Как температурата влияе на магнитите?

Магнитигенерират невидими силови полета, които привличат метали, включително желязо, никел и кобалт. Топлината влияе върху това колко добре работят магнитите. Когато стане по-горещо, магнитите стават по-слаби. При наистина висока температура те спират да бъдат магнитни. Разбирането на влиянието на температурата е важно.

Познаването на това как топлината въздейства на магнитите ни позволява да проектираме устройства и системи, които работят надеждно при различни работни температури.

Тази статия ще прнаправете общ преглед на магнетизма и обяснете как температурата влияе върху постоянните магнити и електромагнитите. Ние също така ще обсъдим температурата на Кюри и приложенията, при които температурните ефекти върху магнитите са съществен проектен фактор.

Какво кара магнитите да работят?

Магнитите работят благодарение на малките частици вътре, наречени електрони. Електроните действат като малки въртящи се магнити. В повечето неща електроните се въртят във всяка една посока на случаен принцип. Но в магнитните материали завъртанията на електроните се подреждат.

Подравнените завъртания образуват цялостно магнитно поле с два края - северния и южния полюс. Противоположните полюси се привличат, като север и юг. Но същите полюси се отблъскват за два севера.

Колко силен е магнитът зависи от какво е направен. Някои материали поддържат електронните си завъртания подредени по-добре от други. Тази способност да се устои на смесването на завъртанията се нарича задържане. По-високото задържане прави по-силен магнит. Прецизното подравняване на милиони електрони, въртящи се заедно, позволява на магнитите да се придържат към металите!

Постоянни магнити срещу електромагнити

Съществуват два вида магнити, включително постоянни и електромагнитни. Постоянните магнити запазват своя магнетизъм. Изработени са от желязо, никел, кобалт и редки метали. Атомните завъртания в тези материали се подреждат спонтанно.

Електромагнитите се правят чрез пускане на електрически ток през телена намотка около желязна сърцевина. Магнитното поле се създава от тока в жицата. Когато токът спре, електромагнитът губи своя магнетизъм. 

Постоянните магнити и електромагнитите се влияят по различен начин от температурата. Нека разгледаме всеки един:

Как температурата влияе на постоянните магнити

Постоянните магнити работят само в определен температурен диапазон. Ако постоянен магнит се нагрее над определена температура, наречена точка на Кюри, той ще загуби своя магнетизъм.

В точката на Кюри малките завъртания вътре в магнитния материал започват да сочат в произволни посоки, вместо да се подреждат. Това кара постоянния магнит да спре да бъде магнитен.

Температури на Кюри на обичайните магнитни материали

Нагряването на постоянен магнит над точка на Кюри го прави напълно немагнитен. Над тази точка атомните завъртания, които създават магнетизъм, се нарушават. Това кара постоянните магнити от желязо, никел или кобалт да загубят всякакво магнитно поведение.

Обикновено това пълно размагнитване не може да бъде обърнато в традиционните магнити. Магнитът трябва да бъде повторно намагнетизиран чрез излагане на друго силно магнитно поле.

Въпреки това, някои редкоземни магнити от неодим или самариев кобалт могат да възвърнат магнетизма си след нагряване над точката на Кюри. Но многократното нагряване и охлаждане чрез ежедневна употреба все още може бавно да намали магнетизма малко по малко с течение на времето.

Под температурата на Кюри постоянният магнит постепенно ще загуби сила, докато се нагрява. Повече топлина дава на въртенето на атома повече вибрационна енергия. Това смущение на подравнените завъртания прави магнитното поле постоянно по-слабо.

За щастие тази постепенна загуба на магнетизъм с повишаване на температурата е обратима. Когато постоянният магнит се охлади, атомните завъртания се подреждат отново и пълната магнитна сила се връща. Дори малки температурни промени от няколко градуса могат значително да променят силата на магнитното поле.

В обобщение, постоянните магнити работят най-добре в ограничен оптимален температурен диапазон. Твърде много топлина ги демагнетизира напълно или частично. По-ниските температури подобряват силата на магнитното поле.

Инженерите вземат предвид тези термични въздействия, когато проектират устройства, използващи постоянни магнити. Внимателният контрол на температурата гарантира, че магнитите работят при максимална магнитна производителност.

Как температурата влияе на електромагнитите

Електромагнитите се различават от постоянните магнити. Техният магнетизъм идва от електричество, движещо се през телена намотка. Промяната на електричеството прави магнитното поле по-силно или по-слабо.

Топлината въздейства върху електромагнитите, като прави жицата по-трудна за преминаване на електричество. Когато жицата стане по-гореща, електричеството вибрира повече в нея. Това прави предизвикателство за електричеството да се движи гладко в една посока.

Когато електричеството не тече толкова лесно, по-малко може да премине през жицата. И така, електромагнитът става по-слаб, когато е горещ в сравнение със студен.

Но средните горещи и ниски температури не влияят твърде много на електромагнитите. Електрическият поток спада само малко, освен ако проводникът не прегрее. Магнитното поле става малко по-слабо, не изчезва напълно.

Силното охлаждане на електромагнита прави електричеството по-лесно. Пример е използването на течен азот, който е -196 градус! Позволява силни магнитни полета с по-малко електричество. Свръхохладените електромагнити могат да създават полета 100,000 пъти земното!

В обобщение, електромагнитите отслабват, когато са горещи, защото жицата е по-устойчива на електричество. Много ниските температури подобряват потока на електричество и засилват магнитното поле. Но топлината не премахва магнетизма на електромагнита, както при постоянните магнити.

Примери за температурни ефекти върху магнитите

За да видите как температурата влияе на магнитите, нека разгледаме някои примери от реалния свят:

● Магнитите за хладилник използват постоянни магнити, направени от ферит или неодим. Те стават забележимо по-слаби, когато са горещи, но възвръщат пълния си магнетизъм, когато се охладят отново. Оставянето им на топлина като фурна може бавно да ги демагнетизира с течение на времето.

● Машините за ЯМР използват много мощни свръхпроводящи електромагнити, които се охлаждат с течен хелий. Охлаждането им позволява да създават силни магнитни полета от 3 Тесла, необходими за детайлно сканиране на тялото.

● Големите електромагнити, използвани за повдигане на автомобили на сметища, се наричат ​​магнити за кранове. Те повдигат тежки товари с помощта на магнитна сила. В горещите дни магнитът не може да вдигне максималното си тегло поради топлината, което го отслабва. Охлаждането на електромагнитната бобина позволява повдигането на по-тежки предмети.

● Малките неодимови магнити в малки двигатели губят въртящ момент и стават по-малко ефективни, ако моторът прегрее. Високите температури демагнетизират постоянните магнити във въртящия се ротор. Той отслабва въртящото се магнитно поле, което кара двигателя да работи.

● Магнитните ленти и твърдите дискове използват малки железни частици за съхраняване на данни. Твърде много топлина смесва магнитните частици, изтривайки данните. Така че магнитното хранилище има максимална температура, при която може да работи, преди данните да бъдат загубени.

Тези примери показват как контролът и управлението на температурата са жизненоважни при работа с магнити. Постоянните магнити изискват охлаждане, за да запазят магнитните свойства. В същото време електромагнитите трябва да избягват прегряване, да увеличават съпротивлението на проводника и да намаляват силата на полето.

Влияние на ниските температури върху магнитите

Виждали сме, че високите температури намаляват магнитната сила. Какво ще кажете за минусовите температури?

Както бе споменато по-горе, намаляването на топлинната енергия спомага за стабилизирането на подреждането на атомните завъртания в постоянните магнити. Така постоянните магнити стават още по-силни при криогенни температури.

Охлаждането на неодимови магнити с течен азот до -196 градуса може да увеличи силата на теглене с 2-5x в сравнение със стайната температура. Това свръхмагнетизирано състояние дава възможност за нови приложения като маглев влакове.

Електромагнитите също се възползват от ниските температури поради нулевото електрическо съпротивление на проводниците (свръхпроводимост). Това води до огромни магнитни полета от малки намотки.

ЯМР и електромагнитите за научни изследвания се охлаждат от течен хелий, за да се възползват от потенциала на свръхпроводници като ниобий-калай. Работата при ниски температури позволява по-лесно генериране на магнитни полета с висока якост.

И така, докато топлината отслабва магнитите, ниските температури повишават работата на магнита. Както постоянните магнити, така и електромагнитите могат да бъдат подобрени чрез намаляване на топлинното движение на молекулярно ниво.

Как температурата влияе върху структурата на магнитите?

Малките градивни елементи, които изграждат магнитните материали, се променят при нагряване или охлаждане. Това влияе върху това колко са магнетични. Нека разгледаме как температурата променя кристалната решетка и магнитните домейни на типовете магнити.

Постоянните магнити имат малки области, наречени домейни. Всеки домейн е като малък магнит с подравнени завъртания. Но съседните домейни сочат по произволен начин. Нагряването разбърква чистата структура на домейна, което прави магнита по-слаб. Охлаждането подрежда домейните спретнато, укрепвайки общия магнетизъм.

Различните материали имат различни структури на кристална решетка. Това е разстоянието и реда на атомите. Желязото има една структура, а кобалтът има друга. Най-доброто подравняване на домейна зависи от специфичното атомно разстояние и енергийни състояния на всяка кристална решетка.

Електромагнитите са жици, навити на бримки, а не твърд материал. Но те често имат ядра от кристално желязо или стомана. Нагряването кара атомите да вибрират и да се разпръскват. Той нарушава подравняването на домейна в ядрото, намалявайки магнетизма. Поддържането на електромагнитите студени поддържа добра структура на домейна.

Като цяло невидимото атомно устройство обяснява защо магнетизмът се променя с температурата. Нагряването нарушава миниатюрната структура. Охлаждането носи чист ред и стабилност. Разбирането на тези наномащабни свойства е от решаващо значение за инженерните магнити за високи или ниски температури.

Избор на правилния магнитен материал

Постоянните магнити са направени от желязо, никел, кобалт и изключителни смеси от редкоземни метали. Инженерите избират материала въз основа на температурния диапазон, здравината и разходите.

Магнитите Alnico имат желязо, алуминий, никел и кобалт. Те работят до 600 градуса, но силата на магнитното им поле е средна, около 0.5-1.3T.

Керамичните или феритни магнити използват бариеви и стронциеви ферити. Те са на ниска цена, но имат слаба сила на полето под 0.4T.

Самариево-кобалтовите магнити могат да създават полета с висока якост до 1,1T и да работят до 350 градуса, но са скъпи.

Магнитите желязо-неодим-бор имат най-добра цялостна производителност. Те имат мощни полета до 1.4T и работят до 230 градуса.

Магнитни свойства на обичайните постоянни магнити

При електромагнитите медните намотки увеличават максимално проводимостта и могат да бъдат охлаждани, за да се увеличи полето. Железните сърцевини концентрират магнитното поле. Покритото с никел желязо също е устойчиво на корозия.

Неодимовият или самариевият кобалт работи най-добре за най-силните полета, въпреки цената. Температурният диапазон, в който магнитът трябва да работи, определя най-добрия материал.

Забавни експерименти с магнити

Можете да опитате вълнуващи научни експерименти у дома, като използвате магнити и различни материали.

Охладени магнити:

Можете да видите как ниските температури правят магнитите по-силни със забавен експеримент. Вземете магнит за хладилник и го залепете на хладилника. Оставете магнита в хладилника за няколко часа. След това го използвайте, за да вземете кламери или други магнитни метали.

Чувствате ли, че магнитът дърпа по-силно металните предмети, когато е студен? По-ниската температура в хладилника прави магнита временно по-мощен. Но това повишаване на магнитната сила няма да продължи вечно.

След като магнитът се затопли до стайна температура извън хладилника, магнетизмът му ще се върне към нормалното. Страхотно е как няколко градуса промяна на температурата могат да повлияят на невидимото магнитно поле!

Печени магнити:

Ето един експеримент, който показва, че топлината прави магнитите по-слаби. Вземете няколко магнита и ги изпечете във фурната при ниска температура от 150 градуса F (65 градуса) за 10-20 минути. След изпичане извадете магнитите и изпробвайте силата им на теглене.

Опитайте да вземете кламери или малки пирони. Трябва да забележите, че топлината направи магнитите по-малко силни. Печенето намали магнитното им привличане в топлата фурна. Това показва, че дори лека топлина може да наруши невидимите магнитни полета на постоянните магнити.

Магнитно привличане:

Вземете два силни магнита. Залепете един магнит към пакет с лед, така че да стане много студен. Залепете другия магнит към опаковката за затопляне на ръцете, така че да стане приятно и топло. Сега опитайте бавно да приближите двата магнита един към друг.

Обърнете внимание колко силно се привличат и слепват противоположните полюси. Ще забележите, че е много по-трудно за топлия магнит да привлече студения магнит.

Студеният магнит все още има силен магнетизъм, но топлината отслабва магнетизма в топлия магнит. Той демонстрира, че по-високата температура намалява невидимите магнитни сили между магнитите. Доста спретнат!

Разтопени магнити:

С помощта на възрастен можете да покажете как магнитите губят магнетизма си, когато се нагреят твърде много. Използвайте котлони или фурни внимателно, за да загреете магнит над 770 градуса (1418 градуса F). Това е по-високо от тяхната температура на Кюри, при която те престават да бъдат магнитни.

След като нагреете магнита толкова много, той вече не трябва да залепва за метални предмети или да отблъсква други магнити!

Играта с магнити и високи температури може да бъде опасна, така че помолете възрастен да ви помогне да наблюдавате нещата безопасно. Но е хубаво да се види как температурата може да премахне невидимите магнитни сили на магнита. Винаги бъдете много внимателни и провеждайте експерименти само с подходящ надзор от възрастен.

Заключение

Температурата оказва силно влияние върху магнитите. Постоянните магнити като желязо или неодим губят целия магнетизъм над точката на Кюри. По-ниската температура подобрява тяхната сила на полето.

Електромагнитите постепенно отслабват, когато са по-горещи поради по-ниска електрическа проводимост. Но студът усилва свръхпроводящите електромагнити до много високи полета. Внимателният контрол на температурата е жизненоважен. Поддържането на постоянните магнити далеч от екстремни температури запазва магнетизма.

Охлаждащите електромагнити позволяват по-силни магнитни полета. Използването на горещо и студено отключва нови магнитни приложения в науката, медицината и инженерството.

Често задавани въпроси за това как температурата влияе върху магнитите

Как мога да разбера дали даден магнит е повлиян от температура?

Тествайте силата на магнита, като измерите магнитното му поле или способността му да вдигне известно тегло. Сравнете спецификациите, за да определите всяка загуба на магнетизъм.

Каква е температурата на Кюри на магнит?

Температурата на Кюри е прагът, при който материалът губи постоянните си магнитни свойства поради термични ефекти.