Μαγνήτες - Μαγνητισμός

Φυσικοί μαγνήτες - μαγνητίτης … και άλλοι μαγνήτες

Magnetite_with_iron_shavings.jpg

Ο μαγνητίτης είναι ορυκτό του σιδήρου. Από χημική άποψη είναι επιτεταρτοξείδιο του σιδήρου (Fe3O4). Το ορυκτό αυτό περιέχει περίπου 72,4% σίδηρο (Fe) και 27,6% οξυγόνο, (O), γνωστό και ως «μαγνήτις λίθος», λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του, οι οποίες εξ αυτού ονομάζονται μαγνητικές.

Κατά μία εκδοχή, το όνομα μαγνητίτης προέρχεται πιθανά από την αρχαία Μαγνησία, στη Μικρά Ασία, όπου και εντοπίστηκε κατά την αρχαιότητα. Κατά τον Πλίνιο, το όνομα προήλθε από τον βοσκό Μάγνητα που, κατά τα μυθολογούμενα, καθώς έβοσκε τα πρόβατά του ανακάλυψε πρώτος το ορυκτό που ασκούσε έντονη έλξη της άκρης της μεταλλικής ράβδου του, ή (το περισσότερο πιθανό) διαπίστωσε ότι μεγάλη ποσότητα άμμου παρέμενε προσκολλημένη σ΄ αυτή. Ο Πλίνιος ο πρεσβύτερος (23–79 μ.Χ.) ήταν Ρωμαίος αριστοκράτης, επιστήμονας και ιστορικός, συγγραφέας του έργου «Φυσική Ιστορία» (Naturalis Historia).

Κυριότερες χώρες όπου απαντώνται μεγάλα κοιτάσματα μαγνητίτη είναι οι Σκανδιναβικές, (και ιδιαίτερα η Σουηδία, στην περιοχή Kiruna), οι ΗΠΑ και ο Καναδάς. Στην Ελλάδα το μεγαλύτερο κοίτασμα μαγνητίτη υφίσταται στη Σέριφο, στα Χάλαρα. Επίσης στη Τήνο, στην Ερμιόνη, στη Σκύρο και στο Πήλιο. Σημειώνεται επίσης ότι ο μαγνητίτης είναι ένα από τα κύρια συστατικά της σμύριδας Νάξου ή Ναξίας σμύριδας.

Ο Αριστοτέλης αποδίδει την πρώτη επιστημονική θεωρία του μαγνητισμού στον Θαλή, ο οποίος έζησε περίπου το 625 π.Χ. με περίπου 545 π.Χ. Στην Κίνα, η πρώτη καταγεγραμμένη αναφορά στον μαγνητισμό βρίσκεται σε ένα βιβλίο του 4ου αιώνα π.Χ. που ονομάζεται Βιβλίο του Άρχοντα της Κοιλάδας των Δαιμόνων (鬼谷子): "Ο μαγνητίτης κάνει τον σίδηρο να πλησιάζει ή αυτός έλκει αυτόν". Η παλαιότερη αναφορά στην έλξη μιας βελόνας εμφανίζεται σε ένα έργο που έχει γραφτεί μεταξύ του 20 και 100 μ.Χ. (Louen-heng): "Ο μαγνητίτης έλκει τη βελόνα." Ο αρχαίος Κινέζος επιστήμονας Shen Kuo (1031-1095) ήταν ο πρώτος που έγραψε για την πυξίδα με μαγνητική βελόνα και βελτίωσε την ακρίβεια της ναυσιπλοΐας χρησιμοποιώντας την αστρονομική θεωρία του πραγματικού Βορρά (Dream Pool Essays, 1088 μ.Χ.), και ήταν γνωστό μέχρι τον 12ο αιώνα ότι οι Κινέζοι γνώριζαν να χρησιμοποιούν την πυξίδα μαγνητίτη στην ναυσιπλοΐα. Ο Alexander Neckham, το 1187, ήταν ο πρώτος στην Ευρώπη που περιέγραψε την πυξίδα και την χρήση της στη ναυσιπλοΐα. O William Gilbert (1544-1603) έγραψε το περίφημο βιβλίο του De Mengete, το οποίο επεξεργαζόταν για 20 χρόνια και τελικά εκδόθηκε στα 1600. Ήταν μια σπουδαία μελέτη για το μαγνητισμό, αλλά και μια πρώτη συστηματική διάκριση ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.

magnets.jpg

Μόνιμοι και προσωρινοί μαγνήτες

Ένας μόνιμος μαγνήτης διατηρεί τις μαγνητικές του ιδιότητες χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ενώ ένας προσωρινός μαγνήτης έχεις μαγνητικές ιδιότητες μόνο μέσα σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ο μαγνητισμός στο ατσάλι έχει ως αποτέλεσμα ένα μόνιμο μαγνήτη ενώ ο σίδηρος χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες μόλις αποσύρουμε το μαγνητικό πεδίο. Γι' αυτό το λόγο ένας προσωρινός μαγνήτης όπως ο σίδηρος είναι χρήσιμος για τη δημιουργία ηλεκτρομαγνήτη. Μαγνήτες δημιουργούνται με το τρίψιμο πάνω σε έναν άλλον μαγνήτη, με την κρούση του υλικού μέσα σε μαγνητικό πεδίο ή με την εισαγωγή τους μέσα σε σωληνοειδές στο οποίο παρέχουμε συνεχές ρεύμα. Ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να απομαγνητιστεί αν τον υποβάλλουμε σε θέρμανση ή κρούση ή με την εισαγωγή του σε σωληνοειδές στο οποίο παρέχουμε εναλλασσόμενο ρεύμα μειούμενης έντασης.

Μαγνητικά μεταλλικά υλικά

Πολλά υλικά έχουν ηλεκτρονιακά σπιν χωρίς το αντίθετο ζεύγος και η πλειονότητα αυτών των υλικών είναι παραμαγνητικά. Όταν τα σπιν αλληλεπιδρούν με τέτοιο τρόπο ώστε να γυρίζουν με την ίδια φορά τα υλικά ονομάζονται σιδηρομαγνητικά (αυτό που συνήθως ονομάζουμε μαγνητικά). Εξ αιτίας του τρόπου που η κανονική κρυσταλλική ατομική δομή τους προκαλεί τα σπιν τους να αλληλεπιδρούν, μερικά μέταλλα είναι (σιδηρο)μαγνητικά σε φυσική κατάσταση, ως μεταλλεύματα. Αυτά περιλαμβάνουν μεταλλεύματα σιδήρου, όπως ο μαγνητίτης, κοβαλτίου και νικελίου, όπως και οι σπάνιες γαίες γαδολίνιο και δυσπρόσιο (όταν βρίσκονται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία). Αυτά τα (σίδηρο)μαγνητικά υλικά που βρίσκονται στη φύση χρησιμοποιήθηκαν στα πρώτα πειράματα για τον μαγνητισμό. Από τότε η τεχνολογία επεκτάθηκε όσον αφορά τη διαθεσιμότητα των μαγνητικών υλικών και περιέλαβε διάφορα τεχνητά προϊόντα, με βάση, όμως, όλα φυσικά μαγνητικά υλικά.

sfer_mag.jpg

Φερρίτης

Οι μαγνήτες φερρίτη κατασκευάζονται από ένα ιζηματογενές σύνθετο από οξείδιο του σιδήρου σε σκόνη και ανθρακικό βάριο/στρόντιο. Λόγω του χαμηλού κόστους των υλικών και των διαδικασιών παραγωγής, φθηνοί μαγνήτες (ή μη μαγνητισμένοι σιδηρομαγνητικοί πυρήνες, που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως κεραίες για παράδειγμα) διαφόρων σχημάτων μπορούν εύκολα να παραχθούν μαζικά. Το αποτέλεσμα είναι μαγνήτες που δε διαβρώνονται, αλλά είναι εύθραυστοι και χρήζουν ίδιας προσοχής με τα άλλα κεραμικά υλικά.

Alnico

Μαγνήτες alnico κατασκευάζονται με ημίτηξη ή τήκοντας και σταθεροποιώντας ένα μείγμα από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο με σίδηρο και μικρές ποσότητες από άλλα στοιχεία που προσθέτονται για να ενισχύσουν τις ιδιότητες του μαγνήτη. Αυτή η διαδικασία παρέχει υψηλής ποιότητας μηχανικά χαρακτηριστικά, ενώ η ημίτηξη έχει ως αποτέλεσμα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία και επιτρέπει στον σχεδιαστή τη δημιουργία διαφορετικών σχημάτων. Οι μαγνήτες alnico αντιστέκονται στη διάβρωση και έχουν φυσικές ιδιότητες που τους κάνουν πιο ανθεκτικούς απ' τον φερρίτη, αλλά όχι τόσο επιθυμητές όσο ένα μέταλλο.

Διαμορφωμένοι με εμψεκασμό

Οι μαγνήτες διαμορφωμένοι με εμψεκασμό είναι ένα σύνθετο από διάφορους τύπους από ρητίνη και μαγνητικές σκόνες, που επιτρέπουν μέρη από σύνθετα σχήματα να κατασκευάζονται με διαμόρφωση εμψεκασμού. Οι φυσικές και μαγνητικές ιδιότητες του προϊόντος εξαρτώνται απ' τις πρώτες ύλες, αλλά είναι γενικά μικρότερης μαγνητικής δύναμης και μοιάζουν στο πλαστικό όσον αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες.

Εύκαμπτοι

Οι εύκαμπτοι μαγνήτες είναι παρόμοιοι με τους μαγνήτες διαμορφωμένους με εμψεκασμός, χρησιμοποιώντας εύκαμπτη ρητίνη ή συνδετικό υλικό όπως είναι το βινύλιο, και παράγονται σε επίπεδες λωρίδες ή φύλλα. Αυτοί οι μαγνήτες είναι χαμηλής μαγνητικής ικανότητας αλλά μπορούν να είναι πολύ εύκαμπτη, ανάλογα με το συνδετικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε.

Μαγνήτες σπάνιων μεταλλικών γαιών

Οι 'μεταλλικές γαίες' (λανθανίδες) έχουν μερικώς κατειλημμένη την f ηλεκτρονιακή στοιβάδα (η οποία μπορεί να έχει έως και 14 ηλεκτρόνια.) Το σπιν αυτών των ηλεκτρονίων μπορεί να ευθυγραμμιστεί σε φορά, έχοντας ως αποτέλεσμα πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία και γι' αυτό αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε μικρούς σε μέγεθος αλλά πολύ ισχυρούς μαγνήτες όπου το υψηλό τους κόστος δεν αποτελεί πρόβλημα για την αγορά τους.

Σαμάριου-κοβαλτίου

Οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί στην οξείδωση, με υψηλή μαγνητική ικανότητα και μεγαλύτερη αντοχή στην θερμοκρασία από τους αντίστοιχους alnico μαγνήτες ή μαγνήτες κεραμικών υλικών. Ημιτετηγμένοι μαγνήτες σαμαρίου - κοβαλτίου είναι εύθραυστοι και επιρρεπείς σε ραγίσματα και σπασίματα και μπορεί να σπάσουν αν υποβληθούν σε απότομη μεταβολή της θερμοκρασίας.

magnites8.gif

Νεοδυμιο-σιδηρο-βορίου (NIB)

Οι μαγνήτες νεοδυμίου, που συνήθως ονομάζονται μαγνήτες νεοδυμιο-σιδηρο-βορίου (NdFeB), έχουν τη μέγιστη ένταση μαγνητικού πεδίου, αλλά υπολείπονται σε σχέση με τους μαγνήτες σαμαρίου - κοβαλτίου στην ανθεκτικότητα στην οξείδωση και τη θερμοκρασία. Αυτός ο τύπος μαγνήτη ήταν πάντα ακριβός, εξ αιτίας τόσο του κόστους των πρώτων υλών όσο και στην έκδοση των δικαιωμάτων (πατέντες). Το υψηλό κόστος περιόρισε την χρήση τους σε εφαρμογές όπου τέτοιες δυνάμεις μαγνητικού πεδίου από ένα μαγνήτη είναι βαρύνουσας σημασίας. Η χρήση επιφανειών προστασίας από υλικά όπως χρυσός, νικέλιο, ψευδάργυρος, φύλλα λευκοσίδηρου και επίστρωμα εποξειδικής ρητίνης μπορούν να παρέχουν προστασία από τη διάβρωση όπου απαιτείται. Με αρχή τη δεκαετία του 1980-1990, οι μαγνήτες NIB γίνονται όλοι και λιγότερο ακριβοί και πιο δημοφιλείς σε εφαρμογές όπως σε κάποια αμφιλεγόμενα παιδικά μαγνητικά παιχνίδια κατασκευών. Ακόμη και μικροσκοπικοί μαγνήτες νεοδυμίου είναι πολύ ισχυροί, υπάρχουν, όμως αντιθέσεις απόψεων σχετικά με την χρήση τους.

Ηλεκτρομαγνήτες

Οι ηλεκτρομαγνήτες είναι χρήσιμοι σε περιπτώσεις όπου ένας μαγνήτης πρέπει να τεθεί σε λειτουργία με βοήθεια διακόπτη, για παράδειγμα μεγάλοι γερανοί που χρησιμοποιούνται για να ανυψώσουν κατεστραμμένα αυτοκίνητα.

Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται ενός καλωδίου, το πεδίο που παράγεται έχει ένταση που καθορίζεται απ' τον "κανόνα του δεξιού χεριού". Χρησιμοποιώντας το δεξί χέρι, ο αντίχειρας δείχνει στο καλώδιο σε κατεύθυνση από την θετικό προς την αρνητικό πόλο ("συμβατικό ρεύμα", η αντίστροφη κατεύθυνση της πραγματικής κίνησης των ηλεκτρονίων), τότε η ένταση του μαγνητικού πεδίου θα έχει την φορά των δαχτύλων του δεξιού χεριού. Αν τυλίξουμε το καλώδιο σε έναν κυκλικό τμήμα ή σε σπείρες τότε το ρεύμα θα κινείται σε κυκλική τροχιά και τότε όλες οι μαγνητικές γραμμές στο κέντρο του πεδίου θα έχουν την ίδια κατεύθυνση, έχοντας ως αποτέλεσμα ένα μαγνητικό δίπολο η ένταση του οποίου εξαρτάται απ' το ρεύμα που διατρέχει το κυκλικό τμήμα ή στην σπείρα(σε αυτήν την περίπτωση η ένταση θα είναι ανάλογη του αριθμού των σπειρών). Έτσι χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού χεριού για τον κυκλικό τομέα ή για μια σπείρα, όταν τα δάχτυλα τυλίγονται γύρω απ' τον κύκλο με τη φορά του συμβατικού ρεύματος (δηλ. απ' το θετικό στο αρνητικό, αντίθετα απ' την πραγματική κίνηση των ηλεκτρονίων), ο αντίχειρας θα δείχνει στην κατεύθυνση που αντιστοιχεί στο βόρειο πόλο απ' αυτό το δίπολο.

Δείτε παρακάτω ένα βιντεάκι για την κατασκευή ενός απλού ηλεκτρομαγνήτη

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 License