Temperatura wpływa na siłę magnesu, zmieniając uporządkowanie jego wewnętrznych domen magnetycznych. W niskiej temperaturze siła wzrasta, a w wysokiej maleje. Pod wpływem ogrzewania atomy magnesu poruszają się intensywniej, wskutek czego pole magnetyczne słabnie, a domeny magnetyczne tracą uporządkowanie.
Chłodzenie magnesu może natomiast zwiększyć jego siłę przez stabilizację uporządkowania domen. W części dotyczącej wpływu temperatury na magnesy omówiono definicję temperatury Curie, wpływ ciepła na siłę magnetyczną oraz zjawiska zachodzące w najniższej temperaturze.
Czym jest temperatura Curie?
Temperatura Curie (Tc) to temperatura, w której substancja magnetyczna traci wszystkie swoje właściwości magnetyczne.
Temperatura Curie określa maksymalną temperaturę, w której uporządkowanie momentów magnetycznych może zostać zaburzone, i stanowi miarę zależności między magnetyzmem a temperaturą. Nazwa tej temperatury pochodzi od nazwiska fizyka Pierre’a Curie.
Na przykład:,
- Dla magnesu neodymowego jest to około 310 stopni Celsjusza.
- Dla usmażonego magnesu jest to około 450 °C.
- Dla magnesu samarowo-kobaltowego — około 750 °C.
- Dla magnesów Alnico — około 880 °C.
Po osiągnięciu punktu Curie magnes traci swoje właściwości, a jego schłodzenie nie przywraca mu siły.
Jak niska temperatura wpływa na magnesy?
Ogólnie rzecz biorąc, niższa temperatura zwiększa siłę magnetyczną, ponieważ spowalnia ruch atomów, co sprzyja przywróceniu ich uporządkowania. W skrajnych temperaturach magnesy mogą jednak stać się kruche, zwłaszcza gdy są wykonane z takich materiałów jak neodym.
W laboratoriach magnesy nadprzewodzące są często utrzymywane w temperaturach kriogenicznych. Większość magnesów jest w rzeczywistości nieco silniejsza i stabilniejsza w niższej temperaturze; jeśli temperatura spadnie poniżej 125 stopni Celsjusza, siła magnetyczna będzie stopniowo maleć.
Gdy temperatura spada do 196 stopni Celsjusza, siła magnetyczna wzrasta do 85–90 procent.
Jak temperatura wpływa na magnesy?
Domeny magnetyczne, czyli niewielkie obszary połączonych atomów, tracą uporządkowanie wraz ze wzrostem temperatury wskutek oddziaływania energii cieplnej. W rezultacie właściwości magnetyczne stopniowo słabną. Magnesy niemal nie tracą swoich właściwości magnetycznych, nawet jeśli temperatura wzrośnie nadmiernie.
Proces ten przypomina nieco topnienie lodu pod wpływem ciepła. Po osiągnięciu określonego punktu odwrócenie tej zmiany staje się trudne. Ciepło sprawia, że cząsteczki wosku poruszają się szybciej i mają większą energię kinetyczną, przez co stają się bardziej uporządkowane.
Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki te zaczynają tracić uporządkowanie, aż ich końce uzyskują przeciwne ładunki i przestają być zwrócone ku sobie w układzie klatkowym. Po schłodzeniu magnes może odzyskać swoje pierwotne właściwości, jeśli dostarczone ciepło nie spowoduje przekroczenia jego maksymalnej temperatury pracy.
Wpływ temperatury na różne materiały magnetyczne
Poszczególne rodzaje magnesów zachowują się odmiennie w różnych temperaturach i przy różnym ciśnieniu. Ich reakcja zależy od wewnętrznej struktury krystalicznej i składu materiału. Analizujemy wpływ zmian temperatury na najczęściej stosowane materiały magnetyczne.
Alnico
Wiele urządzeń konsumenckich i przemysłowych wykorzystuje magnesy trwałe AlNiCo. Magnesy AlNiCo stosuje się między innymi w magnesach żwaczowych dla bydła, lampach o fali bieżącej, silnikach elektrycznych, przetwornikach gitar elektrycznych, mikrofonach, czujnikach i głośnikach.
Obecnie magnesy ziem rzadkich stosuje się jednak w wielu produktach, ponieważ mogą zapewniać wysoki BHmax oraz dużą remanencję (Br), co umożliwia miniaturyzację.
SmCo
Powszechnie znaną cechą magnesów samarowo-kobaltowych jest ich wyjątkowa stabilność termiczna. Nawet w temperaturze do 350 °C nie ulegają znacznemu osłabieniu.
NdFeB
Najsilniejszymi magnesami trwałymi dostępnymi na rynku są magnesy neodymowe. Są one jednak najbardziej wrażliwe na temperaturę. Zaawansowane odmiany (takie jak N42SH lub N52VH) mogą pracować w temperaturze do 230 °C, natomiast powyżej 80 °C klasy tracą swoje właściwości magnetyczne.
Nie nadają się do pracy w warunkach skrajnie wysokiej temperatury, ponieważ po przekroczeniu wartości granicznych ulegają nieodwracalnemu rozmagnesowaniu.
Ferryt
Magnesy ferrytowe są niedrogie i powszechnie stosowane. Składają się z tlenku żelaza oraz baru lub strontu. W temperaturach poniżej punktu zamarzania ich właściwości magnetyczne nieznacznie słabną.
Mimo to dobrze działają w temperaturze do 250 °C. Ponieważ stanowią kompromis między kosztem a niezawodnością, są preferowane w takich zastosowaniach jak głośniki i magnesy na lodówkę.
Strata ~0.11% na °C (odwracalna poniżej maksymalnej temperatury pracy)
Gdy temperatura pracy nie przekracza wartości maksymalnej, magnesy zazwyczaj tracą około 0.11% swoich właściwości magnetycznych na każdy stopień Celsjusza. Na szczęście zmiana ta jest odwracalna, dlatego po schłodzeniu magnes odzyskuje swoje pierwotne właściwości.
Jeśli jednak temperatura przekroczy zakres znamionowy, część zmian jest nieodwracalna. Aby zapobiec nieodwracalnemu rozmagnesowaniu, kluczowy jest dobór odpowiedniej klasy magnesu do danego zastosowania.
Dopuszczalna temperatura według klasy (np. VH/AH do ~230 °C)
Każdy magnes ma określoną dopuszczalną temperaturę zależną od jego klasy i składu materiałowego. Przykładowo magnesy neodymowe (NdFeB) są klasyfikowane według klas takich jak N95, N42, N35 i podobnych.
Każda klasa ma określony zakres maksymalnej temperatury pracy. Zasadniczo wynosi on od 80 °C do 230 °C w przypadku specjalnych odmian wysokotemperaturowych, takich jak VH (bardzo wysoka) i AH (dodatkowo wysoka). Po przekroczeniu tych wartości granicznych może nastąpić nieodwracalna utrata właściwości magnetycznych.
Co dzieje się z magnesami w wysokiej temperaturze?
Oddziaływanie wysokiej temperatury na magnesy może wywołać dwa skutki.
Odwracalna utrata właściwości:
Jeżeli podczas nagrzewania maksymalna temperatura pracy nie zostanie przekroczona, zmiana namagnesowania jest odwracalna. Oznacza to, że po podgrzaniu materiał nadal wykazuje słabsze właściwości magnetyczne. Wzrost temperatury powoduje drgania cieplne, wskutek których domeny częściowo tracą uporządkowanie.
Po schłodzeniu magnes może odzyskać swoje właściwości, jeśli temperatura arkusza pozostanie poniżej określonego progu, nazywanego również temperaturą Curie lub punktem Curie.
Pod wpływem umiarkowanego nagrzewania magnes może chwilowo osłabnąć. Zjawisko to nazywamy odwracalnym uszkodzeniem.
Utrata nieodwracalna (i utrata trwała)
Gdy magnes jest wystawiony na działanie temperatury wyższej niż jego maksymalna temperatura pracy, lecz niższej niż temperatura Curie, następuje nieodwracalna utrata właściwości magnetycznych.
Oznacza to, że:
● W niskiej temperaturze magnes będzie działać gorzej.
Jaka temperatura jest zbyt wysoka dla magnesów neodymowych?
Magnesy neodymowe (NDFEB) są najsilniejszymi magnesami trwałymi dostępnymi na rynku. Są jednak również wrażliwe na temperaturę. Standardowe gatunki, takie jak N35 lub N52, zazwyczaj zaczynają tracić właściwości magnetyczne w temperaturze 80 °C (176 °F).
Po przekroczeniu granicznej temperatury parametry magnesu gwałtownie się pogarszają i po schłodzeniu mogą nie powrócić całkowicie do pierwotnego poziomu.
Po osiągnięciu temperatury Curie w magnesie zachodzi trwała zmiana. Jest to temperatura, w której magnes traci wszystkie właściwości magnetyczne, a jej wartość zależy od składu materiału. W przypadku magnesów neodymowych wynosi ona zwykle od 310 °C do 400 °C (od 590 °F do 752 °F).
Maksymalna temperatura pracy zależy od kształtu (współczynnika permeancji).
Kształt i konstrukcja magnesu wpływają na jego odporność na wysoką temperaturę. Zależność tę opisuje “współczynnik permeancji” (Pc).
Magnes o wyższym współczynniku permeancji ma stabilniejsze pole magnetyczne. Na przykład grubszy magnes walcowy może lepiej zachować właściwości magnetyczne po podgrzaniu.
Z kolei w wyższych temperaturach cieńsze lub mniejsze magnesy o niższych wartościach PCO są bardziej podatne na rozmagnesowanie.
Gatunki do pracy w wysokiej temperaturze (np. N42SH, N35AH)
W celu ograniczenia problemów związanych z wrażliwością na wysoką temperaturę opracowano specjalne wysokotemperaturowe gatunki magnesów neodymowych.
Dzięki zastosowaniu modyfikowanych stopów i mieszanek materiałowych klasy te zachowują silne właściwości magnetyczne nawet w trudnych warunkach:
- Temperatura pracy N42SH wynosi 150 °C (902 °F).
- Temperatury do 200 °C (392 °F) może wytrzymać N35EH.
- 230 °C może wytrzymać temperatury do 35AH (446 °F).
Choć te klasy wysokotemperaturowe mogą nie zapewniać tak silnych właściwości magnetycznych jak klasy standardowe, doskonale sprawdzają się w wymagających zastosowaniach, takich jak silniki elektryczne i czujniki samochodowe, ponieważ zachowują właściwości magnetyczne po nagrzaniu.
Przywrócenie pierwotnych właściwości magnetycznych jest możliwe, ale nieopłacalne. Nieodwracalna utrata występuje tylko raz.
Podsumowanie
Temperatura ma znaczny wpływ na magnesy. Powyżej temperatury Curie magnesy trwałe, takie jak magnesy żelazne lub neodymowe, całkowicie tracą właściwości magnetyczne. Natężenie ich pola wzrasta wraz ze spadkiem temperatury.
Wskutek spadku mocy elektrycznej przegrzewające się elektromagnesy stopniowo tracą siłę działania. Dlatego chłodzenie zwiększa możliwości elektromagnesów nadprzewodzących, pozwalając uzyskać bardzo silne
pola.
Temperatura wymaga starannej kontroli. Ochrona magnesu trwałego przed skrajnie wysoką temperaturą pozwala zachować jego właściwości magnetyczne. Chłodzenie elektromagnesów umożliwia wytwarzanie silnych pól magnetycznych.
Wykorzystanie ciepła i granic może otworzyć nowe możliwości zastosowania magnetyzmu w nauce, technice i medycynie.
Najczęściej zadawane pytania
Jak temperatura wpływa na magnesy samarowo-kobaltowe?
Magnesy samarowo-kobaltowe (SmCo) mogą skutecznie pracować w temperaturze do 300 °C (572 °F) dzięki wyjątkowej odporności na wysoką temperaturę. Wysoka temperatura Curie pozwala im zachować właściwości magnetyczne nawet w trudnych warunkach.
Jednak w przypadku przegrzania mogą trwale utracić właściwości magnetyczne. Dzięki stabilności w skrajnie niskich temperaturach magnesy SmCo idealnie nadają się do zastosowań wysokotemperaturowych oraz w przemyśle lotniczym i kosmicznym.
Jak temperatura wpływa na magnesy samarowo-kobaltowe?
Po podgrzaniu magnesów neodymowych powyżej 80 °C (176 °F) ich siła magnetyczna gwałtownie maleje. Rozszerzanie się w podwyższonej temperaturze może prowadzić do nieodwracalnego rozmagnesowania.
Jednak w niskich temperaturach ich domeny magnetyczne ulegają silniejszemu uporządkowaniu, dzięki czemu siła magnetyczna wzrasta.
Czy wysoka temperatura powoduje rozmagnesowanie magnesu?
Rzeczywiście, magnes całkowicie traci właściwości magnetyczne, gdy jego temperatura wzrośnie powyżej punktu Curie, ponieważ domeny magnetyczne tracą uporządkowanie.
Jak ciepłe jądro Ziemi może być namagnesowane?
Źródłem pola magnetycznego Ziemi nie jest magnes trwały. Pole to powstaje wskutek działania geodynama w stopionym żelazie i niklu tworzących jądro zewnętrzne.
Chociaż temperatura jądra jest zbyt wysoka, aby mogło ono zachować samoistne namagnesowanie, ruch tych materiałów przewodzących wytwarza prąd elektryczny, który z kolei generuje silne pole magnetyczne.
Ben — Osenc
Ben ma ponad 10 lat doświadczenia w branży magnesów trwałych i współpracuje z Osenc od 2019 roku. Specjalizuje się w niestandardowych magnesach NdFeB, akcesoriach magnetycznych i zespołach magnetycznych.
Pomaga klientom precyzyjnie określić wymagania dotyczące materiału, powłoki, magnesowania, badań i produkcji, usprawniając komunikację i ograniczając zbędne iteracje próbek.
