Kako temperatura utiče na magnete?

Magnetistvaraju nevidljiva polja sile koja privlače metale, uključujući željezo, nikl i kobalt. Toplota utiče na to kako magneti rade. Kada postane toplije, magneti postaju slabiji. Na jako visokim temperaturama prestaju biti magnetski. Razumijevanje uticaja temperature je važno.

Poznavanje načina na koji toplota utiče na magnete omogućava nam da konstruišemo uređaje i sisteme koji pouzdano rade na različitim radnim temperaturama.

Ovaj članak će prdati pregled magnetizma i objasniti kako temperatura utječe na trajne magnete i elektromagnete. Također ćemo razgovarati o Curie temperaturi i primjenama gdje su efekti temperature na magnete bitan faktor dizajna.

Šta čini da magneti rade?

Magneti rade zbog sitnih čestica koje se nalaze unutar njih koje se nazivaju elektroni. Elektroni se ponašaju kao mali magneti koji se vrte. U većini stvari, elektroni se nasumično okreću na sve strane. Ali u magnetskim materijalima, elektron se okreće u liniji.

Usklađeni spinovi čine sveukupno magnetno polje sa dva kraja - sjevernim i južnim polom. Suprotni polovi se privlače, poput sjevera i juga. Ali isti se polovi odbijaju za dva sjevera.

Koliko je jak magnet zavisi od čega je napravljen. Neki materijali održavaju svoje okrete elektrona poređanim bolje od drugih. Ova sposobnost da se oduprete okretanjima koja se miješaju naziva se zadržavanje. Veća retencija čini jači magnet. Uredno poravnanje ziliona elektrona koji se okreću zajedno omogućava magnetima da se zalijepe za metale!

Trajni magneti protiv elektromagneta

Postoje dvije vrste magneta, uključujući trajne i elektromagnetne. Trajni magneti zadržavaju svoj magnetizam. Izrađuju se od gvožđa, nikla, kobalta i retkih metala. Atomski spinovi u ovim materijalima se spontano poravnavaju.

Elektromagneti se prave provođenjem električne struje kroz žičani namotaj oko željeznog jezgra. Magnetno polje stvara struja u žici. Kada struja prestane, elektromagnet gubi svoj magnetizam. 

Na trajne magnete i elektromagnete različito utječe temperatura. Pogledajmo svaki od njih:

Kako temperatura utiče na trajne magnete

Trajni magneti rade samo u određenom temperaturnom rasponu. Ako se trajni magnet zagrije iznad određene temperature, nazvane Curie tačka, izgubit će svoj magnetizam.

U Curie tački, sićušni okreti unutar magnetskog materijala počinju da pokazuju u nasumičnim smjerovima umjesto da se nižu. To čini da trajni magnet prestane biti magnetski.

Curie temperature uobičajenih materijala magneta

Zagrijavanje trajnog magneta iznad Curie tačke čini ga potpuno nemagnetnim. Iznad ove tačke, atomski spinovi koji stvaraju magnetizam su poremećeni. To uzrokuje da trajni magneti od željeza, nikla ili kobalta gube svo magnetsko ponašanje.

Obično se ova potpuna demagnetizacija ne može poništiti u tradicionalnim magnetima. Magnet se mora ponovo magnetizirati izlaganjem drugom jakom magnetnom polju.

Međutim, neki magneti rijetkih zemalja neodimijum ili samarijum kobalt mogu povratiti svoj magnetizam nakon zagrijavanja iznad svoje Curie točke. Ali ponavljano zagrijavanje i hlađenje kroz svakodnevnu upotrebu i dalje može polako smanjiti magnetizam malo po malo tokom vremena.

Pod Curie temperaturom, trajni magnet će postepeno gubiti snagu kako se zagrijava. Više toplote daje atomu više vibracione energije. Ovaj poremećaj usklađenih spinova čini magnetsko polje stalno slabijim.

Srećom, ovaj postepeni gubitak magnetizma sa povećanjem temperature je reverzibilan. Kada se permanentni magnet ohladi, atomski okreti se poravnavaju i puna magnetna snaga se vraća. Čak i male promjene temperature od nekoliko stupnjeva mogu primjetno promijeniti snagu magnetnog polja.

Ukratko, trajni magneti najbolje rade unutar ograničenog optimalnog temperaturnog raspona. Previše topline ih potpuno ili djelomično demagnetizira. Niže temperature poboljšavaju snagu magnetnog polja.

Inženjeri uzimaju u obzir ove termičke uticaje kada dizajniraju uređaje koji koriste trajne magnete. Pažljiva kontrola temperature osigurava da magneti rade s vršnim magnetnim performansama.

Kako temperatura utiče na elektromagnete

Elektromagneti se razlikuju od trajnih magneta. Njihov magnetizam dolazi od struje koja se kreće kroz žičanu zavojnicu. Promjena struje čini magnetsko polje jačim ili slabijim.

Toplota utječe na elektromagnete tako što otežava prolazak struje kroz žicu. Kada se žica zagrije, električna energija više vibrira unutar nje. To čini izazovom da se električna energija nesmetano kreće u jednom smjeru.

Kada struja ne teče tako lako, manje može proći kroz žicu. Dakle, elektromagnet postaje slabiji kada je vruć u odnosu na hladan.

Ali prosječne tople i hladne temperature ne utječu previše na elektromagnete. Protok struje opada samo malo osim ako se žica ne pregrije. Magnetno polje postaje malo slabije, nije potpuno nestalo.

Puno hlađenje elektromagneta olakšava protok struje. Primjer je korištenje tečnog dušika, što je -196 stepeni! Omogućava jaka magnetna polja sa manje struje. Supercool elektromagneti mogu stvoriti polja 100,000 puta Zemljinog!

Ukratko, elektromagneti slabe kada su vrući jer je žica otpornija na struju. Veoma niske temperature poboljšavaju protok električne energije i jačaju magnetno polje. Ali toplota ne uklanja magnetizam elektromagneta kao kod trajnih magneta.

Primjeri utjecaja temperature na magnete

Da vidimo kako temperatura utiče na magnete, pogledajmo neke primjere iz stvarnog svijeta:

● Magneti za frižidere koriste trajne magnete napravljene od ferita ili neodimijuma. Oni postaju primjetno slabiji kada su vrući, ali vraćaju puni magnetizam kada se ponovo ohlade. Ostavljanje na toploti poput pećnice može ih polako demagnetizirati tokom vremena.

● MRI mašine koriste veoma moćne supravodljive elektromagnete koji su superhlađeni tečnim helijumom. Hlađenje im omogućava da naprave jaka magnetna polja od 3 Tesla potrebna za detaljna skeniranja tijela.

● Veliki elektromagneti koji se koriste za podizanje automobila na smetlištima nazivaju se magneti za dizalice. Podižu teška tereta pomoću magnetske sile. U vrućim danima magnet ne može podići svoju maksimalnu težinu zbog vrućine, što ga slabi. Hlađenje zavojnice elektromagneta omogućava podizanje težih predmeta.

● Sićušni neodimijumski magneti u malim motorima gube obrtni moment i postaju manje efikasni ako se motor pregreje. Visoke temperature demagnetiziraju trajne magnete u rotoru koji se okreće. To slabi rotirajuće magnetsko polje koje pokreće motor.

● Magnetne trake i čvrsti diskovi koriste sitne čestice gvožđa za skladištenje podataka. Previše toplote meša magnetne čestice i briše podatke. Dakle, magnetna memorija ima maksimalnu temperaturu na kojoj može raditi prije nego što se podaci izgube.

Ovi primjeri pokazuju koliko su kontrola i upravljanje temperaturom od vitalnog značaja za rad s magnetima. Trajni magneti zahtevaju hlađenje da bi se sačuvala magnetna svojstva. U isto vrijeme, elektromagneti moraju izbjegavati pregrijavanje, povećati otpor žice i smanjiti snagu polja.

Utjecaj niskih temperatura na magnete

Vidjeli smo da visoke temperature smanjuju snagu magneta. Šta je sa niskim temperaturama?

Kao što je već spomenuto, smanjenje toplinske energije pomaže u stabilizaciji poravnanja atomskih okreta u trajnim magnetima. Dakle, trajni magneti postaju još jači na kriogenim temperaturama.

Hlađenje neodimijumskih magneta tečnim azotom do -196 stepena može povećati vučnu silu za 2-5x u poređenju sa sobnom temperaturom. Ovo hipermagnetizirano stanje omogućava nove aplikacije kao što su maglev vozovi.

Elektromagneti također imaju koristi od niskih temperatura zbog nulte električne otpornosti žica (superprovodljivosti). To rezultira ogromnim magnetnim poljima malih zavojnica.

MRI i naučnoistraživački elektromagneti se hlade tekućim helijumom kako bi iskoristili potencijal supraprovodnika kao što je niobijum-kalaj. Rad na niskim temperaturama omogućava lakše stvaranje magnetnih polja velike jačine.

Dakle, dok toplota slabi magnete, niske temperature povećavaju performanse magneta. I trajni magneti i elektromagneti mogu se poboljšati smanjenjem termičkog kretanja na molekularnom nivou.

Kako temperatura utiče na strukturu magneta?

Sićušni građevni blokovi koji čine magnetne materijale mijenjaju se kada se zagrijavaju ili hlade. To utiče na to koliko su magnetni. Hajde da ispitamo kako temperatura menja kristalnu rešetku tipova magneta i magnetne domene.

Trajni magneti imaju male oblasti koje se nazivaju domeni. Svaka domena je poput malog magneta sa usklađenim okretima. Ali susjedni domeni ukazuju na nasumične načine. Zagrijavanje miješa urednu strukturu domena, čineći magnet slabijim. Hlađenje uredno postavlja domene, jačajući ukupni magnetizam.

Različiti materijali imaju različite strukture kristalne rešetke. To je razmak i red atoma. Gvožđe ima jednu strukturu, a kobalt drugu. Najbolje poravnanje domena zavisi od specifičnog atomskog razmaka i energetskih stanja svake kristalne rešetke.

Elektromagneti su žice namotane u petlje, a ne čvrsti materijal. Ali često imaju jezgra od kristalnog željeza ili čelika. Zagrijavanje čini da atomi vibriraju i rašire se. Ometa poravnanje domena u jezgri, smanjujući magnetizam. Održavanje elektromagneta na hladnom održava dobru strukturu domena.

Sve u svemu, nevidljivi atomski raspored objašnjava zašto se magnetizam mijenja s temperaturom. Zagrijavanje narušava sićušnu strukturu. Hlađenje donosi uredan red i stabilnost. Razumijevanje ovih svojstava nanorazmjera je ključno za inženjering magneta za visoke ili niske temperature.

Odabir pravog materijala magneta

Trajni magneti su napravljeni od željeza, nikla, kobalta i izuzetnih mješavina rijetkih zemnih metala. Inženjeri biraju materijal na osnovu temperaturnog raspona, čvrstoće i potreba za troškovima.

Alnico magneti imaju gvožđe, aluminijum, nikl i kobalt. Rade do 600 stepeni, ali njihova jačina magnetnog polja je srednja, oko 0.5-1.3T.

Keramički ili feritni magneti koriste barijeve i stroncij ferite. Oni su niske cijene, ali imaju slabu snagu polja ispod 0.4T.

Magneti od samarijum kobalta mogu da naprave polja visoke jačine do 1,1T i rade do 350 stepeni, ali su skupi.

Gvožđe-neodim-bor magneti imaju najbolje ukupne performanse. Imaju moćna polja do 1,4T i rade do 230 stepeni.

Magnetna svojstva uobičajenih trajnih magneta

Za elektromagnete, bakarni namotaji maksimiziraju provodljivost i mogu se ohladiti kako bi se pojačalo polje. Gvozdena jezgra koncentrišu magnetno polje. Gvožđe presvučeno niklom takođe je otporno na koroziju.

Neodim ili samarijum kobalt najbolje funkcionira za najjača polja uprkos cijeni. Opseg temperature u kojem magnet mora raditi određuje najbolji materijal.

Zabavni eksperimenti sa magnetima

Možete isprobati uzbudljive naučne eksperimente kod kuće koristeći magnete i razne materijale.

Rashlađeni magneti:

Možete vidjeti kako niske temperature čine magnete jačima uz zabavni eksperiment. Uzmite magnet za frižider i zalepite ga na frižider. Ostavite magnet u frižideru nekoliko sati. Zatim ga upotrijebite da pokupite spajalice ili druge magnetne metale.

Da li se magnet osjeća kao da jače vuče metalne predmete kada je hladan? Niža temperatura u frižideru čini magnet privremeno snažnijim. Ali ovo povećanje magnetske snage neće trajati zauvijek.

Nakon što se magnet izvan frižidera zagreje na sobnu temperaturu, njegov magnetizam će se vratiti u normalu. Sjajno je kako promjena temperature od nekoliko stupnjeva može utjecati na nevidljivo magnetno polje!

Pečeni magneti:

Evo eksperimenta koji pokazuje da toplota čini magnete slabijim. Uzmite neke magnete i pecite ih u rerni na niskoj temperaturi od 150 stepeni F (65 stepeni) 10-20 minuta. Nakon pečenja, uklonite magnete i testirajte njihovu vučnu silu.

Pokušajte pokupiti spajalice ili male nokte. Trebali biste primijetiti da je toplina učinila magnete manje jakim. Pečenje je smanjilo njihovo magnetsko privlačenje u toploj pećnici. Pokazuje da čak i blaga toplota može poremetiti nevidljiva magnetna polja trajnih magneta.

Magnetna privlačnost:

Uzmite dva jaka magneta. Zalijepite jedan magnet za pakovanje leda tako da postane jako hladno. Drugi magnet zalijepite za grijač za ruke, tako da bude lijepo i toplo. Sada pokušajte polako približiti dva magneta jedan prema drugom.

Obratite pažnju na to koliko se snažno suprotni polovi privlače i drže zajedno. Primetićete da je toplom magnetu mnogo teže da privuče hladni magnet.

Hladni magnet i dalje ima jak magnetizam, ali toplota slabi magnetizam u toplom magnetu. To pokazuje da viša temperatura smanjuje nevidljive magnetne sile između magneta. Prilično uredno!

rastopljeni magneti:

Uz pomoć odraslih, možete pokazati kako magneti gube svoj magnetizam kada se previše zagriju. Pažljivo koristite grejne ploče ili rerne da zagrejete magnet iznad 770 stepeni (1418 stepeni F). Ovo je više od njihove Curie temperature, gdje prestaju biti magnetski.

Nakon tolikog zagrijavanja magneta, više se ne bi trebao lijepiti za metalne predmete niti odbijati druge magnete!

Igranje s magnetima i visokim temperaturama može biti opasno, pa zamolite odraslu osobu da vam pomogne da bezbedno nadgleda stvari. Ali zgodno je vidjeti kako temperatura može ukloniti nevidljive magnetske moći magneta. Uvijek budite vrlo oprezni i provodite eksperimente samo uz odgovarajući nadzor odraslih.

Zaključak

Temperatura snažno utiče na magnete. Trajni magneti poput željeza ili neodimijuma gube sav magnetizam iznad Curie tačke. Niža temperatura poboljšava njihovu snagu polja.

Elektromagneti postepeno slabe kada su topliji zbog niže električne provodljivosti. Ali hladnoća pojačava supravodljive elektromagnete na vrlo visoka polja. Pažljiva kontrola temperature je od vitalnog značaja. Čuvanje trajnih magneta od ekstremne toplote čuva magnetizam.

Elektromagneti za hlađenje omogućavaju jača magnetna polja. Iskorištavanje toplog i hladnog otključava nove magnetne aplikacije u nauci, medicini i inženjerstvu.

Najčešća pitanja o tome kako temperatura utiče na magnete

Kako mogu znati da li je na magnet utjecala temperatura?

Testirajte snagu magneta mjerenjem njegovog magnetnog polja ili sposobnosti podizanja poznate težine. Uporedite specifikacije da biste utvrdili gubitak magnetizma.

Kolika je Curie temperatura magneta?

Curie temperatura je prag u kojem materijal gubi svoja trajna magnetna svojstva zbog termičkih efekata.