מגנטיםיוצרים שדות כוח בלתי נראים המושכים מתכות, כולל ברזל, ניקל וקובלט. חום משפיע על יעילות הפעולה של מגנטים. כאשר מתחמם, המגנטים הופכים חלשים יותר. בחום גבוה באמת, הם מפסיקים להיות מגנטיים. הבנת השפעת הטמפרטורה חשובה.
הידיעה כיצד חום משפיע על מגנטים מאפשרת לנו להנדס מכשירים ומערכות הפועלות בצורה מהימנה על פני טמפרטורות הפעלה שונות.
מאמר זה יהיה prראה סקירה כללית של מגנטיות והסביר כיצד הטמפרטורה משפיעה על מגנטים קבועים ואלקטרומגנטים. נדון גם בטמפרטורת Curie ויישומים שבהם השפעות הטמפרטורה על מגנטים הן גורם עיצובי חיוני.
מה גורם למגנטים לעבוד?
מגנטים פועלים בגלל חלקיקים זעירים בפנים הנקראים אלקטרונים. אלקטרונים פועלים כמו מגנטים זעירים מסתובבים. ברוב הדברים, אלקטרונים מסתובבים לכל כיוון באקראי. אבל בחומרי מגנט, ספינים של האלקטרון מסתדרים.
הספינים המיושרים יוצרים שדה מגנטי כולל עם שני קצוות - הקוטב הצפוני והדרומי. קטבים מנוגדים מושכים זה את זה, כמו צפון ודרום. אבל אותם קטבים דוחים לשני צפונות.
כמה חזק מגנט תלוי ממה הוא עשוי. חומרים מסוימים שומרים על סיבובי האלקטרונים שלהם בשורה טובה יותר מאחרים. היכולת הזו להתנגד לסיבובים שמתערבבים נקראת שמירה על שמירה. יכולת שמירה גבוהה יותר הופכת מגנט חזק יותר. היישור המסודר של מיליוני אלקטרונים מסתובבים יחד מאפשר למגנטים להיצמד למתכות!
מגנטים קבועים לעומת אלקטרומגנטים
קיימים שני סוגים של מגנטים, כולל קבוע ואלקטרומגנטי. מגנטים קבועים שומרים על המגנטיות שלהם. הם עשויים מברזל, ניקל, קובלט ומתכות נדירות. הספינים האטומיים בחומרים אלו מתיישרים באופן ספונטני.
אלקטרומגנטים מיוצרים על ידי הזרמת זרם חשמלי דרך סליל תיל סביב ליבת ברזל. השדה המגנטי נוצר על ידי הזרם בחוט. כאשר הזרם נפסק, אלקטרומגנט מאבד את המגנטיות שלו.
מגנטים קבועים ואלקטרומגנטים מושפעים באופן שונה מטמפרטורה. בואו נסתכל על כל אחד:
כיצד הטמפרטורה משפיעה על מגנטים קבועים
מגנטים קבועים פועלים רק בטווח טמפרטורות מסוים. אם מגנט קבוע מתחמם מעל טמפרטורה מסוימת, הנקראת נקודת קירי, הוא יאבד את המגנטיות שלו.
בנקודת הקורי, הסיבובים הזעירים בתוך חומר המגנט מתחילים להצביע לכיוונים אקראיים במקום להסתדר. זה גורם למגנט הקבוע להפסיק להיות מגנטי.
טמפרטורות קירי של חומרי מגנט נפוצים
חוֹמֶר | טמפרטורת קירי |
בַּרזֶל | 770 מעלות |
ניקל | 358 מעלות |
קובלט | 1121 מעלות |
ניאודימיום | תואר 310-400 |
חימום מגנט קבוע מעל נקודת קירי הופך אותו ללא מגנטי לחלוטין. מעל לנקודה זו, הספינים האטומיים היוצרים מגנטיות מופרעים. זה גורם למגנטים קבועים של ברזל, ניקל או קובלט לאבד את כל ההתנהגות המגנטית.
בדרך כלל, דה-מגנטיזציה מלאה זו אינה ניתנת לביטול במגנטים מסורתיים. יש למגנט מחדש את המגנט באמצעות חשיפה לשדה מגנטי חזק אחר.
עם זאת, כמה מגנטים נדירים של אדמה נדירים של ניאודימיום או קובלט סמריום יכולים להחזיר את המגנטיות שלהם לאחר חימום מעבר לנקודת הקורי שלהם. אבל חימום והתקררות חוזרים ונשנים באמצעות שימוש יומיומי עדיין יכולים להפחית לאט לאט את המגנטיות טיפין טיפין לאורך זמן.
תחת טמפרטורת קירי, מגנט קבוע יאבד בהדרגה את כוחו כאשר הוא מתחמם. יותר חום נותן לאטום מסתובב יותר אנרגיית רטט. הפרעה זו של הספינים המיושרים הופכת את השדה המגנטי לנחלש בהתמדה.
למרבה המזל, אובדן הדרגתי זה של מגנטיות עם עליית הטמפרטורה הוא הפיך. כאשר המגנט הקבוע מתקרר, הספינים האטומיים מיושרים מחדש, וחוזר מגנטי מלא חוזר. אפילו שינויי טמפרטורה קטנים של כמה מעלות יכולים לשנות באופן ניכר את עוצמת השדה המגנטי.
לסיכום, מגנטים קבועים פועלים בצורה הטובה ביותר בטווח טמפרטורות אופטימלי מוגבל. יותר מדי חום מבטל אותם לחלוטין או חלקי. טמפרטורות נמוכות יותר משפרות את חוזק השדה המגנטי.
מהנדסים לוקחים בחשבון את ההשפעות התרמיות הללו בעת תכנון מכשירים המשתמשים במגנטים קבועים. בקרת טמפרטורה קפדנית מבטיחה שהמגנטים פועלים בביצועים מגנטיים שיא.
כיצד הטמפרטורה משפיעה על אלקטרומגנטים
אלקטרומגנטים שונים ממגנטים קבועים. המגנטיות שלהם מגיעה מחשמל שנע דרך סליל תיל. שינוי החשמל הופך את השדה המגנטי לחזק או חלש יותר.
חום משפיע על אלקטרומגנטים בכך שהוא מקשה על החוט לזרום דרכו של חשמל. כשהחוט מתחמם, החשמל רוטט יותר בתוכו. זה מאתגר עבור החשמל לנוע בצורה חלקה בכיוון אחד.
כאשר החשמל לא זורם בקלות, פחות יכול לעבור דרך החוט. אז, אלקטרומגנט נחלש כשהוא חם בהשוואה לקר.
אבל טמפרטורות חמות וקרות ממוצעות לא משפיעות יותר מדי על האלקטרומגנטים. זרימת החשמל יורדת רק במעט, אלא אם כן החוט מתחמם יתר על המידה. השדה המגנטי נחלש מעט, לא נעלם לחלוטין.
קירור רב של אלקטרומגנט גורם לחשמל לזרום בקלות. דוגמה לכך היא שימוש בחנקן נוזלי, שהוא -196 מעלות ! זה מאפשר שדות מגנטיים חזקים עם פחות חשמל. אלקטרומגנטים מגניבים יכולים ליצור שדות פי 100,000 משדה כדור הארץ!
לסיכום, אלקטרומגנטים נחלשים כאשר הם חמים מכיוון שהחוט מתנגד יותר לחשמל. טמפרטורות קרות מאוד משפרות את זרימת החשמל ומחזקות את השדה המגנטי. אבל חום אינו מסיר את המגנטיות של אלקטרומגנט כמו במגנטים קבועים.
דוגמאות להשפעות טמפרטורה על מגנטים
כדי לראות כיצד הטמפרטורה משפיעה על מגנטים, בואו נסתכל על כמה דוגמאות מהעולם האמיתי:
● מגנטים למקרר משתמשים במגנטים קבועים העשויים מפריט או ניאודימיום. הם נחלשים בצורה ניכרת כאשר הם חמים אך מקבלים בחזרה מגנטיות מלאה כאשר מתקררים שוב. השארתם בחום כמו תנור עלולה לבטל אותם לאט לאורך זמן.
● מכשירי MRI משתמשים באלקטרומגנטים מוליכי-על חזקים מאוד שמקוררים על-ידי הליום נוזלי. הקירור מאפשר להם ליצור 3 שדות מגנטיים חזקים של טסלה הדרושים לסריקות גוף מפורטות.
● אלקטרומגנטים גדולים המשמשים להרמת מכוניות במגרשי גרוטאות נקראים מגנטים מנוף. הם מרימים משאות כבדים באמצעות כוח מגנטי. בימים חמים, המגנט לא יכול להרים את משקלו המקסימלי בגלל החום, מה שמחליש אותו. קירור סליל האלקטרומגנט מאפשר הרמה של חפצים כבדים יותר.
● מגנטים ניאודימיום זעירים במנועים קטנים מאבדים מומנט ונעשים פחות יעילים אם המנוע מתחמם יתר על המידה. טמפרטורות גבוהות מבטלות את המגנטים הקבועים ברוטור המסתובב. זה מחליש את השדה המגנטי המסתובב שגורם למנוע לעבוד.
● סרטים מגנטיים וכוננים קשיחים משתמשים בחלקיקי ברזל זעירים לאחסון נתונים. יותר מדי חום מערבב את החלקיקים המגנטיים, ומוחק את הנתונים. אז לאחסון מגנטי יש טמפרטורה מקסימלית שהוא יכול לעבוד בה לפני אובדן נתונים.
דוגמאות אלו מדגימות כיצד בקרת וניהול טמפרטורה חיוניים בעבודה עם מגנטים. מגנטים קבועים דורשים קירור כדי לשמר תכונות מגנטיות. יחד עם זאת, אלקטרומגנטים חייבים להימנע מחימום יתר, להגביר את התנגדות החוטים ולהפחית את חוזק השדה.
השפעת טמפרטורות נמוכות על מגנטים
ראינו טמפרטורות גבוהות מפחיתות את חוזק המגנט. מה לגבי טמפרטורות קפואות?
כפי שהוזכר קודם, הפחתת האנרגיה התרמית עוזרת לייצב את היישור של ספינים אטומיים במגנטים קבועים. אז, מגנטים קבועים הופכים אפילו יותר חזקים בטמפרטורות קריוגניות.
קירור מגנטים ניאודימיום עם חנקן נוזלי ל--196 מעלות יכול להגביר את כוח המשיכה ב-2-5x בהשוואה לטמפרטורת החדר. מצב היפר-מגנטי זה מאפשר יישומים חדשים כמו רכבות מגלב.
אלקטרומגנטים נהנים גם מטמפ' נמוכות בשל ההתנגדות החשמלית האפסית של החוטים (מוליכות-על). כתוצאה מכך נוצרים שדות מגנטיים עצומים מסלילים קטנים.
אלקטרומגנטים של MRI ומחקר מדעי מקוררים על ידי הליום נוזלי כדי לנצל את הפוטנציאל של מוליכים כמו ניוביום-פח. הפעולה בטמפרטורה נמוכה מאפשרת יצירה קלה יותר של שדות מגנטיים בעלי חוזק גבוה.
לכן, בעוד שחום מחליש מגנטים, טמפרטורות קרות משפרות את ביצועי המגנטים. ניתן לשפר גם מגנטים קבועים וגם אלקטרומגנטים על ידי הפחתת תנועה תרמית ברמה מולקולרית.
כיצד משפיעה הטמפרטורה על מבנה המגנטים?
אבני הבניין הזעירות המרכיבות חומרים מגנטיים משתנות בעת חימום או קירור. זה משפיע על כמה הם מגנטיים. הבה נבחן כיצד הטמפרטורה משנה את סריג הגביש והתחומים המגנטיים של סוגי המגנטים.
למגנטים קבועים יש אזורים זעירים הנקראים תחומים. כל תחום הוא כמו מגנט קטן עם ספינים מיושרים. אבל תחומים שכנים מצביעים בדרכים אקראיות. חימום מערבב את מבנה התחום המסודר, מה שהופך את המגנט לחלש יותר. קירור מסדר את התחומים בצורה מסודרת, מחזק את המגנטיות הכוללת.
לחומרים שונים יש מבני סריג קריסטל שונים. זה המרווח והסדר של האטומים. לברזל יש מבנה אחד, ולקובלט יש מבנה אחר. יישור התחום הטוב ביותר תלוי במרווח האטומי ובמצבי האנרגיה הספציפיים של כל סריג גביש.
אלקטרומגנטים הם חוטים מפותלים ללולאות ולא לחומר מוצק. אבל לעתים קרובות יש להם ליבות ברזל או פלדה גבישיות. חימום גורם לאטומים לרטוט ולהתפשט. זה משבש את יישור התחום בליבה, ומפחית את המגנטיות. שמירה על קור של אלקטרומגנטים שומרת על מבנה תחום טוב.
בסך הכל, הסידור האטומי הבלתי נראה מסביר מדוע המגנטיות משתנה עם הטמפרטורה. הפרעות חימום פוגעות במבנה הזעיר. הקירור מביא לסדר ויציבות מסודרים. הבנת המאפיינים הננומטריים הללו חיונית להנדסת מגנטים לטמפרטורות גבוהות או נמוכות.
בחירת חומר המגנט הנכון
מגנטים קבועים עשויים מברזל, ניקל, קובלט ותערובות מתכות נדירות יוצאות דופן. מהנדסים בוחרים את החומר על סמך טווח הטמפרטורות, החוזק והעלות.
למגנטים של אלניקו יש ברזל, אלומיניום, ניקל וקובלט. הם עובדים עד 600 מעלות, אבל עוצמת השדה המגנטי שלהם בינונית, בסביבות 0.5-1.3T.
מגנטים קרמיים או פריט משתמשים בבריום וסטרונציום פריטים. הם בעלות נמוכה אך יש להם חוזק שדה זעום מתחת ל-0.4T.
מגנטים מקובלט של Samarium יכולים ליצור שדות בעלי חוזק גבוה עד 1.1T ולעבוד עד 350 מעלות אך הם יקרים.
למגנטים של ברזל-נאודימיום-בורון יש את הביצועים הכוללים הטובים ביותר. יש להם שדות חזקים עד 1.4T ועובדים עד 230 מעלות.
מאפיינים מגנטיים של מגנטים קבועים נפוצים
חוֹמֶר | טמפרטורת פעולה מקסימלית | כוח שדה מגנטי | עֲלוּת |
אלניקו | 600 מעלות | 0.5-1.3 T | נָמוּך |
פֵרִיט | 180 מעלות | <0.4 T | מאוד נמוך |
סמריום קובלט | 350 מעלות | עד 1.1 T | גָבוֹהַ |
ניאודימיום ברזל בורון | 230 מעלות | עד 1.4 T | לְמַתֵן |
עבור אלקטרומגנטים, סלילי נחושת ממקסמים את המוליכות וניתן לקרר אותם כדי להגביר את השדה. ליבות ברזל מרכזות את השדה המגנטי. ברזל מצופה ניקל גם עמיד בפני קורוזיה.
קובלט ניאודימיום או סמריום עובד הכי טוב עבור השדות החזקים ביותר למרות העלות. טווח הטמפרטורות שהמגנט חייב לעבוד בו קובע את החומר הטוב ביותר.
ניסויים מהנים עם מגנטים
תוכלו לנסות ניסויים מדעיים מרגשים בבית באמצעות מגנטים וחומרים שונים.
מגנטים צוננים:
אתה יכול לראות איך טמפרטורות קרות מחזקות את המגנטים עם ניסוי מהנה. קח מגנט למקרר והצמד אותו למקרר שלך. השאירו את המגנט על המקרר לכמה שעות. לאחר מכן, השתמש בו כדי להרים מהדקי נייר או מתכות מגנטיות אחרות.
האם המגנט מרגיש כאילו הוא מושך חזק יותר את חפצי המתכת כשהוא קר? הטמפרטורה הנמוכה יותר במקרר הופכת את המגנט לחזק יותר באופן זמני. אבל חיזוק זה בחוזק מגנטי לא יימשך לנצח.
לאחר שהמגנט מתחמם לטמפרטורת החדר מחוץ למקרר, המגנטיות שלו תחזור לקדמותה. זה מגניב איך כמה מעלות של שינוי טמפרטורה יכולים להשפיע על השדה המגנטי הבלתי נראה!
מגנטים אפויים:
הנה ניסוי שמראה שהחום הופך את המגנטים לחלשים יותר. קח כמה מגנטים ואפו אותם בתנור בטמפרטורה נמוכה של 150 מעלות F (65 מעלות) למשך 10-20 דקות. לאחר האפייה, הסר את המגנטים ובדקו את כוח המשיכה שלהם.
נסה להרים מהדקי נייר או מסמרים קטנים. כדאי לשים לב שהחום גרם למגנטים להיות פחות חזקים. האפייה הפחיתה את המשיכה המגנטית שלהם בתנור החם. זה מראה שאפילו חום מתון יכול לשבש את השדות המגנטיים הבלתי נראים של מגנטים קבועים.
משיכה מגנטית:
קח שני מגנטים חזקים. הדביקו מגנט אחד על שקית קרח כדי שיהיה קר מאוד. הדביקו את המגנט השני למארז מחמם ידיים, כך שהוא יתחמם. כעת, נסה להביא לאט את שני המגנטים אחד כלפי השני.
שימו לב עד כמה חזק הקטבים המנוגדים מושכים ונצמדים זה לזה. תבחין שהרבה יותר קשה למגנט החם למשוך את המגנט הקר.
למגנט הקר עדיין יש מגנטיות חזקה, אבל החום מחליש את המגנטיות במגנט החם. זה מדגים שטמפרטורה גבוהה יותר מפחיתה את הכוחות המגנטיים הבלתי נראים בין מגנטים. די מסודר!
מגנטים מותכים:
בעזרת מבוגרים, אתה יכול להראות כיצד מגנטים מאבדים את המגנטיות שלהם כאשר הם מתחממים יותר מדי. השתמש בפלטות חמות או בתנורים בזהירות כדי לחמם מגנט מעל 770 מעלות (1418 מעלות F). זה גבוה יותר מטמפרטורת הקורי שלהם, שם הם מפסיקים להיות מגנטיים.
לאחר חימום המגנט כל כך הרבה, הוא לא אמור להידבק יותר לחפצי מתכת או לדחות מגנטים אחרים!
משחק עם מגנטים וטמפרטורות גבוהות יכול להיות מסוכן, אז בקש ממבוגר לעזור לפקח על דברים בבטחה. אבל זה מסודר לראות איך הטמפרטורה יכולה להסיר את הכוחות המגנטיים הבלתי נראים של מגנט. היזהר תמיד, וערוך ניסויים רק עם השגחת מבוגר נאותה.
סיכום
הטמפרטורה משפיעה מאוד על מגנטים. מגנטים קבועים כמו ברזל או ניאודימיום מאבדים כל מגנטיות מעל נקודת הקורי. טמפרטורה קרה יותר משפרת את חוזק השדה שלהם.
אלקטרומגנטים נחלשים בהדרגה כאשר הם חמים יותר בשל מוליכות חשמלית נמוכה יותר. אבל קור מגביר את האלקטרומגנטים המוליכים לשדות גבוהים מאוד. בקרת טמפרטורה זהירה היא חיונית. הרחקת מגנטים קבועים מחום קיצוני שומרת על מגנטיות.
קירור אלקטרומגנטים מאפשר שדות מגנטיים חזקים יותר. רתימת חם וקור פותחת יישומים מגנטיים חדשים במדע, רפואה והנדסה.
שאלות נפוצות לגבי איך הטמפרטורה משפיעה על מגנטים
איך אני יכול לדעת אם מגנט הושפע מהטמפרטורה?
בדוק את חוזק המגנט על ידי מדידת השדה המגנטי שלו או יכולתו להרים משקל ידוע. השווה את המפרטים כדי לקבוע כל אובדן של מגנטיות.
מהי טמפרטורת הקורי של מגנט?
טמפרטורת Curie היא הסף שבו חומר מאבד את התכונות המגנטיות הקבועות שלו עקב השפעות תרמיות.