Kuidas temperatuur magneteid mõjutab?

Magnetidtekitavad nähtamatuid jõuvälju, mis tõmbavad metalle, sealhulgas rauda, ​​niklit ja koobaltit. Kuumus mõjutab magnetite tööd. Kui kuumemaks läheb, muutuvad magnetid nõrgemaks. Tõeliselt kõrgel kuumusel lakkavad nad olema magnetilised. Temperatuuri mõju mõistmine on oluline.

Teades, kuidas kuumus magneteid mõjutab, võimaldab meil luua seadmeid ja süsteeme, mis toimivad usaldusväärselt erinevatel töötemperatuuridel.

See artikkel räägib prandke ülevaade magnetismist ja selgitage, kuidas temperatuur mõjutab püsimagneteid ja elektromagneteid. Arutame ka Curie temperatuuri ja rakendusi, kus temperatuuri mõju magnetitele on oluline disainitegur.

Mis paneb magnetid tööle?

Magnetid töötavad tänu väikestele osakestele, mida nimetatakse elektronideks. Elektronid toimivad nagu väikesed pöörlevad magnetid. Enamikus asjades pöörlevad elektronid igas suunas juhuslikult. Kuid magnetmaterjalides pöörlevad elektronid joondudes.

Joondatud spinnid moodustavad üldise magnetvälja, millel on kaks otsa – põhja- ja lõunapoolus. Vastaspoolused tõmbavad üksteist, nagu põhja ja lõuna. Kuid samad poolused tõrjuvad kaks põhja.

Magneti tugevus sõltub sellest, millest see on valmistatud. Mõned materjalid hoiavad oma elektronide spine paremini rivis kui teised. Seda võimet seista vastu keerutuste segamisele nimetatakse retentiivsuseks. Suurem retentiivsus muudab magneti tugevamaks. Miljonite koos pöörlevate elektronide korralik joondamine võimaldab magnetitel metallide külge kleepuda!

Püsimagnetid vs elektromagnetid

On olemas kahte tüüpi magneteid, sealhulgas püsi- ja elektromagnetilised. Püsimagnetid säilitavad oma magnetismi. Need on valmistatud rauast, niklist, koobaltist ja haruldastest metallidest. Nendes materjalides olevad aatomite pöörlemised joonduvad spontaanselt.

Elektromagnetid valmistatakse elektrivoolu juhtimisel läbi traadi mähise ümber raudsüdamiku. Magnetvälja loob juhtmes olev vool. Kui vool peatub, kaotab elektromagnet oma magnetismi. 

Püsimagneteid ja elektromagneteid mõjutab temperatuur erinevalt. Vaatame igaüks neist:

Kuidas temperatuur püsimagneteid mõjutab

Püsimagnetid töötavad ainult teatud temperatuurivahemikus. Kui püsimagnet kuumeneb üle teatud temperatuuri, mida nimetatakse Curie punktiks, kaotab see oma magnetismi.

Curie punktis hakkavad magnetmaterjali sees olevad pisikesed spinnid joondumise asemel suvalistes suundades näitama. See muudab püsimagneti magnetiliseks.

Tavaliste magnetmaterjalide Curie temperatuurid

Püsimagneti kuumutamine Curie punkti kohal muudab selle täiesti mittemagnetiliseks. Sellest punktist kõrgemal on magnetismi tekitavad aatomi spinnid häiritud. See põhjustab raua, nikli või koobalti püsimagnetite magnetilise käitumise kaotamise.

Tavaliselt ei saa seda täielikku demagnetiseerimist traditsioonilistes magnetides ümber pöörata. Magnet tuleb uuesti magnetiseerida, kasutades kokkupuudet mõne muu tugeva magnetväljaga.

Mõned haruldaste muldmetallide neodüümi- või samariumkoobaltimagnetid võivad aga pärast Curie-punktist kõrgemat kuumutamist taastada oma magnetismi. Kuid korduv soojendamine ja jahutamine igapäevase kasutamisega võib siiski aja jooksul magnetilisust aeglaselt vähendada.

Curie temperatuuri all kaotab püsimagnet kuumenedes järk-järgult tugevuse. Rohkem soojust annab aatomi pöörlemistele rohkem vibratsioonienergiat. See joondatud spinnide häire muudab magnetvälja pidevalt nõrgemaks.

Õnneks on see järkjärguline magnetismi kadu temperatuuri tõusuga pöörduv. Kui püsimagnet jahtub, joonduvad aatomi pöörlemised uuesti ja täielik magnettugevus taastub. Isegi väikesed mõnekraadised temperatuurimuutused võivad magnetvälja võimsust märgatavalt muuta.

Kokkuvõttes töötavad püsimagnetid kõige paremini piiratud optimaalse temperatuurivahemiku piires. Liiga palju soojust demagnetiseerib need täielikult või osaliselt. Madalamad temperatuurid parandavad magnetvälja tugevust.

Insenerid võtavad püsimagneteid kasutavate seadmete projekteerimisel arvesse neid termilisi mõjusid. Hoolikas temperatuuri reguleerimine tagab, et magnetid töötavad maksimaalse magnetilise jõudlusega.

Kuidas temperatuur mõjutab elektromagneteid

Elektromagnetid erinevad püsimagnetitest. Nende magnetism tuleneb elektrist, mis liigub läbi traadipooli. Elektrienergia muutmine muudab magnetvälja tugevamaks või nõrgemaks.

Kuumus mõjutab elektromagneteid, muutes juhtme raskemaks elektrivoolu läbimiseks. Kui traat läheb kuumaks, vibreerib elekter selle sees rohkem. See muudab elektri sujuva liikumise ühes suunas keeruliseks.

Kui elekter ei voola nii kergesti, võib juhtmest vähem läbi minna. Seega muutub elektromagnet kuumaga võrreldes külmaga nõrgemaks.

Kuid keskmised kuumad ja külmad temperatuurid ei mõjuta elektromagneteid liiga palju. Elektrivool langeb vaid veidi, kui juhe üle ei kuumene. Magnetväli muutub veidi nõrgemaks, mitte täielikult kadunud.

Elektromagneti palju jahutamine muudab elektrivoolu hõlpsaks. Näide on vedela lämmastiku kasutamine, mis on -196 kraadi! See võimaldab tugevaid magnetvälju väiksema elektrienergiaga. Ülilahedad elektromagnetid suudavad tekitada Maa väljast 100,000 korda suuremad väljad!

Kokkuvõtteks võib öelda, et elektromagnetid nõrgenevad kuumalt, kuna juhe peab elektrile rohkem vastu. Väga külm temperatuur parandab elektrivoolu ja tugevdab magnetvälja. Kuid kuumus ei eemalda elektromagneti magnetismi nagu püsimagnetite puhul.

Näited temperatuuri mõjudest magnetitele

Et näha, kuidas temperatuur magneteid mõjutab, vaatame mõnda reaalset näidet:

● Külmkapimagnetites kasutatakse ferriidist või neodüümist püsimagneteid. Need muutuvad kuumas märgatavalt nõrgemaks, kuid taas jahutades saavad nad täielikult magnetiliseks. Kui jätate need kuumaks nagu ahju, võib need aja jooksul aeglaselt demagnetiseerida.

● MRI-aparaadid kasutavad väga võimsaid ülijuhtivaid elektromagneteid, mis on ülejahutatud vedela heeliumiga. Jahutus võimaldab neil luua tugeva 3 Tesla magnetvälja, mida on vaja üksikasjalikuks keha skaneerimiseks.

● Suuri elektromagneteid, mida kasutatakse autode tõstmiseks romuplatsidel, nimetatakse kraanamagnetiteks. Nad tõstavad suuri koormusi magnetjõu abil. Kuumadel päevadel ei saa magnet kuumuse tõttu oma maksimaalset raskust tõsta, mistõttu see nõrgeneb. Elektromagnetmähise jahutamine võimaldab tõsta raskemaid esemeid.

● Väikeste mootorite pisikesed neodüümmagnetid kaotavad pöördemomendi ja muutuvad mootori ülekuumenemisel vähem tõhusaks. Kõrged temperatuurid demagnetiseerivad pöörlevas rootoris olevad püsimagnetid. See nõrgendab pöörlevat magnetvälja, mis paneb mootori tööle.

● Magnetlindid ja kõvakettad kasutavad andmete salvestamiseks pisikesi rauaosakesi. Liiga palju kuumust ajab magnetosakesed segamini, kustutades andmed. Seega on magnetsalvestusel maksimaalne temperatuur, mille jooksul see võib töötada enne andmete kadumist.

Need näited näitavad, kuidas temperatuuri juhtimine ja juhtimine on magnetitega töötamisel üliolulised. Püsimagnetid vajavad magnetiliste omaduste säilitamiseks jahutamist. Samal ajal peavad elektromagnetid vältima ülekuumenemist, suurendama juhtmetakistust ja vähendama väljatugevust.

Madalate temperatuuride mõju magnetitele

Oleme näinud, et kõrge temperatuur vähendab magneti tugevust. Aga külmumistemperatuurid?

Nagu varem mainitud, aitab soojusenergia vähendamine stabiliseerida püsimagnetites aatomi spinnide joondamist. Seega muutuvad püsimagnetid krüogeensetel temperatuuridel veelgi tugevamaks.

Neodüümmagnetite jahutamine vedela lämmastikuga -196 kraadini võib suurendada tõmbejõudu 2-5x võrreldes toatemperatuuriga. See hüpermagnetiseeritud olek võimaldab uusi rakendusi, nagu maglev-rongid.

Elektromagnetid saavad kasu ka madalatest temperatuuridest, kuna juhtmete elektritakistus (ülijuhtivus) on null. Selle tulemuseks on väikeste poolide tohutud magnetväljad.

MRI ja teadusuuringute elektromagnetid jahutatakse vedela heeliumiga, et kasutada ära ülijuhtide, nagu nioobiumtina, potentsiaali. Madala temperatuuriga töö võimaldab hõlpsamini tekitada tugevaid magnetvälju.

Seega, kuigi kuumus nõrgestab magneteid, suurendab külm temperatuur magneti jõudlust. Nii püsimagneteid kui ka elektromagneteid saab tõhustada, vähendades soojusliikumist molekulaarsel tasemel.

Kuidas temperatuur mõjutab magnetite struktuuri?

Magnetmaterjalidest koosnevad pisikesed ehitusplokid muutuvad kuumutamisel või jahutamisel. See mõjutab nende magnetilisust. Uurime, kuidas temperatuur muudab magnetitüüpide kristallvõre ja magnetdomeene.

Püsimagnetitel on väikesed alad, mida nimetatakse domeenideks. Iga domeen on nagu väike magnet joondatud keerutustega. Kuid naaberdomeenid osutavad juhuslikult. Kuumutamine ajab korraliku domeenistruktuuri segamini, muutes magneti nõrgemaks. Jahutus joondab domeenid korralikult üles, tugevdades kogu magnetismi.

Erinevatel materjalidel on erinev kristallvõre struktuur. See on aatomite vahekaugus ja järjekord. Raual on üks struktuur ja koobaltil teine. Domeeni parim joondus sõltub iga kristallvõre konkreetsest aatomivahest ja energiaseisunditest.

Elektromagnetid on silmusteks keritud juhtmed, mitte tahke materjali. Kuid neil on sageli kristalsed rauast või terasest südamikud. Kuumutamine paneb aatomid vibreerima ja laiali laiali. See häirib domeeni joondamist südamikus, vähendades magnetismi. Elektromagnetite külmana hoidmine säilitab hea domeenistruktuuri.

Üldiselt selgitab nähtamatu aatomi paigutus, miks magnetism temperatuuriga muutub. Kuumutamine rikub pisikest struktuuri. Jahutamine toob korraliku korra ja stabiilsuse. Nende nanomõõtmeliste omaduste mõistmine on kõrgete või madalate temperatuuride magnetite kavandamisel ülioluline.

Õige magnetmaterjali valimine

Püsimagnetid on valmistatud rauast, niklist, koobaltist ja erakordsetest haruldaste muldmetallide segudest. Insenerid valivad materjali temperatuurivahemiku, tugevuse ja kuluvajaduste põhjal.

Alnico magnetid sisaldavad rauda, ​​alumiiniumi, niklit ja koobaltit. Need töötavad kuni 600 kraadi, kuid nende magnetvälja tugevus on keskmine, umbes 0.5-1.3T.

Keraamilistes või ferriitmagnetites kasutatakse baarium- ja strontsiumferriite. Need on odavad, kuid nende väljatugevus on nõrk alla 0,4 T.

Samariumi koobaltmagnetid võivad tekitada kuni 1,1T tugevaid välju ja töötada kuni 350 kraadi, kuid on kallid.

Raud-neodüüm-boormagnetitel on parim üldine jõudlus. Neil on tugevad väljad kuni 1,4 T ja need töötavad kuni 230 kraadi.

Tavaliste püsimagnetite magnetilised omadused

Elektromagnetite puhul maksimeerivad vaskpoolid juhtivust ja neid saab välja võimendamiseks jahutada. Rauasüdamikud koondavad magnetvälja. Nikliga kaetud raud on ka korrosioonikindel.

Neodüüm- või samariumkoobalt töötab kõige tugevamate väljade jaoks vaatamata kuludele. Temperatuurivahemik, milles magnet peab töötama, määrab parima materjali.

Lõbusad katsed magnetitega

Kodus saab proovida põnevaid teaduskatseid, kasutades magneteid ja erinevaid materjale.

Jahutatud magnetid:

Näete lõbusa katsega, kuidas külm temperatuur magnetid tugevamaks muudab. Võtke külmkapimagnet ja kleepige see külmiku külge. Jätke magnet mõneks tunniks külmkappi seisma. Seejärel kasutage seda kirjaklambrite või muude magnetiliste metallide korjamiseks.

Kas magnetil on tunne, et see tõmbab külmaga metallesemeid tugevamini? Külmkapi madalam temperatuur muudab magneti ajutiselt võimsamaks. Kuid see magnetilise tugevuse suurenemine ei kesta igavesti.

Pärast seda, kui magnet soojeneb väljaspool külmkappi toatemperatuurini, taastub selle magnetism normaalseks. See on lahe, kuidas mõne kraadine temperatuurimuutus võib nähtamatut magnetvälja mõjutada!

Küpsetatud magnetid:

Siin on katse, mis näitab, et kuumus muudab magnetid nõrgemaks. Võtke mõned magnetid ja küpsetage neid ahjus madalal temperatuuril 150 kraadi F (65 kraadi) 10-20 minutit. Pärast küpsetamist eemaldage magnetid ja testige nende tõmbejõudu.

Proovige korjata kirjaklambreid või väikseid naelu. Peaksite märkama, et kuumus muutis magnetid vähem tugevaks. Küpsetamine vähendas nende magnetilist tõmmet soojas ahjus. See näitab, et isegi kerge kuumus võib häirida püsimagnetite nähtamatuid magnetvälju.

Magnetiline atraktsioon:

Võtke kaks tugevat magnetit. Kinnitage üks magnet jääkoti külge, et see väga külmaks läheks. Kinnitage teine ​​magnet kätesoojenduspaki külge, et see muutuks mõnusalt soojaks. Nüüd proovige kahte magnetit aeglaselt üksteise poole viia.

Pöörake tähelepanu sellele, kui tugevalt vastaspoolused tõmbuvad ja kokku hoiavad. Märkate, et soojal magnetil on palju raskem külma magnetit ligi tõmmata.

Külmmagnetil on endiselt tugev magnetism, kuid soojus nõrgendab sooja magneti magnetismi. See näitab, et kõrgem temperatuur vähendab magnetite vahelisi nähtamatuid magnetjõude. Päris korralik!

Sulanud magnetid:

Täiskasvanute abiga saate näidata, kuidas magnetid kaotavad oma magnetismi, kui neid liiga palju kuumutada. Kasutage kuumutusplaate või ahjusid ettevaatlikult, et soojendada magnetit üle 770 kraadi (1418 kraadi F). See on kõrgem kui nende Curie temperatuur, kus nad ei ole enam magnetilised.

Pärast magneti nii palju kuumutamist ei tohiks see enam metallesemete külge kinni jääda ega teisi magneteid tõrjuda!

Magnetite ja kõrge temperatuuriga mängimine võib olla ohtlik, nii et paluge täiskasvanul asju ohutult jälgida. Kuid on tore näha, kuidas temperatuur võib eemaldada magneti nähtamatud magnetjõud. Olge alati väga ettevaatlik ja tehke katseid ainult täiskasvanu järelevalve all.

Järeldus

Temperatuur mõjutab tugevalt magneteid. Püsimagnetid, nagu raud või neodüüm, kaotavad kogu magnetismi Curie punkti kohal. Külmem temperatuur parandab nende väljatugevust.

Elektromagnetid nõrgenevad kuumenedes järk-järgult madalama elektrijuhtivuse tõttu. Külm aga tõstab ülijuhtivad elektromagnetid väga kõrgetele väljadele. Hoolikas temperatuuri reguleerimine on ülioluline. Püsimagnetite hoidmine äärmuslikust kuumusest eemal hoiab magnetismi.

Jahutuselektromagnetid võimaldavad tugevamaid magnetvälju. Kuuma ja külma kasutamine avab uusi magnetilisi rakendusi teaduses, meditsiinis ja inseneriteaduses.

KKK selle kohta, kuidas temperatuur magneteid mõjutab

Kuidas teha kindlaks, kas temperatuur on magnetile mõjunud?

Katsetage magneti tugevust, mõõtes selle magnetvälja või võimet tõsta teadaolevat raskust. Magnetismi kadumise kindlakstegemiseks võrrelge tehnilisi andmeid.

Mis on magneti Curie temperatuur?

Curie temperatuur on lävi, mille puhul materjal kaotab soojusmõjude tõttu oma püsimagnetilised omadused.