Zmieniając ułożenie wewnętrznych domen magnetycznych magnesu, temperatura wpływa na jego siłę. Siła wzrasta w niskich temperaturach i maleje w wysokich. Pole magnetyczne słabnie, a domeny magnetyczne stają się niewspółosiowe w wyniku większego ruchu atomów magnesu po podgrzaniu.
Jednakże, stabilizując ułożenie tych domen, chłodzenie magnesu może zwiększyć jego siłę. Definicja temperatury Curie, jak ciepło może zmienić siłę magnetyczną i co dzieje się w najniższej temperaturze zostaną omówione w sekcji dotyczącej wpływu temperatury na magnesy.
Co to jest temperatura Curie?
Temperatura Curie (Tc) to punkt, w którym substancja magnetyczna traci wszystkie swoje właściwości magnetyczne.
Temperatura Curie, która określa maksymalną temperaturę, w której wyrównanie momentów magnetycznych może zostać zakłócone, jest miarą związku między magnetyzmem a temperaturą. Nazwę tej temperatury przypisuje się fizykowi Pierre'owi Curie.
Na przykład,
- Magnes neodymowy ma temperaturę około 310 stopni Celsjusza.
- Smażony magnes ma temperaturę około 450°C.
- Magnes samarowo-kobaltowy, około 750°C
- ~880°C dla magnesów Alnico
Magnes traci swoje właściwości, gdy osiągnie punkt Curie, a jego schłodzenie nie sprawi, że znów będzie silny.
Jak zimno wpływa na magnesy?
Ogólnie rzecz biorąc, niższe temperatury zwiększają siłę magnetyczną, ponieważ spowalniają ruch atomów, co pomaga przywrócić wyrównanie. Jednak magnesy mogą stać się kruche w ekstremalnych temperaturach, zazwyczaj gdy są wykonane z materiałów takich jak neodym.
Magnesy nadprzewodzące są często utrzymywane w temperaturach kriogenicznych w laboratoriach. W rzeczywistości większość magnesów jest nieco silniejsza i bardziej stabilna w niższych temperaturach; siła magnetyczna będzie stopniowo spadać, jeśli temperatura spadnie poniżej 125 stopni Celsjusza.
Gdy temperatura spada do 196 stopni Celsjusza, siła magnetyczna wzrasta do 85-90 procent.
Jak ciepło wpływa na magnesy?
Domeny magnetyczne, które są małymi sekcjami połączonych atomów, stają się niewspółosiowe, gdy temperatura wzrasta z powodu energii cieplnej. W rezultacie siła magnetyczna stopniowo maleje. Magnesy z trudem tracą swoje właściwości magnetyczne, jeśli temperatura zbytnio wzrośnie.
Proces ten przypomina nieco topnienie lodu pod wpływem ciepła. Po osiągnięciu pewnego punktu, trudno jest odwrócić zmianę. Ciepło powoduje, że cząsteczki wosku poruszają się szybciej i z większą energią kinetyczną, przez co stają się bardziej regularne.
Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki te zaczynają się rozsuwać, aż ich końce mają przeciwne ładunki i nie są już zwrócone do siebie w układzie klatkowym. Magnes może wznowić swoje pierwotne działanie po schłodzeniu, jeśli dostarczane do niego ciepło pozostaje poniżej jego maksymalnej temperatury roboczej.
Różne materiały magnetyczne różnie reagują z temperaturą
Różne magnesy wykazują różne zachowanie w różnych temperaturach i ciśnieniach. Wewnętrzna struktura krystaliczna i skład substancji determinują ich reakcję. Badamy reakcję najczęściej stosowanych materiałów magnetycznych na zmiany temperatury.
Alnico
Wiele urządzeń konsumenckich i przemysłowych zależy od magnesów trwałych Alnico. Magnesy Alnico są stosowane m.in. w magnesach krów, lampach o fali bieżącej, silnikach elektrycznych, przetwornikach gitar elektrycznych, mikrofonach, czujnikach i głośnikach.
Jednak magnesy ziem rzadkich są obecnie stosowane w wielu obiektach, ponieważ mogą wytwarzać wysokie BHmax i silne pole magnetyczne (Br), co umożliwia miniaturyzację obiektów.
SmCo
Dobrze znaną cechą magnesów samarowo-kobaltowych jest ich wyjątkowa stabilność termiczna. Nawet w temperaturach do 350°C nie słabną one znacząco.
NdFeB
Najsilniejszymi magnesami trwałymi na rynku są magnesy neodymowe. Są one jednak najbardziej wrażliwe na temperaturę. Zaawansowane typy (takie jak N42SH lub N52VH) może pracować w temperaturze do 230°C, ale stopnie tracą moc powyżej 80°C.
Nie nadają się one do pracy w ekstremalnie wysokich temperaturach, ponieważ ulegają nieodwracalnemu rozmagnesowaniu po przekroczeniu limitów.
Ferryt
Magnesy ferrytowe są niedrogie i powszechnie stosowane. Składają się z tlenku żelaza i baru lub strontu. Ich magnetyzm jest nieznacznie zmniejszony poniżej temperatur ujemnych.
Mimo to działają one dobrze w temperaturach do 250°C. Niemniej jednak, ponieważ oferują kompromis między kosztem a niezawodnością, są preferowane do zastosowań takich jak głośniki i magnesy do lodówek.
~0.11% Straty na °C (odwracalna poniżej maksymalnej temperatury roboczej)
Gdy temperatura robocza jest niższa od maksymalnej, magnesy zwykle tracą około 0,11% swojej siły na każdy stopień Celsjusza. Na szczęście uszkodzenie to jest odwracalne, więc magnes powraca do swojej pierwotnej siły po schłodzeniu.
Jednak część uszkodzeń jest nieodwracalna, jeśli temperatura przekroczy zakres znamionowy. Wybór odpowiedniej klasy magnesu do danego zastosowania ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania nieodwracalnemu rozmagnesowaniu.
Temperatura znamionowa według klasy (np. VH/AH do ~230°C)
Każdy magnes ma określoną temperaturę znamionową, w zależności od jego gatunku i składu materiału. Na przykład magnesy neodymowe (NdFeB) są podzielone na klasy N95, N42, N35 i podobne.
Każdy gatunek ma maksymalny zakres temperatury roboczej. Zwykle wynosi on od 80°C do 230°C dla specjalnych typów wysokotemperaturowych, takich jak VH (bardzo wysoki) i AH (dodatkowo wysoki)h). Jeśli te limity zostaną przekroczone, magnetyzm może zostać nieodwracalnie utracony.
Co dzieje się z magnesami w wysokich temperaturach?
Gdy magnesy są wystawione na działanie wysokich temperatur, istnieją dwa możliwe efekty.
Odwracalna utrata:
Gdy proces ogrzewania pozostaje poniżej maksymalnej temperatury roboczej, magnetyzacja ulega odwróceniu. Pokazuje to, że materiał jest nadal mniej magnetyczny po podgrzaniu. Domeny tracą część swojego wyrównania w wyniku wzburzenia termicznego spowodowanego wzrostem temperatury.
Magnes może odzyskać swoją siłę po schłodzeniu. Jeśli temperatura arkusza pozostaje poniżej pewnego progu, znanego również jako temperatura Curie lub punkt Curie.
Magnes może ulec chwilowemu osłabieniu pod wpływem umiarkowanego ciepła. Zjawisko to nazywamy uszkodzeniem odwracalnym.
Nieodwracalna utrata (i trwała utrata)
Gdy magnes jest wystawiony na działanie temperatury powyżej maksymalnej temperatury roboczej i poniżej temperatury Curie, następuje nieodwracalna utrata magnetyzmu.
Oznacza to, że:
Będzie działać gorzej, gdy będzie zimny.
Jaka temperatura jest zbyt wysoka dla magnesów neodymowych?
Najsilniejszymi magnesami trwałymi na rynku są magnesy neodymowe (NDFEB). Są one również wrażliwe na temperaturę. Standardowe gatunki, takie jak N35 lub N52, zwykle zaczynają tracić swój magnetyzm w temperaturze 80°C (176°F).
Gdy temperatura przekroczy limit, wydajność magnesu gwałtownie spada i może nie zostać całkowicie przywrócona po ochłodzeniu.
Magnes ulega stałej zmianie, gdy osiąga temperaturę Curie. Jest to punkt, w którym traci wszystkie właściwości magnetyczne, w zależności od składu materiału. W przypadku magnesów neodymowych temperatura ta wynosi zazwyczaj od 310°C do 400°C (590°F do 752°F).
Maksymalna temperatura pracy zależy od kształtu (współczynnika przenikania).
Kształt i konstrukcja magnesu wpływają na to, ile ciepła jest on w stanie wytrzymać. Termin “współczynnik przenikania” (Pc) odnosi się do tego składnika.
Jego pole magnetyczne jest bardziej stabilne, stąd magnes o wyższym współczynniku trwałości. Na przykład, grubszy cylinder może lepiej zachować swój magnetyzm po podgrzaniu.
Z drugiej strony, w wyższych temperaturach cieńsze lub mniejsze magnesy o niższych wartościach PCO są bardziej podatne na rozmagnesowanie.
Gatunki wysokotemperaturowe (np. N42SH, N35AH)
Specjalne wysokotemperaturowe magnesy neodymowe zostały opracowane w celu rozwiązania problemów związanych z wrażliwością na ciepło.
Nawet w trudnych warunkach gatunki te mogą zachować swoje silne właściwości magnetyczne dzięki zastosowaniu zmodyfikowanych stopów i zapraw:
- Temperatura pracy urządzenia N42SH wynosi 150°C (902°F).
- Temperatury do 200°C (392°F) mogą być obsługiwane przez N35EH.
- 230°C może wytrzymać temperatury do 35AH (446°F).
Chociaż te wysokotemperaturowe gatunki mogą nie być tak silne magnetycznie jak zwykłe gatunki, są idealne do wymagających zastosowań, takich jak silniki elektryczne i czujniki samochodowe, ponieważ mogą zachować swój magnetyzm po podgrzaniu.
Możliwe jest przywrócenie magnetyzmu do jego pierwotnej siły, ale nie jest to ekonomiczne. Nieodwracalna utrata następuje tylko raz.
Wnioski
Temperatura ma ogromny wpływ na magnesy; powyżej punktu Curie magnesy trwałe, takie jak żelazo lub neodym, tracą całą swoją siłę magnetyczną. Siła ich pola wzrasta wraz z obniżeniem temperatury.
Ze względu na zmniejszoną wytrzymałość elektryczną, elektromagnesy ostatecznie tracą swoją wytrzymałość, gdy się przegrzewają. Nadprzewodzące elektromagnesy są zatem wzmacniane przez chłodzenie do bardzo wysokiej temperatury.
pola.
Należy ostrożnie zarządzać temperaturą. Magnetyzm jest utrzymywany poprzez trzymanie magnesu stałego z dala od ekstremalnego ciepła. Silne pola magnetyczne są możliwe dzięki chłodzeniu elektromagnesów.
Nowe zastosowania magnetyczne w nauce, inżynierii i medycynie mogą zostać otwarte dzięki wykorzystaniu ciepła i granic.
Najczęściej zadawane pytania
Jak temperatura wpływa na magnesy samarowo-kobaltowe?
Magnesy samarowo-kobaltowe (SmCo) mogą skutecznie działać w temperaturach do 300°C (572°F) ze względu na ich wyjątkową odporność na ciepło. Ze względu na wysoką temperaturę Curie, mogą one utrzymać swoją siłę magnetyczną nawet w trudnych warunkach.
Jednak ich magnetyzm może zostać trwale utracony, jeśli zostaną przegrzane. Magnesy SmCo są idealne do zastosowań wysokotemperaturowych i lotniczych, ponieważ są stabilne w ekstremalnie niskich temperaturach.
Jak temperatura wpływa na magnesy samarowo-kobaltowe?
Gdy magnesy neodymowe są podgrzewane powyżej 80°C (176°F), ich siła gwałtownie spada. Nieodwracalne rozmagnesowanie może wynikać z ekspansji w podwyższonych temperaturach.
Jednakże, ponieważ ich domeny magnetyczne ustawiają się silniej w niskich temperaturach, zyskują one na sile.
Czy to prawda, że ciepło rozmagnesowuje magnes?
Rzeczywiście, magnes traci cały swój magnetyzm, gdy jego temperatura wzrasta powyżej punktu Curie, ponieważ jego domeny magnetyczne stają się niewspółosiowe.
W jaki sposób ciepłe jądro Ziemi może być namagnesowane?
Magnes stały nie jest źródłem ziemskiego pola magnetycznego. Jest ono raczej wytwarzane przez efekt geodynamiczny w stopionym żelazie i niklu zewnętrznego jądra.
Chociaż rdzeń jest zbyt gorący, aby mógł się sam namagnesować, ruch tych przewodzących materiałów wytwarza prąd elektryczny, który z kolei wytwarza silne pole magnetyczne.
Jestem Ben, od ponad 10 lat w branży magnesów trwałych. Od 2019 roku pracuję w Osenc, specjalizując się w niestandardowych kształtach magnesów NdFeB, akcesoriach magnetycznych i zespołach. Wykorzystując dogłębną wiedzę magnetyczną i zaufane zasoby fabryczne, oferujemy kompleksowe rozwiązania - od doboru materiałów i projektowania po testowanie i produkcję - usprawniając komunikację, przyspieszając rozwój i zapewniając jakość przy jednoczesnym obniżeniu kosztów dzięki elastycznej integracji zasobów.
