Waar zijn magneten van gemaakt?

Inhoud

• TL; DR (te lang; niet gelezen)
• Magneten en magnetisme definiëren
• Soorten magneten
• Permanente magneten
• Tijdelijke magneten
• elektromagneten
• De grootste magneet ter wereld

Magneten lijken mysterieus. Onzichtbare krachten trekken magnetische materialen samen of duwen ze met een klep van één magneet uit elkaar. Hoe sterker de magneten, hoe sterker de aantrekking of afstoting. En natuurlijk is de aarde zelf een magneet. Hoewel sommige magneten van staal zijn, bestaan ​​er andere soorten magneten.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Magnetiet is een natuurlijk magnetisch mineraal. De draaiende aardkern genereert een magnetisch veld. Alnico-magneten zijn gemaakt van aluminium, nikkel en kobalt met kleinere hoeveelheden aluminium, koper en titanium. Keramische of ferrietmagneten zijn gemaakt van bariumoxide of strontiumoxide gelegeerd met ijzeroxide. Twee zeldzame-aardmagneten zijn samarium-kobalt, dat een legering van samarium-kobalt met sporenelementen (ijzer, koper, zirkoon) en neodymium-ijzerboormagneten bevat.

Magneten en magnetisme definiëren

Elk object dat een magnetisch veld produceert en een interactie aangaat met andere magnetische velden is een magneet. Magneten hebben een positief uiteinde of pool en een negatief uiteinde of pool. Lijnen van het magneetveld bewegen van de positieve pool (ook wel de noordpool genoemd) naar de negatieve (zuid) pool. Magnetisme verwijst naar de interactie tussen twee magneten. Tegenpolen trekken elkaar aan, dus trekken de positieve pool van een magneet en de negatieve pool van een andere magneet elkaar aan.

Soorten magneten

Er zijn drie algemene soorten magneten: permanente magneten, tijdelijke magneten en elektromagneten. Permanente magneten behouden hun magnetische kwaliteit gedurende lange tijd. Tijdelijke magneten verliezen snel hun magnetisme. Elektromagneten gebruiken elektrische stroom om een ​​magnetisch veld te genereren.

Permanente magneten

Permanente magneten behouden hun magnetische eigenschappen gedurende lange tijd. Veranderingen in permanente magneten hangen af ​​van de sterkte van de magneet en de samenstelling van de magneten. Veranderingen vinden meestal plaats als gevolg van temperatuursveranderingen (meestal stijgende temperatuur). Magneten die tot hun Curietemperatuur worden verhit, verliezen permanent hun magnetische eigenschap omdat de atomen uit de configuratie verschuiven die het magnetische effect veroorzaakt. De Curietemperatuur, genoemd naar ontdekker Pierre Curie, varieert afhankelijk van het magnetische materiaal.

Magnetiet, een natuurlijk voorkomende permanente magneet, is een zwakke magneet. Sterkere permanente magneten zijn Alnico, neodymium-ijzerboor, samarium-kobalt en keramische of ferrietmagneten. Deze magneten voldoen allemaal aan de eisen van de definitie van permanente magneten.

magnetiet

Magnetiet, ook wel lodestone genoemd, voorzag in kompasnaalden van ontdekkingsreizigers, variërend van Chinese jadejagers tot wereldreizigers. Het minerale magnetiet vormt zich wanneer ijzer wordt verwarmd in een zuurstofarme atmosfeer, resulterend in de ijzeroxideverbinding Fe₃O₄. Reepjes magnetiet dienen als kompassen. Kompassen dateren uit ongeveer 250 voor Christus. in China, waar ze zuidelijke wijzers werden genoemd.

Alnico legering magneten

Alnico-magneten zijn veelgebruikte magneten gemaakt van een samenstelling van 35 procent aluminium (Al), 35 procent nikkel (Ni) en 15 procent kobalt (Co) met 7 procent aluminium (Al), 4 procent koper (Cu) en 4 procent titanium ( ti). Deze magneten werden ontwikkeld in de jaren 1930 en werden populair in de jaren 1940. Temperatuur heeft minder effect op Alnico-magneten dan andere kunstmatig gecreëerde magneten. Alnico-magneten kunnen echter gemakkelijker worden gedemagnetiseerd, dus Alnico-staaf- en hoefijzermagneten moeten correct worden opgeslagen, zodat ze niet worden gedemagnetiseerd.

Alnico-magneten worden op veel manieren gebruikt, vooral in audiosystemen zoals luidsprekers en microfoons. Voordelen van Alnico-magneten zijn onder andere een hoge corrosieweerstand, hoge fysische sterkte (niet schilferen, barsten of breken niet gemakkelijk) en hoge temperatuurbestendigheid (tot 540 graden Celsius). Nadelen zijn een zwakkere magnetische aantrekkingskracht dan andere kunstmatige magneten.

Keramische (ferriet) magneten

In de jaren 1950 werd een nieuwe groep magneten ontwikkeld. Harde zeshoekige ferrieten, ook wel keramische magneten genoemd, kunnen in dunnere plakjes worden gesneden en worden blootgesteld aan demagnetiserende velden van laag niveau zonder hun magnetische eigenschappen te verliezen. Ze zijn ook goedkoop om te maken. De moleculaire hexagonale ferrietstructuur komt voor in zowel bariumoxide gelegeerd met ijzeroxide (BaO ∙ 6Fe₂O₃) en strontiumoxide gelegeerd met ijzeroxide (SrO ∙ 6Fe₂O₃). Het strontium (Sr) ferriet heeft iets betere magnetische eigenschappen. De meest gebruikte permanente magneten zijn ferriet (keramische) magneten. Naast kosten omvatten voordelen van keramische magneten een goede demagnetisatieweerstand en een hoge corrosieweerstand. Ze zijn echter broos en breken gemakkelijk.

Samarium-Kobalt Magneten

Samarium-kobaltmagneten werden ontwikkeld in 1967. Deze magneten, met een moleculaire samenstelling van SmCo₅, werd de eerste commerciële zeldzame-aarde en overgangsmetaal permanente magneten. In 1976 werd een legering van samarium-kobalt met sporenelementen (ijzer, koper en zirkoon) ontwikkeld, met een moleculaire structuur van Sm₂(Co, Fe, Cu, Zr)₁₇. Deze magneten hebben een groot potentieel voor gebruik bij hogere temperaturen, tot ongeveer 500 ° C, maar de hoge materiaalkosten beperken het gebruik van dit type magneet. Samarium is zeldzaam, zelfs onder de zeldzame aardelementen, en kobalt wordt geclassificeerd als een strategisch metaal, dus voorraden worden gecontroleerd.

Samarium-kobaltmagneten werken goed in vochtige omstandigheden. Andere voordelen zijn hoge hittebestendigheid, weerstand tegen lage temperaturen (-273 ° C) en hoge corrosieweerstand. Net als keramische magneten zijn echter samarium-kobaltmagneten bros. Ze zijn, zoals gezegd, duurder.

Neodymium-ijzerboriummagneten

Neodymium-ijzerborium (NdFeB of NIB) magneten zijn uitgevonden in 1983. Deze magneten bevatten 70 procent ijzer, 5 procent boor en 25 procent neodymium, een zeldzaam aardelement. NIB-magneten corroderen snel, zodat ze tijdens het productieproces een beschermende laag, meestal nikkel, krijgen. In plaats van nikkel kunnen bekledingen van aluminium, zink of epoxyhars worden gebruikt.

Hoewel NIB-magneten de sterkste bekende permanente magneten zijn, hebben ze ook de laagste Curie-temperatuur, ongeveer 350 ° C (sommige bronnen zeggen zo laag als 80 ° C), van andere permanente magneten. Deze lage Curietemperatuur beperkt hun industrieel gebruik. Neodymium-ijzerboriummagneten zijn een essentieel onderdeel geworden van huishoudelijke elektronica, waaronder mobiele telefoons en computers. Neodymium-ijzerboriummagneten worden ook gebruikt in MRI-machines (magnetic resonance imaging).

Voordelen van NIB-magneten zijn vermogen-gewichtsverhouding (tot 1.300 keer), hoge weerstand tegen demagnetisatie bij voor de mens comfortabele temperaturen en kosteneffectiviteit. Nadelen zijn onder meer verlies van magnetisme bij lagere Curietemperaturen, lage corrosieweerstand (als de beplating is beschadigd) en brosheid (kan breken, barsten of barsten bij plotselinge botsingen met andere magneten of metalen. (Zie bronnen voor Magnetic Fruit, een activiteit met behulp van NIB-magneten) .)

Tijdelijke magneten

Tijdelijke magneten bestaan ​​uit zogenaamde zachte ijzeren materialen. Zacht ijzer betekent dat de atomen en elektronen in staat zijn om in het ijzer uitgelijnd te raken en zich een tijdje als een magneet gedragen. De lijst met magnetische metalen bevat nagels, paperclips en andere materialen die ijzer bevatten. Tijdelijke magneten worden magneten wanneer ze worden blootgesteld aan of in een magnetisch veld worden geplaatst. Een naald die door een magneet wordt gewreven, wordt bijvoorbeeld een tijdelijke magneet omdat de magneet ervoor zorgt dat de elektronen in de naald worden uitgelijnd. Als het magnetische veld of de blootstelling aan de magneet sterk genoeg is, kunnen zachte ijzers permanente magneten worden, tenminste totdat hitte, shock of tijd ervoor zorgen dat de atomen hun uitlijning verliezen.

elektromagneten

Het derde type magneet doet zich voor wanneer elektriciteit door een draad passeert. Het omwikkelen van de draad rond een zachte ijzeren kern versterkt de sterkte van het magnetische veld. Het verhogen van de elektriciteit verhoogt de sterkte van het magnetische veld. Wanneer elektriciteit door de draad stroomt, werkt de magneet. Stop de stroom van elektronen en het magnetische veld stort in. (Zie bronnen voor een PhET-simulatie van elektromagnetisme.)

De grootste magneet ter wereld

De grootste magneet ter wereld is in feite de aarde. De vaste kern van ijzer en nikkel in de buitenste kern van ijzer en nikkel gedraagt ​​zich als een dynamo en genereert een magnetisch veld. Het zwakke magnetische veld werkt als een staafmagneet gekanteld op ongeveer 11 graden van de aardas. Het noordelijke uiteinde van dit magnetische veld is de zuidpool van de staafmagneet. Omdat tegengestelde magnetische velden elkaar aantrekken, wijst het noordelijke uiteinde van een magnetisch kompas naar het zuidelijke uiteinde van het aardmagnetische veld dat zich in de buurt van de noordpool bevindt (om het anders te zeggen, de zuidelijke magnetische pool van de aarde bevindt zich eigenlijk in de buurt van de geografische noordpool , hoewel je vaak die magnetische zuidpool ziet als de magnetische noordpool).

Het aardmagnetische veld genereert de magnetosfeer die de aarde omgeeft. Interactie van de zonnewind met de magnetosfeer veroorzaakt het noordelijke en zuidelijke licht dat bekend staat als de Aurora Borealis en Aurora Australis.

Het magnetische veld van de aarde beïnvloedt ook de ijzermineralen in lavastromen. De ijzermineralen in de lava komen overeen met het magnetische veld van de aarde. Deze uitgelijnde mineralen "bevriezen" op hun plaats terwijl de lava afkoelt. Studies van magnetische uitlijningen in basaltstromen aan weerszijden van de midden-Atlantische bergrug bieden niet alleen bewijs voor omkeringen van het aardmagnetisch veld, maar ook voor de theorie van de platentektoniek.