizibil!

Magneți copți:

Iată un experiment care arată că căldura face magneții mai slabi. Luați câțiva magneți și coaceți-i în cuptor la o temperatură scăzută de 150 de grade F (65 de grade) timp de 10-20 minute. După coacere, scoateți magneții și testați-le forța de tragere.

Încercați să ridicați agrafe sau cuie mici. Ar trebui să observați că căldura a făcut ca magneții să fie mai puțin puternici. Coacerea le-a redus atracția magnetică în cuptorul cald. Acesta arată că chiar și căldura ușoară poate perturba câmpurile magnetice invizibile ale magneților permanenți.

Atractie magnetica:

Luați doi magneți puternici. Lipiți un magnet de o pungă de gheață, astfel încât să devină foarte rece. Lipiți celălalt magnet pe un pachet pentru încălzirea mâinilor, astfel încât să devină frumos și cald. Acum, încercați să aduceți încet cei doi magneți unul spre celălalt.

Fiți atenți la cât de puternic se atrag și se lipesc polii opuși. Veți observa că este mult mai greu pentru magnetul cald să atragă magnetul rece.

Magnetul rece are încă magnetism puternic, dar căldura slăbește magnetismul în magnetul cald. Demonstrează că temperatura mai mare reduce forțele magnetice invizibile dintre magneți. Destul de curat!

Magneți topiți:

Cu ajutorul unui adult, puteți arăta cum magneții își pierd magnetismul atunci când sunt încălziți prea mult. Folosiți plite sau cuptoare cu grijă pentru a încălzi un magnet peste 770 de grade (1418 de grade F). Aceasta este mai mare decât temperatura lor Curie, unde nu mai sunt magnetice.

După ce a încălzit atât de mult magnetul, acesta nu ar trebui să se mai lipească de obiecte metalice sau să respingă alți magneți!

Jocul cu magneți și temperaturi ridicate poate fi periculos, așa că cereți un adult care să vă ajute să supravegheze lucrurile în siguranță. Dar este bine să vedem cum temperatura poate elimina puterile magnetice invizibile ale unui magnet. Fiți întotdeauna foarte atent și efectuați experimente numai sub supravegherea adecvată a unui adult.

Concluzie

Temperatura are un impact puternic asupra magneților. Magneții permanenți precum fierul sau neodimul pierd tot magnetismul deasupra punctului Curie. Temperatura mai rece le îmbunătățește puterea câmpului.

Electromagneții slăbesc treptat când sunt mai fierbinți din cauza conductibilității electrice mai scăzute. Dar frigul crește electromagneții supraconductori la câmpuri foarte înalte. Controlul atent al temperaturii este vital. Menținerea magneților permanenți departe de căldura extremă păstrează magnetismul.

Electromagneții de răcire permit câmpuri magnetice mai puternice. Valorificarea caldului și a frigului deblochează noi aplicații magnetice în știință, medicină și inginerie.

Întrebări frecvente despre cum afectează temperatura magneții

Cum pot spune dacă un magnet a fost afectat de temperatură?

Testați puterea magnetului măsurându-i câmpul magnetic sau capacitatea de a ridica o greutate cunoscută. Comparați specificațiile pentru a determina orice pierdere de magnetism.

Care este temperatura Curie a unui magnet?

Temperatura Curie este pragul la care un material își pierde proprietățile magnetice permanente din cauza efectelor termice.