Hur påverkar temperaturen magneter?

Magnetergenererar osynliga kraftfält som drar på metaller, inklusive järn, nickel och kobolt. Värme påverkar hur bra magneter fungerar. När det blir varmare blir magneterna svagare. Vid riktigt hög värme slutar de vara magnetiska. Att förstå temperaturens påverkan är viktigt.

Att veta hur värme påverkar magneter gör att vi kan konstruera enheter och system som fungerar tillförlitligt över olika driftstemperaturer.

Denna artikel kommer prge en översikt över magnetism och förklara hur temperaturen påverkar permanentmagneter och elektromagneter. Vi kommer också att diskutera Curie-temperatur och applikationer där temperatureffekter på magneter är en viktig designfaktor.

Vad får magneter att fungera?

Magneter fungerar på grund av små partiklar inuti som kallas elektroner. Elektroner fungerar som små snurrande magneter. I de flesta saker snurrar elektroner slumpmässigt åt alla håll. Men i magnetmaterial står elektronsnurrarna i linje.

De inriktade spinnen skapar ett övergripande magnetfält med två ändar - nord- och sydpolen. Motsatta poler lockar varandra, som norr och söder. Men samma poler stöter tillbaka för två nordar.

Hur stark en magnet är beror på vad den är gjord av. Vissa material håller sina elektronsnurr i linje bättre än andra. Denna förmåga att motstå att snurrarna blandas ihop kallas retention. Högre retentionsförmåga gör en starkare magnet. Den snygga inriktningen av ziljoner elektroner som snurrar tillsammans gör att magneter kan fastna på metaller!

Permanenta magneter vs. elektromagneter

Det finns två typer av magneter, inklusive permanenta och elektromagnetiska. Permanentmagneter behåller sin magnetism. De är gjorda av järn, nickel, kobolt och sällsynta metaller. Atomsnurrarna i dessa material anpassas spontant.

Elektromagneter tillverkas genom att en elektrisk ström leds genom en trådspole runt en järnkärna. Magnetfältet skapas av strömmen i tråden. När strömmen upphör förlorar en elektromagnet sin magnetism. 

Permanenta magneter och elektromagneter påverkas olika av temperaturen. Låt oss titta på var och en:

Hur temperaturen påverkar permanenta magneter

Permanenta magneter fungerar bara i ett specifikt temperaturområde. Om en permanentmagnet blir uppvärmd över en specifik temperatur, kallad Curie-punkten, kommer den att förlora sin magnetism.

Vid Curie-punkten börjar de små snurrarna inuti magnetmaterialet peka i slumpmässiga riktningar istället för att ställas i linje. Det gör att permanentmagneten slutar vara magnetisk.

Curie-temperaturer för vanliga magnetmaterial

Att värma en permanentmagnet över en Curie-punkt gör den helt omagnetisk. Ovanför denna punkt störs de atomära spinn som skapar magnetism. Det gör att permanentmagneter av järn, nickel eller kobolt förlorar allt magnetiskt beteende.

Vanligtvis kan denna fullständiga avmagnetisering inte vändas i traditionella magneter. Magneten måste återmagnetiseras med exponering för ett annat starkt magnetfält.

Men vissa sällsynta jordartsmetallmagneter av neodym eller samariumkobolt kan återfå sin magnetism efter att ha värmts förbi deras Curie-punkt. Men upprepad uppvärmning och nedkylning genom daglig användning kan fortfarande sakta minska magnetismen bit för bit över tiden.

Under Curie-temperaturen kommer en permanentmagnet gradvis att förlora styrka när den värms upp. Mer värme ger atomen snurrar mer vibrationsenergi. Denna störning av de inriktade spinnen gör magnetfältet stadigt svagare.

Lyckligtvis är denna gradvisa förlust av magnetism med ökande temperatur reversibel. När permanentmagneten svalnar, riktas atomsnurren om och full magnetisk styrka återgår. Även små temperaturförändringar på några grader kan märkbart förändra magnetfältets effekt.

Sammanfattningsvis fungerar permanentmagneter bäst inom ett begränsat optimalt temperaturområde. För mycket värme avmagnetiserar dem helt eller delvis. Lägre temperaturer förbättrar magnetfältstyrkan.

Ingenjörer överväger dessa termiska effekter när de designar enheter som använder permanentmagneter. Noggrann temperaturkontroll säkerställer att magneter fungerar med maximal magnetisk prestanda.

Hur temperaturen påverkar elektromagneter

Elektromagneter skiljer sig från permanentmagneter. Deras magnetism kommer från elektricitet som rör sig genom en trådspole. Att ändra elektriciteten gör magnetfältet starkare eller svagare.

Värme påverkar elektromagneter genom att göra tråden svårare för elektricitet att strömma igenom. När tråden blir varmare vibrerar elektriciteten mer inuti den. Det gör det utmanande för elen att röra sig smidigt i en riktning.

När elen inte flyter lika lätt kan mindre gå igenom ledningen. Så en elektromagnet blir svagare när den är varm jämfört med när den är kall.

Men genomsnittliga varma och kalla temperaturer påverkar inte elektromagneterna för mycket. Elflödet sjunker bara lite om inte tråden överhettas. Magnetfältet blir något svagare, inte helt borta.

Att kyla ner en elektromagnet mycket gör att elen flyter lätt. Ett exempel är att använda flytande kväve, vilket är -196 grad ! Det tillåter starka magnetfält med mindre elektricitet. Supercoola elektromagneter kan skapa fält 100,000 gånger jordens fält!

Sammanfattningsvis försvagas elektromagneter när de är heta eftersom tråden motstår elektricitet mer. Mycket kalla temperaturer förbättrar elflödet och stärker magnetfältet. Men värme tar inte bort en elektromagnets magnetism som i permanentmagneter.

Exempel på temperatureffekter på magneter

För att se hur temperaturen påverkar magneter, låt oss titta på några verkliga exempel:

● Kylskåpsmagneter använder permanentmagneter gjorda av ferrit eller neodym. De blir märkbart svagare när de är varma men återfår full magnetism när de kyls ned igen. Att lämna dem i värme som en ugn kan sakta avmagnetisera dem med tiden.

● MRI-maskiner använder mycket kraftfulla supraledande elektromagneter som underkyls med flytande helium. Kylningen gör att de kan skapa starka 3 Tesla-magnetfält som behövs för detaljerade kroppsskanningar.

● Stora elektromagneter som används för att lyfta bilar på skroten kallas kranmagneter. De lyfter tunga laster med hjälp av magnetisk kraft. På varma dagar kan magneten inte lyfta sin maximala vikt på grund av värme, vilket försvagar den. Genom att kyla elektromagnetspolen kan man lyfta tyngre föremål.

● Små neodymmagneter i små motorer tappar vridmoment och blir mindre effektiva om motorn överhettas. Höga temperaturer avmagnetiserar permanentmagneterna i den snurrande rotorn. Det försvagar det roterande magnetfältet som får motorn att fungera.

● Magnetband och hårddiskar använder små järnpartiklar för att lagra data. För mycket värme rör ihop de magnetiska partiklarna och raderar data. Så magnetisk lagring har en maximal temperatur den kan arbeta i innan data går förlorad.

Dessa exempel visar hur temperaturkontroll och hantering är avgörande när man arbetar med magneter. Permanenta magneter kräver kylning för att bevara magnetiska egenskaper. Samtidigt måste elektromagneter undvika överhettning, öka trådmotståndet och minska fältstyrkan.

Effekt av låga temperaturer på magneter

Vi har sett höga temperaturer minska magnetstyrkan. Hur är det med minusgrader?

Som nämnts tidigare hjälper reducering av termisk energi till att stabilisera inriktningen av atomspinn i permanentmagneter. Så permanentmagneter blir ännu starkare vid kryogena temperaturer.

Att kyla neodymmagneter med flytande kväve till -196 grad kan öka dragkraften med 2-5x jämfört med rumstemperatur. Detta hypermagnetiserade tillstånd möjliggör nya applikationer som maglev-tåg.

Elektromagneter gynnas också av låga temperaturer på grund av ledningarnas noll elektriska motstånd (supraledning). Detta resulterar i enorma magnetfält från små spolar.

MRT och vetenskaplig forskning elektromagneter kyls av flytande helium för att utnyttja potentialen hos supraledare som niob-tenn. Lågtemperaturdriften möjliggör enklare generering av höghållfasta magnetfält.

Så medan värme försvagar magneter, ökar kalla temperaturer magnetens prestanda. Både permanentmagneter och elektromagneter kan förbättras genom att reducera termisk rörelse på molekylär nivå.

Hur påverkar temperaturen magneternas struktur?

De små byggstenarna som utgör magnetiska material förändras när de värms eller kyls. Det påverkar hur magnetiska de är. Låt oss undersöka hur temperaturen förändrar magnettypers kristallgitter och magnetiska domäner.

Permanenta magneter har små områden som kallas domäner. Varje domän är som en liten magnet med justerade snurr. Men närliggande domäner pekar på slumpmässiga sätt. Uppvärmning rör ihop den snygga domänstrukturen, vilket gör magneten svagare. Kylning radar upp domänerna snyggt, vilket stärker den totala magnetismen.

Olika material har olika kristallgitterstrukturer. Det är atomernas avstånd och ordning. Järn har en struktur och kobolt har en annan. Den bästa domäninriktningen beror på varje kristallgitters specifika atomavstånd och energitillstånd.

Elektromagneter är ledningar lindade i slingor snarare än fast material. Men de har ofta kristallina järn- eller stålkärnor. Uppvärmning gör att atomerna vibrerar och sprids isär. Det stör domäninriktningen i kärnan, vilket minskar magnetismen. Att hålla elektromagneter kalla bibehåller en god domänstruktur.

Sammantaget förklarar det osynliga atomarrangemanget varför magnetismen förändras med temperaturen. Uppvärmning stör den lilla strukturen. Kylning ger snygg ordning och stabilitet. Att förstå dessa egenskaper i nanoskala är avgörande för att konstruera magneter för höga eller låga temperaturer.

Att välja rätt magnetmaterial

Permanenta magneter är gjorda av järn, nickel, kobolt och extraordinära sällsynta jordartsmetallblandningar. Ingenjörer väljer materialet baserat på temperaturintervall, styrka och kostnadsbehov.

Alnico-magneter har järn, aluminium, nickel och kobolt. De arbetar upp till 600 grader, men deras magnetiska fältstyrka är medelhög, runt 0.5-1.3T.

Keramiska eller ferritmagneter använder barium- och strontiumferriter. De är billiga men har en mager fältstyrka under 0.4T.

Samarium koboltmagneter kan göra höghållfasta fält upp till 1,1T och arbeta till 350 grader men är dyra.

Järn-neodym-bor-magneter har den bästa totala prestandan. De har potenta fält upp till 1,4T och arbetar till 230 grader.

Magnetiska egenskaper hos vanliga permanentmagneter

För elektromagneter maximerar kopparspolar ledningsförmågan och kan kylas för att öka fältet. Järnkärnor koncentrerar magnetfältet. Nickelbelagt järn motstår också korrosion.

Neodym eller samariumkobolt fungerar bäst för de starkaste fälten trots kostnaden. Temperaturintervallet som magneten måste arbeta i avgör det bästa materialet.

Roliga experiment med magneter

Du kan prova spännande vetenskapliga experiment hemma med hjälp av magneter och olika material.

Kylda magneter:

Du kan se hur kalla temperaturer gör magneter starkare med ett roligt experiment. Ta en kylskåpsmagnet och fäst den på ditt kylskåp. Låt magneten stå i kylen i några timmar. Använd den sedan för att plocka upp gem eller andra magnetiska metaller.

Känns magneten som att den drar hårdare i metallföremålen när den är kall? Den lägre temperaturen i kylskåpet gör magneten mer kraftfull tillfälligt. Men denna ökning av magnetisk styrka kommer inte att vara för evigt.

Efter att magneten värmts upp till rumstemperatur utanför kylskåpet kommer dess magnetism att återgå till det normala. Det är häftigt hur några graders temperaturförändring kan påverka det osynliga magnetfältet!

Bakade magneter:

Här är ett experiment för att visa att värme gör magneter svagare. Ta några magneter och grädda dem i ugnen vid en låg temperatur på 150 grader F (65 grader) i 10-20 minuter. Efter gräddning, ta bort magneterna och testa deras dragkraft.

Försök att plocka upp gem eller små naglar. Du bör märka att värmen gjorde magneterna mindre starka. Bakningen minskade deras magnetiska drag i den varma ugnen. Den visar att även mild värme kan störa de osynliga magnetfälten hos permanentmagneter.

Magnetisk attraktion:

Ta två starka magneter. Tejpa fast en magnet på ett ispaket så att det blir väldigt kallt. Tejpa fast den andra magneten på en handvärmare så att den blir skön och varm. Försök nu att långsamt föra de två magneterna mot varandra.

Var uppmärksam på hur starkt de motsatta polerna attraherar och håller ihop. Du kommer att märka att det är mycket svårare för den varma magneten att attrahera den kalla magneten.

Den kalla magneten har fortfarande stark magnetism, men värmen försvagar magnetismen i den varma magneten. Det visar att högre temperatur minskar de osynliga magnetiska krafterna mellan magneter. Ganska snyggt!

Smälta magneter:

Med hjälp av vuxna kan du visa hur magneter tappar sin magnetism när de värms upp för mycket. Använd varma plattor eller ugnar försiktigt för att värma en magnet över 770 grader (1418 grader F). Detta är högre än deras Curie-temperatur, där de slutar vara magnetiska.

Efter att ha värmt upp magneten så mycket ska den inte längre fastna på metallföremål eller stöta bort andra magneter!

Att leka med magneter och höga temperaturer kan vara farligt, så få en vuxen att hjälpa till att övervaka saker på ett säkert sätt. Men det är snyggt att se hur temperaturen kan ta bort en magnets osynliga magnetiska krafter. Var alltid mycket försiktig och utför endast experiment med ordentlig vuxen tillsyn.

Slutsats

Temperaturen påverkar magneterna kraftigt. Permanenta magneter som järn eller neodym förlorar all magnetism över Curie-punkten. Kallare temperaturer förbättrar deras fältstyrka.

Elektromagneter försvagas gradvis när de är varmare på grund av lägre elektrisk ledningsförmåga. Men kyla ökar supraledande elektromagneter till mycket höga fält. Noggrann temperaturkontroll är avgörande. Att hålla permanentmagneter borta från extrem värme bevarar magnetismen.

Kylningselektromagneter möjliggör starkare magnetfält. Att utnyttja varmt och kallt låser upp nya magnetiska tillämpningar inom vetenskap, medicin och teknik.

Vanliga frågor om hur temperaturen påverkar magneter

Hur vet jag om en magnet har påverkats av temperaturen?

Testa magnetens styrka genom att mäta dess magnetfält eller förmåga att lyfta en känd vikt. Jämför specifikationerna för att fastställa eventuell förlust av magnetism.

Vad är Curie-temperaturen för en magnet?

Curie-temperaturen är tröskeln där ett material förlorar sina permanentmagnetiska egenskaper på grund av termiska effekter.