Miten lämpötila vaikuttaa magneetteihin?

Magneetitluovat näkymättömiä voimakenttiä, jotka vetävät metalleja, kuten rautaa, nikkeliä ja kobolttia. Lämpö vaikuttaa magneettien toimintaan. Kun se kuumenee, magneetit heikkenevät. Todella korkeassa kuumuudessa ne lakkaavat olemasta magneettisia. Lämpötilan vaikutuksen ymmärtäminen on tärkeää.

Kun tiedämme, kuinka lämpö vaikuttaa magneetteihin, voimme suunnitella laitteita ja järjestelmiä, jotka toimivat luotettavasti eri käyttölämpötiloissa.

Tämä artikkeli käsittelee prantaa yleiskuvan magnetismista ja selittää, kuinka lämpötila vaikuttaa kestomagneetteihin ja sähkömagneetteihin. Keskustelemme myös Curie-lämpötilasta ja sovelluksista, joissa magneettien lämpötilavaikutukset ovat olennainen suunnittelutekijä.

Mikä saa magneetit toimimaan?

Magneetit toimivat niiden sisällä olevien pienten hiukkasten takia, joita kutsutaan elektroneiksi. Elektronit toimivat kuin pieniä pyöriviä magneetteja. Useimmissa asioissa elektronit pyörivät joka suuntaan satunnaisesti. Mutta magneettimateriaaleissa elektronit pyörivät rivissä.

Tasaiset spinit muodostavat yleisen magneettikentän, jossa on kaksi päätä - pohjois- ja etelänapa. Vastakkaiset navat vetävät toisiaan puoleensa, kuten pohjoinen ja etelä. Mutta samat navat hylkivät kaksi pohjoista.

Magneetin voimakkuus riippuu siitä, mistä se on valmistettu. Jotkut materiaalit pitävät elektronispinsa linjassa paremmin kuin toiset. Tätä kykyä vastustaa pyörien sekoittumista kutsutaan retentiivisyydeksi. Korkeampi retentiokyky tekee magneetista vahvemman. Yhdessä pyörivien miljoonien elektronien siisti linjaus mahdollistaa magneettien tarttumisen metalleihin!

Kestomagneetit vs. sähkömagneetit

Magneetteja on kahdenlaisia, mukaan lukien pysyvät ja sähkömagneettiset. Kestomagneetit säilyttävät magneettisuutensa. Ne on valmistettu raudasta, nikkelistä, koboltista ja harvinaisista metalleista. Näiden materiaalien atomikierrokset kohdistuvat spontaanisti.

Sähkömagneetit valmistetaan ohjaamalla sähkövirta rautasydämen ympärillä olevan lankakelan läpi. Magneettikenttä syntyy johdossa olevan virran vaikutuksesta. Kun virta pysähtyy, sähkömagneetti menettää magneettisuutensa. 

Lämpötila vaikuttaa kestomagneetteihin ja sähkömagneetteihin eri tavalla. Katsotaanpa jokaista:

Kuinka lämpötila vaikuttaa kestomagneetteihin

Kestomagneetit toimivat vain tietyllä lämpötila-alueella. Jos kestomagneetti kuumenee tietyn lämpötilan yläpuolelle, jota kutsutaan Curie-pisteeksi, se menettää magneettisuutensa.

Curie-pisteessä magneettimateriaalin sisällä olevat pienet pyöritykset alkavat osoittaa satunnaisiin suuntiin sen sijaan, että ne olisivat linjassa. Se saa kestomagneetin lakkaamaan olemasta magneettinen.

Yleisten magneettimateriaalien Curie-lämpötilat

Kestomagneetin kuumentaminen Curie-pisteen yläpuolelle tekee siitä täysin ei-magneettisen. Tämän pisteen yläpuolella magnetismia luovat atomikierrokset katkeavat. Se saa rauta-, nikkeli- tai kobolttikestomagneetit menettämään kaiken magneettisen käyttäytymisen.

Tyypillisesti tätä täydellistä demagnetointia ei voida kääntää perinteisissä magneeteissa. Magneetti on magnetisoitava uudelleen altistamalla toiselle vahvalle magneettikentälle.

Jotkut harvinaisten maametallien neodyymi- tai samariumkobolttimagneetit voivat kuitenkin saada takaisin magneettisuutensa kuumentuessaan Curie-pisteensä yli. Mutta toistuva kuumeneminen ja jäähdyttäminen päivittäisessä käytössä voi silti hitaasti vähentää magnetismia vähän kerrallaan ajan myötä.

Curie-lämpötilassa kestomagneetti menettää vähitellen voimansa kuumentuessaan. Enemmän lämpöä antaa atomille enemmän värähtelyenergiaa. Tämä kohdistettujen spinien häiriö heikentää magneettikenttää jatkuvasti.

Onneksi tämä asteittainen magnetismin menetys lämpötilan noustessa on palautuva. Kun kestomagneetti jäähtyy, atomikierrokset kohdistuvat uudelleen ja täysi magneettinen voimakkuus palautuu. Pienetkin muutaman asteen lämpötilan muutokset voivat muuttaa magneettikentän tehoa huomattavasti.

Yhteenvetona voidaan todeta, että kestomagneetit toimivat parhaiten rajoitetulla optimaalisella lämpötila-alueella. Liian suuri lämpö demagnetisoi ne kokonaan tai osittain. Alhaiset lämpötilat parantavat magneettikentän voimakkuutta.

Insinöörit huomioivat nämä lämpövaikutukset suunnitellessaan kestomagneetteja käyttäviä laitteita. Huolellinen lämpötilan säätö varmistaa, että magneetit toimivat huippumagneettisella suorituskyvyllä.

Kuinka lämpötila vaikuttaa sähkömagneetteihin

Sähkömagneetit eroavat kestomagneeteista. Niiden magnetismi tulee sähköstä, joka liikkuu lankakelan läpi. Sähkön muuttaminen vahvistaa tai heikentää magneettikenttää.

Lämpö vaikuttaa sähkömagneetteihin vaikeuttamalla langan läpikulkua. Kun lanka kuumenee, sähkö värähtelee enemmän sen sisällä. Se tekee sähkön sujuvasta liikkumisesta yhteen suuntaan haastavaa.

Kun sähkö ei kulje yhtä helposti, vähemmän voi mennä johdon läpi. Joten sähkömagneetti heikkenee kuumana verrattuna kylmään.

Mutta keskimääräiset kuumat ja kylmät lämpötilat eivät vaikuta sähkömagneetteihin liikaa. Sähkövirta laskee vain vähän, ellei lanka ylikuumene. Magneettikenttä heikkenee hieman, ei poistu kokonaan.

Sähkömagneetin jäähdyttäminen paljon saa sähkön kulkemaan helposti. Esimerkkinä käytetään nestemäistä typpeä, joka on -196 astetta! Se mahdollistaa voimakkaat magneettikentät pienemmällä sähköllä. Supercool sähkömagneetit voivat luoda kenttiä 100, 000 kertaa Maan kenttä!

Yhteenvetona voidaan todeta, että sähkömagneetit heikkenevät kuumina, koska lanka kestää enemmän sähköä. Erittäin kylmät lämpötilat parantavat sähkön virtausta ja vahvistavat magneettikenttää. Mutta lämpö ei poista sähkömagneetin magnetismia kuten kestomagneeteissa.

Esimerkkejä lämpötilan vaikutuksista magneeteihin

Jos haluat nähdä, kuinka lämpötila vaikuttaa magneetteihin, katsotaanpa joitain tosielämän esimerkkejä:

● Jääkaappimagneeteissa käytetään ferriitistä tai neodyymistä valmistettuja kestomagneetteja. Ne heikkenevät huomattavasti kuumina, mutta saavat täyden magnetismin takaisin jäähtyessään. Niiden jättäminen kuumuuteen kuten uuni voi demagnetoida ne hitaasti ajan myötä.

● MRI-laitteet käyttävät erittäin tehokkaita suprajohtavia sähkömagneetteja, jotka on alijäähdytetty nestemäisellä heliumilla. Jäähdytys antaa heille mahdollisuuden luoda voimakkaita 3 Teslan magneettikenttiä, joita tarvitaan yksityiskohtaisiin kehon skannauksiin.

● Nosturimagneeteiksi kutsutaan suuria sähkömagneetteja, joita käytetään autojen nostamiseen romutiloilla. Ne nostavat raskaita kuormia magneettivoimalla. Kuumina päivinä magneetti ei pysty nostamaan maksimipainoaan lämmön vuoksi, mikä heikentää sitä. Sähkömagneettikelan jäähdytys mahdollistaa raskaampien esineiden nostamisen.

● Pienissä moottoreissa pienet neodyymimagneetit menettävät vääntömomentin ja heikkenevät, jos moottori ylikuumenee. Korkeat lämpötilat demagnetoivat pyörivän roottorin kestomagneetit. Se heikentää pyörivää magneettikenttää, joka saa moottorin toimimaan.

● Magneettinauhat ja kiintolevyt käyttävät pieniä rautahiukkasia tietojen tallentamiseen. Liian suuri lämpö sekoittaa magneettiset hiukkaset ja pyyhkii tiedot. Magneettisella tallennustilalla on siis maksimilämpötila, jossa se voi toimia ennen tietojen katoamista.

Nämä esimerkit osoittavat, kuinka lämpötilan hallinta ja hallinta ovat tärkeitä magneettien kanssa työskennellessä. Kestomagneetit vaativat jäähdytystä magneettisten ominaisuuksien säilyttämiseksi. Samanaikaisesti sähkömagneettien on vältettävä ylikuumenemista, lisättävä langan vastusta ja vähennettävä kentän voimakkuutta.

Matalien lämpötilojen vaikutus magneetteihin

Olemme nähneet korkeiden lämpötilojen heikentävän magneetin voimakkuutta. Entä pakkaslämpötilat?

Kuten aiemmin mainittiin, lämpöenergian vähentäminen auttaa vakauttamaan kestomagneettien atomipyörien kohdistusta. Joten kestomagneeteista tulee vieläkin vahvempia kryogeenisissa lämpötiloissa.

Neodyymimagneettien jäähdyttäminen nestemäisellä typellä -196 asteeseen voi lisätä vetovoimaa 2-5x huoneenlämpötilaan verrattuna. Tämä hypermagnetoitu tila mahdollistaa uusia sovelluksia, kuten maglev-junia.

Sähkömagneetit hyötyvät myös alhaisista lämpötiloista johtuen johtojen nollasähkövastuksesta (suprajohtavuudesta). Tämä aiheuttaa valtavia magneettikenttiä pienistä keloista.

MRI- ja tieteellisen tutkimuksen sähkömagneetteja jäähdytetään nestemäisellä heliumilla, jotta ne voivat hyödyntää suprajohteiden, kuten niobium-tina, potentiaalia. Matalan lämpötilan toiminta mahdollistaa vahvojen magneettikenttien helpomman synnyttämisen.

Joten vaikka lämpö heikentää magneetteja, kylmät lämpötilat lisäävät magneetin suorituskykyä. Sekä kestomagneetteja että sähkömagneetteja voidaan tehostaa vähentämällä lämpöliikettä molekyylitasolla.

Miten lämpötila vaikuttaa magneettien rakenteeseen?

Magneettisten materiaalien pienet rakennuspalikat muuttuvat kuumennettaessa tai jäähtyessään. Se vaikuttaa siihen, kuinka magneettisia ne ovat. Tarkastellaan kuinka lämpötila muuttaa magneettityyppien kidehilaa ja magneettialueita.

Kestomagneeteilla on pieniä alueita, joita kutsutaan domaineiksi. Jokainen verkkoalue on kuin pieni magneetti, jonka pyöritykset ovat kohdakkain. Mutta viereiset verkkotunnukset osoittavat satunnaisesti. Kuumentaminen sekoittaa siistin verkkoalueen rakenteen, jolloin magneetti heikkenee. Jäähdytys linjaa alueet siististi, mikä vahvistaa kokonaismagnetismia.

Eri materiaaleilla on erilaiset kidehilarakenteet. Se on atomien väli ja järjestys. Raudalla on yksi rakenne ja koboltilla toinen. Paras alueen kohdistus riippuu kunkin kidehilan erityisestä atomietäisyydestä ja energiatiloista.

Sähkömagneetit ovat johtoja, jotka on kierretty silmukoiksi kiinteän materiaalin sijaan. Mutta niissä on usein kiteisiä rauta- tai teräsytimiä. Kuumentaminen saa atomit värähtelemään ja leviämään toisistaan. Se häiritsee domeenin kohdistusta ytimessä ja vähentää magnetismia. Sähkömagneettien kylmänä pitäminen ylläpitää hyvää aluerakennetta.

Kaiken kaikkiaan näkymätön atomijärjestely selittää, miksi magnetismi muuttuu lämpötilan mukaan. Lämpeneminen häiritsee pientä rakennetta. Jäähdytys tuo siistiä järjestystä ja vakautta. Näiden nanomittakaavan ominaisuuksien ymmärtäminen on ratkaisevan tärkeää korkeiden tai alhaisten lämpötilojen magneettien suunnittelussa.

Oikean magneettimateriaalin valinta

Kestomagneetit on valmistettu raudasta, nikkelistä, koboltista ja poikkeuksellisista harvinaisten maametallien sekoituksista. Insinöörit valitsevat materiaalin lämpötila-alueen, lujuuden ja kustannustarpeiden perusteella.

Alnico-magneeteissa on rautaa, alumiinia, nikkeliä ja kobolttia. Ne toimivat jopa 600 astetta, mutta niiden magneettikentän voimakkuus on keskitaso, noin 0.5-1.3T.

Keraamiset tai ferriittimagneetit käyttävät barium- ja strontiumferriittejä. Ne ovat edullisia, mutta niiden kentänvoimakkuus on alle 0,4 T.

Samarium-kobolttimagneetit voivat luoda erittäin vahvoja kenttiä jopa 1,1 T ja toimivat 350 asteeseen, mutta ovat kalliita.

Rauta-neodyymi-boorimagneeteilla on paras kokonaissuorituskyky. Niissä on voimakkaat kentät 1,4 T asti ja ne toimivat 230 astetta.

Yleisten kestomagneettien magneettiset ominaisuudet

Sähkömagneettien kuparikäämit maksimoivat johtavuuden, ja niitä voidaan jäähdyttää kentän tehostamiseksi. Rautasydämet keskittävät magneettikentän. Nikkelipinnoitettu rauta kestää myös korroosiota.

Neodyymi- tai samariumkoboltti toimii parhaiten vahvimmilla kentillä hinnasta huolimatta. Lämpötila-alue, jolla magneetin tulee toimia, määrittää parhaan materiaalin.

Hauskoja kokeita magneeteilla

Voit kokeilla jännittäviä tieteellisiä kokeita kotona magneeteilla ja erilaisilla materiaaleilla.

Jäähdytetyt magneetit:

Voit nähdä kuinka kylmät lämpötilat vahvistavat magneetteja hauskalla kokeella. Ota jääkaappimagneetti ja kiinnitä se jääkaappiin. Anna magneetin levätä jääkaapissa muutama tunti. Käytä sitä sitten paperiliittimien tai muiden magneettisten metallien poimimiseen.

Tuntuuko magneetti siltä, ​​että se vetää kovemmin metalliesineitä kylmänä? Jääkaapin matalampi lämpötila tekee magneetista väliaikaisesti tehokkaamman. Mutta tämä magneettisen voiman lisäys ei kestä ikuisesti.

Kun magneetti lämpenee huoneenlämpötilaan jääkaapin ulkopuolella, sen magnetismi palautuu normaaliksi. On siistiä, kuinka muutaman asteen lämpötilan muutos voi vaikuttaa näkymättömään magneettikenttään!

Paistetut magneetit:

Tässä on koe, joka osoittaa, että lämpö heikentää magneetteja. Ota magneetteja ja paista niitä uunissa 65 asteen (150 F) lämpötilassa 10-20 minuuttia. Poista paiston jälkeen magneetit ja testaa niiden vetovoima.

Yritä poimia paperiliittimiä tai pieniä nauloja. Sinun tulisi huomata, että lämpö teki magneeteista vähemmän vahvoja. Paistaminen vähensi niiden magneettista vetovoimaa lämpimässä uunissa. Se osoittaa, että jopa lievä lämpö voi häiritä kestomagneettien näkymättömiä magneettikenttiä.

Magneettinen vetovoima:

Ota kaksi vahvaa magneettia. Teippaa yksi magneetti jääpakkaukseen, jotta se jäähtyy hyvin. Teippaa toinen magneetti kädenlämmitinpakkaukseen, jotta siitä tulee mukavaa ja lämmintä. Yritä nyt tuoda kaksi magneettia hitaasti toisiaan kohti.

Kiinnitä huomiota siihen, kuinka voimakkaasti vastakkaiset navat vetävät puoleensa ja tarttuvat toisiinsa. Huomaat, että lämpimän magneetin on paljon vaikeampi vetää puoleensa kylmää magneettia.

Kylmämagneetilla on edelleen vahva magnetismi, mutta lämpö heikentää lämpimän magneetin magnetismia. Se osoittaa, että korkeampi lämpötila vähentää näkymättömiä magneettisia voimia magneettien välillä. Aika siisti!

Sulaneet magneetit:

Aikuisten avustuksella voit näyttää kuinka magneetit menettävät magneettisuutensa, kun niitä kuumennetaan liikaa. Käytä keittolevyjä tai uuneja varovasti lämmittääksesi magneetin yli 770 astetta (1418 astetta F). Tämä on korkeampi kuin niiden Curie-lämpötila, jossa ne lakkaavat olemasta magneettisia.

Kun magneetti on kuumennettu niin paljon, sen ei pitäisi enää tarttua metalliesineisiin tai hylkiä muita magneetteja!

Magneeteilla ja korkeilla lämpötiloilla pelaaminen voi olla vaarallista, joten pyydä aikuista valvomaan asioita turvallisesti. Mutta on hienoa nähdä, kuinka lämpötila voi poistaa magneetin näkymättömät magneettiset voimat. Ole aina erittäin varovainen ja suorita kokeita vain asianmukaisen aikuisen valvonnassa.

Johtopäätös

Lämpötila vaikuttaa voimakkaasti magneetteihin. Kestomagneetit, kuten rauta tai neodyymi, menettävät kaiken magnetismin Curie-pisteen yläpuolella. Kylmempi lämpötila parantaa niiden kenttävoimakkuutta.

Sähkömagneetit heikkenevät vähitellen kuumeneessaan alhaisemman sähkönjohtavuuden vuoksi. Mutta kylmä lisää suprajohtavat sähkömagneetit erittäin suuriin kenttiin. Huolellinen lämpötilan hallinta on elintärkeää. Kestomagneettien pitäminen loitolla äärimmäisestä kuumuudesta säilyttää magnetismin.

Jäähdyttävät sähkömagneetit mahdollistavat voimakkaammat magneettikentät. Kuuman ja kylmän valjastaminen avaa uusia magneettisia sovelluksia tieteessä, lääketieteessä ja tekniikassa.

Usein kysytyt kysymykset lämpötilan vaikutuksesta magneetteihin

Mistä tiedän, onko lämpötila vaikuttanut magneetiin?

Testaa magneetin voimakkuutta mittaamalla sen magneettikenttä tai kyky nostaa tunnettua painoa. Vertaile teknisiä tietoja magnetismin häviöstä.

Mikä on magneetin Curie-lämpötila?

Curie-lämpötila on kynnys, jossa materiaali menettää pysyvät magneettiset ominaisuutensa lämpövaikutusten vuoksi.