Jak teplota ovlivňuje magnety?

Magnetygenerují neviditelná silová pole, která přitahují kovy, včetně železa, niklu a kobaltu. Teplo ovlivňuje, jak dobře magnety fungují. Když se zahřeje, magnety slábnou. Při opravdu vysoké teplotě přestávají být magnetické. Důležité je pochopit vliv teploty.

Znalost toho, jak teplo ovlivňuje magnety, nám umožňuje konstruovat zařízení a systémy, které spolehlivě fungují při různých provozních teplotách.

Tento článek bude prpodat přehled o magnetismu a vysvětlit, jak teplota ovlivňuje permanentní magnety a elektromagnety. Probereme také Curieho teplotu a aplikace, kde jsou teplotní vlivy na magnety zásadním konstrukčním faktorem.

Proč magnety fungují?

Magnety fungují díky malým částicím uvnitř nazývaným elektrony. Elektrony fungují jako malé rotující magnety. Ve většině věcí se elektrony otáčí všemi směry náhodně. Ale v magnetických materiálech se elektron točí seřazeno.

Zarovnané spiny vytvářejí celkové magnetické pole se dvěma konci - severním a jižním pólem. Opačné póly se přitahují, jako sever a jih. Ale stejné póly se odpuzují na dvou severech.

Jak silný je magnet, závisí na tom, z čeho je vyroben. Některé materiály udržují své elektronové spiny seřazené lépe než jiné. Tato schopnost odolávat smíchání rotací se nazývá retence. Vyšší retence dělá silnější magnet. Úhledné uspořádání zillionů elektronů rotujících dohromady umožňuje magnetům přilnout ke kovům!

Permanentní magnety vs. elektromagnety

Existují dva druhy magnetů, včetně permanentních a elektromagnetických. Permanentní magnety si zachovávají svůj magnetismus. Jsou vyrobeny ze železa, niklu, kobaltu a vzácných kovů. Atomové rotace v těchto materiálech se spontánně vyrovnávají.

Elektromagnety se vyrábějí tak, že elektrický proud prochází drátěnou cívkou kolem železného jádra. Magnetické pole je vytvářeno proudem v drátu. Když se proud zastaví, elektromagnet ztratí svůj magnetismus. 

Permanentní magnety a elektromagnety jsou ovlivněny rozdílně teplotou. Podívejme se na každý z nich:

Jak teplota ovlivňuje permanentní magnety

Permanentní magnety fungují pouze v určitém teplotním rozsahu. Pokud se permanentní magnet zahřeje nad určitou teplotu, zvanou Curieův bod, ztratí svůj magnetismus.

V Curieově bodě začnou malé rotace uvnitř materiálu magnetu směřovat náhodnými směry, místo aby se seřadily. Tím přestane být permanentní magnet magnetický.

Curieovy teploty běžných magnetických materiálů

Zahřívání permanentního magnetu nad Curieovým bodem jej činí zcela nemagnetickým. Nad tímto bodem jsou atomové spiny, které vytvářejí magnetismus, narušeny. Způsobuje, že permanentní magnety ze železa, niklu nebo kobaltu ztrácejí veškeré magnetické chování.

Obvykle nelze tuto úplnou demagnetizaci zvrátit u tradičních magnetů. Magnet musí být znovu zmagnetizován působením jiného silného magnetického pole.

Některé magnety vzácných zemin z neodymu nebo kobaltu samaria však mohou znovu získat svůj magnetismus po zahřátí za jejich Curieův bod. Ale opakované zahřívání a ochlazování každodenním používáním může stále pomalu snižovat magnetismus kousek po kousku v průběhu času.

Při Curieově teplotě bude permanentní magnet postupně ztrácet sílu, jak se zahřívá. Více tepla dává atomu rotaci více vibrační energie. Toto narušení uspořádaných rotací způsobuje, že magnetické pole je stále slabší.

Naštěstí je tato postupná ztráta magnetismu s rostoucí teplotou vratná. Když permanentní magnet vychladne, atom se znovu vyrovná a vrátí se plná magnetická síla. I malé teplotní změny o několik stupňů mohou výrazně změnit sílu magnetického pole.

Stručně řečeno, permanentní magnety fungují nejlépe v omezeném optimálním teplotním rozsahu. Příliš mnoho tepla je zcela nebo částečně demagnetizuje. Nižší teploty zlepšují sílu magnetického pole.

Inženýři zohledňují tyto tepelné dopady při navrhování zařízení využívajících permanentní magnety. Pečlivá regulace teploty zajišťuje, že magnety pracují se špičkovým magnetickým výkonem.

Jak teplota ovlivňuje elektromagnety

Elektromagnety se liší od permanentních magnetů. Jejich magnetismus pochází z elektřiny pohybující se drátovou cívkou. Změna elektřiny zesiluje nebo zeslabuje magnetické pole.

Teplo působí na elektromagnety tím, že drát ztěžuje průchod elektřiny. Když se drát zahřeje, elektřina v něm více vibruje. Pro elektřinu je náročné pohybovat se hladce jedním směrem.

Když elektřina neproudí tak snadno, drátem může procházet méně. Elektromagnet je tedy slabší, když je horký, než když je studený.

Ale průměrné horké a studené teploty elektromagnety příliš neovlivňují. Tok elektřiny klesá jen o málo, pokud se drát nepřehřeje. Magnetické pole mírně zeslábne, není úplně pryč.

Silné ochlazení elektromagnetu usnadňuje proudění elektřiny. Příkladem je použití kapalného dusíku, což je -196 stupeň! Umožňuje silná magnetická pole s menším množstvím elektřiny. Supercool elektromagnety dokážou vytvořit pole 100,000krát větší než pole Země!

Stručně řečeno, elektromagnety slábnou, když jsou horké, protože drát odolává elektřině více. Velmi nízké teploty zlepšují tok elektřiny a posilují magnetické pole. Ale teplo neodstraní magnetismus elektromagnetu jako u permanentních magnetů.

Příklady vlivu teploty na magnety

Chcete-li vidět, jak teplota ovlivňuje magnety, podívejme se na několik příkladů ze skutečného světa:

● Magnety chladničky používají permanentní magnety vyrobené z feritu nebo neodymu. Když jsou horké, znatelně slábnou, ale po opětovném ochlazení znovu získají plný magnetismus. Pokud je necháte teplem jako pec, může je časem pomalu demagnetizovat.

● Přístroje MRI používají velmi výkonné supravodivé elektromagnety, které jsou podchlazené kapalným héliem. Chlazení jim umožňuje vytvářet silná 3 Tesla magnetická pole potřebná pro detailní skenování těla.

● Velké elektromagnety používané ke zvedání aut na vrakovištích se nazývají jeřábové magnety. Zvedají těžká břemena pomocí magnetické síly. V horkých dnech magnet nemůže zvednout svou maximální váhu kvůli teplu, což jej oslabuje. Chlazení cívky elektromagnetu umožňuje zvedání těžších předmětů.

● Drobné neodymové magnety v malých motorech ztrácejí krouticí moment a jsou méně účinné, pokud se motor přehřívá. Vysoké teploty demagnetizují permanentní magnety v dopřádacím rotoru. Oslabuje točivé magnetické pole, které způsobuje, že motor pracuje.

● Magnetické pásky a pevné disky používají k ukládání dat drobné železné částice. Příliš mnoho tepla rozvíří magnetické částice a vymaže data. Magnetické úložiště má tedy maximální teplotu, při které může pracovat, než dojde ke ztrátě dat.

Tyto příklady ukazují, jak je při práci s magnety životně důležité řízení a řízení teploty. Permanentní magnety vyžadují chlazení pro zachování magnetických vlastností. Elektromagnety musí zároveň zabránit přehřátí, zvýšit odpor drátu a snížit intenzitu pole.

Vliv nízkých teplot na magnety

Viděli jsme, že vysoké teploty snižují sílu magnetu. A co mrazivé teploty?

Jak již bylo zmíněno dříve, snížení tepelné energie pomáhá stabilizovat vyrovnání atomových spinů v permanentních magnetech. Permanentní magnety se tak při kryogenních teplotách stávají ještě silnějšími.

Chlazení neodymových magnetů kapalným dusíkem na -196 stupňů může zvýšit tažnou sílu o 2-5x ve srovnání s pokojovou teplotou. Tento hypermagnetizovaný stav umožňuje nové aplikace, jako jsou vlaky maglev.

Elektromagnety také těží z nízkých teplot kvůli nulovému elektrickému odporu vodičů (supravodivosti). To má za následek obrovská magnetická pole z malých cívek.

Magnetická rezonance a elektromagnety vědeckého výzkumu jsou chlazeny kapalným héliem, aby se využil potenciál supravodičů, jako je niob-cín. Nízkoteplotní provoz umožňuje snadnější generování vysoce silných magnetických polí.

Takže zatímco teplo magnety oslabuje, nízké teploty zvyšují výkon magnetů. Jak permanentní magnety, tak elektromagnety lze zlepšit snížením tepelného pohybu na molekulární úrovni.

Jak teplota ovlivňuje strukturu magnetů?

Drobné stavební bloky, které tvoří magnetické materiály, se při zahřívání nebo ochlazení mění. Má vliv na to, jak jsou magnetické. Podívejme se, jak teplota mění krystalovou mřížku a magnetické domény typů magnetů.

Permanentní magnety mají malé oblasti zvané domény. Každá doména je jako malý magnet s vyrovnanými rotacemi. Ale sousední domény ukazují náhodným způsobem. Zahřívání narušuje úhlednou strukturu domény, takže magnet je slabší. Chlazení úhledně spojuje domény a posiluje celkový magnetismus.

Různé materiály mají různé struktury krystalové mřížky. Je to vzdálenost a pořadí atomů. Železo má jednu strukturu a kobalt má jinou. Nejlepší zarovnání domén závisí na specifické atomové vzdálenosti a energetických stavech každé krystalové mřížky.

Elektromagnety jsou dráty stočené do smyček spíše než z pevného materiálu. Ale často mají krystalická železná nebo ocelová jádra. Zahřívání způsobuje, že atomy vibrují a šíří se od sebe. Narušuje zarovnání domén v jádru a snižuje magnetismus. Udržování elektromagnetů v chladu udržuje dobrou doménovou strukturu.

Celkově neviditelné atomové uspořádání vysvětluje, proč se magnetismus mění s teplotou. Poruchy zahřívání drobné struktury. Chlazení přináší čistý pořádek a stabilitu. Pochopení těchto vlastností v nanoměřítku je klíčové pro konstrukci magnetů pro vysoké nebo nízké teploty.

Výběr správného materiálu magnetu

Permanentní magnety jsou vyrobeny ze železa, niklu, kobaltu a mimořádných směsí kovů vzácných zemin. Inženýři vybírají materiál na základě teplotního rozsahu, pevnosti a nákladů.

Alnico magnety obsahují železo, hliník, nikl a kobalt. Fungují až do 600 stupňů, ale jejich intenzita magnetického pole je střední, kolem 0.5-1.3T.

Keramické nebo feritové magnety používají ferity barya a stroncia. Jsou levné, ale mají nízkou intenzitu pole pod 0,4T.

Samariové kobaltové magnety mohou vytvářet pole s vysokou pevností až 1,1 T a pracovat do 350 stupňů, ale jsou drahé.

Nejlepší celkový výkon mají magnety železo-neodym-bor. Mají silná pole až do 1,4T a pracují do 230 stupňů.

Magnetické vlastnosti běžných permanentních magnetů

U elektromagnetů měděné cívky maximalizují vodivost a mohou být chlazeny, aby se pole zvýšilo. Železná jádra koncentrují magnetické pole. Niklované železo také odolává korozi.

Neodym nebo kobalt samarium funguje nejlépe pro nejsilnější pole navzdory ceně. Teplotní rozsah, ve kterém musí magnet pracovat, určuje nejlepší materiál.

Zábavné experimenty s magnety

Vzrušující vědecké pokusy si můžete doma vyzkoušet pomocí magnetů a různých materiálů.

Chlazené magnety:

Pomocí zábavného experimentu můžete vidět, jak nízké teploty posilují magnety. Vezměte magnet na ledničku a přilepte ho na lednici. Nechte magnet několik hodin v lednici. Poté jej použijte ke sbírání kancelářských sponek nebo jiných magnetických kovů.

Má magnet pocit, že za studena silněji tahá za kovové předměty? Nižší teplota v chladničce činí magnet dočasně silnějším. Ale toto zvýšení magnetické síly nebude trvat věčně.

Poté, co se magnet zahřeje na pokojovou teplotu mimo ledničku, jeho magnetismus se vrátí do normálu. Je úžasné, jak změna teploty o několik stupňů může ovlivnit neviditelné magnetické pole!

Pečené magnety:

Zde je experiment, který ukazuje, že teplo zeslabuje magnety. Vezměte několik magnetů a pečte je v troubě při nízké teplotě 150 stupňů F (65 stupňů) po dobu 10-20 minut. Po upečení magnety vyjměte a vyzkoušejte jejich tažnou sílu.

Zkuste sebrat kancelářské sponky nebo malé hřebíčky. Měli byste si všimnout, že teplo způsobilo, že magnety byly méně silné. Pečení snížilo jejich magnetický tah v teplé troubě. Ukazuje, že i mírné teplo může narušit neviditelná magnetická pole permanentních magnetů.

Magnetická přitažlivost:

Vezměte dva silné magnety. Přilepte jeden magnet k ledu, aby byl velmi studený. Druhý magnet přilepte na ohřívač rukou, aby byl příjemně teplý. Nyní zkuste pomalu přitáhnout dva magnety k sobě.

Věnujte pozornost tomu, jak silně se opačné póly přitahují a drží pohromadě. Všimnete si, že pro teplý magnet je mnohem těžší přitáhnout studený magnet.

Studený magnet má stále silný magnetismus, ale teplo zeslabuje magnetismus v teplém magnetu. Ukazuje, že vyšší teplota snižuje neviditelné magnetické síly mezi magnety. Docela pěkné!

Roztavené magnety:

S pomocí dospělých můžete ukázat, jak magnety ztrácejí magnetismus, když se příliš zahřejí. Pečlivě používejte horké plotýnky nebo trouby, aby se magnet zahřál nad 770 stupňů (1418 stupňů F). To je vyšší než jejich Curieova teplota, kde přestávají být magnetické.

Po takovém zahřátí by se magnet již neměl lepit na kovové předměty ani odpuzovat jiné magnety!

Hraní s magnety a vysokými teplotami může být nebezpečné, proto požádejte dospělého, aby vám pomohl na věci bezpečně dohlížet. Ale je hezké vidět, jak může teplota odstranit neviditelné magnetické síly magnetu. Vždy buďte velmi opatrní a experimentujte pouze pod řádným dohledem dospělé osoby.

Závěr

Teplota silně ovlivňuje magnety. Permanentní magnety jako železo nebo neodym ztrácejí nad Curieovým bodem veškerý magnetismus. Nižší teplota zlepšuje jejich intenzitu pole.

Elektromagnety při zahřívání postupně slábnou v důsledku nižší elektrické vodivosti. Ale chlad zesiluje supravodivé elektromagnety na velmi vysoká pole. Důležitá je pečlivá kontrola teploty. Uchovávání permanentních magnetů mimo extrémní teplo zachovává magnetismus.

Chladicí elektromagnety umožňují silnější magnetická pole. Využití tepla a chladu odemyká nové magnetické aplikace napříč vědou, medicínou a inženýrstvím.

Časté dotazy o tom, jak teplota ovlivňuje magnety

Jak poznám, že byl magnet ovlivněn teplotou?

Otestujte sílu magnetu měřením jeho magnetického pole nebo schopnosti zvednout známou váhu. Porovnejte specifikace, abyste zjistili případnou ztrátu magnetismu.

Jaká je Curieova teplota magnetu?

Curieova teplota je práh, kdy materiál ztrácí své permanentní magnetické vlastnosti v důsledku tepelných účinků.