Co to jest magnes?

Magnes jest źródłem pola magnetycznego, czyli przestrzeni, w której zachodzą oddziaływania magnetyczne.

Rys. 1 Linie pola magnetycznego wokół magnesu stałego.
Źródło (https://m.blog.naver.com/edureno/220304835694?view=img_4)

1. Podział magnesów

1.1 Magnesy powstałe wskutek naturalnych procesów

Pierwszym magnesem, który odkrył człowiek, był magnetyt (rys.2). Jest to minerał składający się w większości (72,4%) z żelaza. Kryształy magnetytu są przyciągane przez magnesy, a jego zbite masy same działają jak magnes. Innym minerałem występującym również naturalnie jest pirotyn, który także ma silne właściwości magnetyczne. W przeciwieństwie do magnetytu w jego skład oprócz związków siarki wchodzą domieszki niklu i kobaltu.

Rys.2 Kryształ magnetytu.
Źródło (Magnetyt © Geza Farkas - stock.adobe.com)

Największym magnesem, z którym mamy na co dzień do czynienia, jest właśnie nasza planeta Ziemia (rys. 3). Co prawda indukcja magnetyczna na powierzchni Ziemi wynosi około 0,000065 T (tesli), czyli jest stosunkowo mała (około 10000 razy słabsza od standardowego magnesu neodymowego), ale wystarczająca, żebyśmy mogli korzystać z tych właściwości przy wyznaczaniu kierunku za pomocą kompasu.

Rys. 3 Rozkład linii pola magnetycznego wokół Ziemi.
Źródło (https://astronomy.com/news/2021/09/when-north-goes-south-is-earths-magnetic-field-flipping)

Ciekawym przykładem magnesów powstałych bez udziału człowieka są niedawno odkryte specyficzne gwiazdy neutronowe nazywane magnetarami (rys. 4). Powstają one w wyniku eksplozji gwiazd, przy spełnieniu odpowiednich warunków. Magnetar, gdy osiągnie odpowiedni rozmiar i będzie posiadał bardzo dużą prędkość obrotową, jest w stanie wytwarzać pole magnetyczne rzędu 10⁷ – 10¹⁰ T.

Rys. 4 Symulacja powstania magnetara.
Źródło (ESA/ATG medialab)

1.2 Magnesy wytworzone przez człowieka

1.2.1 Magnesy stałe wykonane z materiału magnetycznie twardego

Żeby zrozumieć schemat działania magnesów, musimy zacząć od budowy materiału magnetycznego.

Każda materia składa się z atomów, a te złożone są z elektronów. Elektrony wytwarzają pole magnetyczne, które ma dwa źródła; jednym jest spin elektronu, drugim jest jego ruch. Elektrony krążą wokół jądra atomu, ale nie w sposób zupełnie dowolny. Są rozmieszczone w obszarach nazywanych powłokami elektronowymi. Powłoki atomów mają ograniczone miejsce i czasami są całkowicie wypełnione elektronami. Wtedy pola magnetyczne tych elektronów kasują się, ponieważ elektrony różnią się spinami, mają wtedy przeciwne spiny. W przypadku gdy powłoki nie zostały całkowicie zapełnione, pola nie kasują się zupełnie i atom staje się źródłem słabego pola magnetycznego. Dodatkowo te słabe pola atomów dodają się i powstają małe przestrzenie o właściwościach magnetycznych. Nazywamy je domenami magnetycznymi (rys. 5). Te obszary są skierowane przypadkowo w różnych kierunkach i dlatego taka substancja nie jest magnesem. Można umieścić ją w silnym polu magnetycznym, wtedy poszczególne domeny ułożą się zgodnie z kierunkiem magnesowania. Po prostu zewnętrzne pole wyznaczy, gdzie w rezultacie tego działania będzie biegun N a gdzie biegun S, a poprzednio bieguny były rozmieszczone chaotycznie. Po takim zabiegu nawet jeśli wyłączymy zewnętrzne pole magnetyczne, nasza substancja będzie namagnesowana. Stanie się więc magnesem.

Rys. 5 Zmiana układu domen pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
Żródło: (httpswww.dlaucznia.pllekcjafizyka,magnetyzm-i-elektromagnetyzm,magnetyzm-i-materia- elektromagnesy)

Rodzaje magnesów stałych

Ze względu na wykorzystane pierwiastki i związki można dokonać następującego podstawowego podziału magnesów stałych (trwałych):

zawierające związki SmCo - (samarowo-kobaltowe)
zawierające związek Nd₂Fe₁₄B - (neodymowe)
zawierające ferryt baru BaFe₁₂O₁₉, lub ferryt strontu SrFe₁₂O₁₉ - (ferrytowe)
zawierające Al, NI, Co i żelazo oraz dodatki miedzi, tytanu, niobu czy tantalu - (alnico)
Zawierające azotek żelaza Fe₁₆N₂. Magnesy wytwarzane z wykorzystaniem azotku żelaza są najnowszym pomysłem wdrażanym w fazę produkcyjną. Póki co mówi się o potencjale jaki mają w sobie jeżeli naprawdę popracuje się nad rozwojem technologii produkcji, ale faktycznie nie są one najsilniejszymi magnesami na świecie ponieważ ich bardzo niska koercja dosyć nisko ustala punkt pracy magnesu i nawet przy wysokiej indukcji remanencji, która potencjalnie może być dużo wyższa niż dla magnesów zawierających pierwiastki ziem rzadkich, finalne użytkowe parametry magnesu są niższe w porównaniu do nawet najtańszych magnesów neodymowych. Za to ich parametry są ciut lepsze od magnesów alnico ale nie na tyle żeby móc uzyskiwać punkt pracy Jd bardzo zbliżony do indukcji remanencji B_r w otwartym obwodzie magnetycznym, jak to ma miejsce w przypadku zwykłych magnesów neodymowych. Ogromną zaletą magnesów z azotku żelaza jest doskonale niski współczynnik temperaturowy dla koercji co oznacza, że po podgrzaniu magnesu będzie on miał praktycznie takie same użytkowe własności, natomiast trzeba pamiętać, że maksymalna temperatura pracy to około 200*C. Tak jak w przypadku magnesów alnico można wykorzystać wysoką indukcję remanencji. Należy umieścić magnes w niedomkniętym obwodzie magnetycznym i magnesując go w takim układzie uzyskamy podwyższenie punktu pracy Jd. Albo można wyprodukować bardzo wysoki pręt, który ze względu na swoje proporcje będzie miał korzystny współczynnik odmagnesowania i punkt pracy tez ustali się bardzo blisko remanencji. Są więc one bardzo specyficznymi magnesami i znajdą swoje zastosowanie do bardzo specjalnych, celowanych zastosowań, ale nie będą niestety powszechnie używanymi magnesami.

Do materiałów magnetycznych stosowane są różnego rodzaju osnowy w celu wytworzenia magnesu o specyficznych funkcjach użytkowania, czy też poprawy ich wyglądu.

Ze względu na stosowane spoiwa możemy mówić o magnesach zawierających dodatkowo:

polimery (magnesy powstające w prosty sposób na wtryskarce z wykorzystaniem różnych tworzyw sztucznych z dodatkiem np. proszku ferrytowego)
gumę (taśmy magnetyczne, folie magnetyczne, kiedy to proszek ferrytowy dodaje się np. do gumy powstałej z odzysku opon samochodowych), a następnie wulkanizuje
kompozyty (tzw. wiązane magnesy neodymowe, które są z reguły magnesami izotropowymi, produkuje się stosując jako spoiwo różne żywice)
nie zawierające żadnego spoiwa

Ze względu na technologię wytwarzania możemy mówić o magnesach:

spiekanych (neodymowe, ferrytowe, alnico, z azotku żelaza)
odlewanych (alnico, oraz inne technologie nierozpowszechnione, ale istniejące w laboratoriach)
wtryskiwanych (tutaj wykorzystuje się nie tylko proszek ferrytowy, ale i związki neodymu lub samaro-kobaltu dodając je do tworzywa sztucznego)
kalandrowanych (kalandrowanie dotyczy głównie folii i taśm magnetycznych, zazwyczaj wykonywanych z dodatkiem proszku ferrytowego)
drukowanych (wykorzystanie drukarek 3D do drukowania kompozytów z materiałów magnetycznych i tworzyw sztucznych)

1.2.2 Magnesy stałe wytworzone z materiałów magnetycznie miękkich

Najczęściej stosowanymi materiałami miękkimi magnetycznie są stopy żelaza z krzemem, niklem oraz kobaltem. Magnesy takie mają zdolność do namagnesowywania się, tak jak w przypadku materiałów magnetycznie twardych jednak ich pętla histerezy jest bardzo wąska i o niskiej wartości koercji (wartość zewnętrznego pola magnetycznego). Oznacza to, że magnesy takie bardzo łatwo daje się namagnesować, jak i niestety bardzo, bardzo łatwo rozmagnesować.

Stąd magnesy stałe wytworzone z materiałów magnetycznie miękkich znalazły szerokie zastosowanie w elektromagnesach.

1.2.3 Elektromagnesy

Elektromagnes to urządzenie, które wytwarza pole magnetyczne dzięki przepływającemu przez nie prądowi (rys.6).

Rys. 6 Schemat elektromagnesu. 1- rdzeń ferromagnetyczny; 2- cewka; 3 – zasilanie.
Źródło: materiały własne Enes

Elektromagnes najczęściej zbudowany jest z cewki, czyli zwojnicy (2) oraz rdzenia (1). Dla podtrzymania pola magnetycznego konieczny jest ciągły przepływ prądu- zasilanie (3). Z chwilą odcięcia jego dopływu pole magnetyczne zanika. Sterując natężeniem prądu elektrycznego, możemy zmieniać siłę pola magnetycznego. Siła elektromagnesu zależy od liczby zwojów na cewce, natężenia prądu elektrycznego, obecności lub braku rdzenia z materiału magnetycznego miękkiego. Urządzenia takie znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle elektrycznym, samochodowym w zamkach czy głośnikach, a nawet w przemyśle medycznym (rezonans magnetyczny). Elektromagnesy są używane w wielu sprzętach gospodarstwa domowego np. w żelazku, pralce czy lodówce.

1.3 Podział magnesów ze względu na rodzaj wytwarzanego pola magnetycznego

Na koniec należy dodać, że elektromagnesy, ale także magnesy stałe mogą być źródłem stałego, jak i zmiennego pola magnetycznego. W przypadku elektromagnesów sprawa wygląda prosto, gdyż zmienne pole elektryczne prowadzi do powstania zmiennego pola magnetycznego i proces się powtarza. By taka fala elektromagnetyczna mogła powstać potrzeba zmiennego w czasie pola magnetycznego (lub elektrycznego). Wspomniany już wcześniej magnetar dzięki dużym prędkościom obrotowym też będzie emitował zmienne pole magnetyczne. Nawet gdy zaczniemy obracać zwykły magnes, zamieniając miejscami bieguny magnetyczne, spowodujemy, że będzie źródłem zmiennego pola magnetycznego.

Też elektromagnesy, a nie tylko magnesy stałe mogą wytwarzać stałe pole magnetyczne, co ma miejsce m.in. przy wspomnianym już wyżej rezonansie magnetycznym.

Autor: Paweł Zientek, Wojciech Lisowski, Enes