Mágnes
Mágnesnek nevezzük azokat a testeket melyek környezetükben mágneses mezőt hoznak létre. A mágneseknek mindig két pólusuk van (északi és déli), a különböző pólusok vonzzák, az azonos pólusok taszítják egymást. Kivitelét tekintve lehetnek állandó mágnesek, és elektromágnesek
[szerkesztés] Története
A természetben előforduló természetes mágnes egy mágneses ásvány, a magnetit. Hatalmas telepszerű előfordulása található Svédországban a sarkkörön túl. Oroszországban Magnyitogorszk térségében 500 km² területen 300 000 millió tonna ércvagyont jeleztek, melyet mágneses anomália útján fedeztek fel. Nagy előfordulások vannak az Egyesült Államokban Utahban, Dél-afrikában, Bolíviában és Ausztráliában. Magyarországon csak apró kristályok formájában található.
Az ókori Kínában a Han-kor elején már ismert volt a Sinanshao „délt irányító kanál”. Ez volt az iránytű őse. Erősségének vizsgálatára mérték, hogy hány tűt tud felemelni, ez alapján minőségi kategóriák voltak. Az ókori görögök misztikus dolognak tartották a vas vonzását. A 7. és 10. század között megjelent az iránytűkben a tű alakú mozgórész, ezáltal a tájékozódás elterjedt eszköze lett.
[szerkesztés] Kronológia
- I. e. ~ 600: Arisztotelész Thalésznek írt levelében megemlíti a mágnesességet.[1]
- I. e. ~ 600: Indiai sebész, Sushuta használt először mágnest a gyógyításnál.[2]
- 4. század: könyvben említik meg a mágnest
- 1031-1095: Shen Kuo kinai tudós használ először iránytűt
- 1187: Alexander Neckham, Európában először említi meg a mágnes navigációs szerepét
- 1819: Hans Christian Ørsted dán fizikus felfedezte az áram és mágnesesség közötti kapcsolatot
- 1820: André-Marie Ampère felfedezte az áram hatását zárt hurkú vezetőben
- 1820: Jean-Baptiste Biot és Félix Savart megalkották a Biot–Savart-törvényt
- 1831: James Clerk Maxwell felfedezte az időben változó mágneses fluxus hatását, mely feszültséget indukál, és megalkotta az úgynevezett Maxwell egyenleteket
- 1911: Heike Kamerlingh Onnes felfedezi a szupravezetést..
- 1914:Barnett – hatás: forgó test mágneses teret eredményez
- 1915: Einstein- és de Hass-féle hatás : mágnesezés hatására forgó mozgás keletkezik
- A 20. és 21.században tovább folyt és folyik a fizika fejlődése. A kvantumfizika új elméletekkel járult hozzá az elektromosság és mágnesesség megértéshez, mint például, az elektrogyenge kölcsönhatás, a standard modell, a kvantum elektrodinamika.
[szerkesztés] A mágneses tulajdonságok alapjai
Az anyagok különböző mágneses tulajdonságainál két tényt kell figyelembe venni:
- az elektromos áram mágneses teret hoz létre a környezetében
- az elektronok (elektromos töltések) pályákon keringenek az atommag körül, és közben saját tengelyük körüli forgást is végeznek.
Az e töltésű, v sebességgel keringő elektron keltette áram hatására mágneses tér alakul ki.
A mágneses momentum arra utal, hogy az atom mágneses dipólust képez. Az atom mágneses momentumának két összetevője van:
- a spinből eredő, és
- a mag körül keringő elektronokból eredő mágneses momentum.
A különböző anyagok viselkedését külső mágneses térben csak az atom mágneses momentumának nagysága és iránya határozza meg. Ilyenkor az elektronok forgását és mag körüli keringését megzavarja, hogy mágneses terük a külső térrel együtt eredő teret alkot. Ez erőt gyakorol a kialakult „pörgettyűre”, amely mint minden erőhatás alatt álló pörgettyű, precessziós mozgást végez. Az így kialakult mozgásból származó mágneses momentum iránya a külső térrel ellentétes.
Mivel a mágneses momentumnak egy külső mágneses térben potenciális energiája van, ha mágneses térbe testet helyezünk, akkor az eredő mező és a test viselkedése csak atomjainak saját mágneses momentumától függ.
[szerkesztés] Mágnes fajták
[szerkesztés] Föld
A Föld egy hatalmas állandó mágnesként fogható fel. A Föld-mágnesnek van északi és déli pólusa. A Föld mágnesességének oka nem teljesen tisztázott.
A Föld keletkezésekor izzó, olvadt gömb volt. A nehezebb anyagok, mint például a vas és a nikkel, lesüllyedtek, és belőlük lett a gömb alakú földmag. Összességében elmondható, hogy a földmag fémes, jól vezető anyagokból áll, melyek a maghéjban folyékony, a belső magban szilárd halmazállapotban vannak és extrém nyomás alatt állnak. A hatalmas belső nyomás megszilárdította a mag 2900 km mélyen található fémgömbjét, (melyet a Gutenberg-Wiechert-felület választ el a felette levő földköpenytől), de a felszínhez közelebb, ahol kisebb volt a nyomás, a vas és a nikkel folyékony maradt. E folyékony külső mag mozgásai gerjesztik a Föld mágneses mezejét.
A legelterjedtebb elmélet az úgynevezett dinamó-hatás. A dinamó-hatás szerint a Föld mágneses tere egy öngerjesztő dinamó. A Föld külső héjában lévő elektromosan jól vezető anyagban (folyékony vas, nikkel) elektromos feszültséget indukál, és mivel zárt vezetőként fogható fel abban áram folyik (örvényáram hatás). Az elektromos áram viszont mágneses mezőt hoz létre, mely kölcsönhatásban van a mozgó folyékony réteggel és létrehoz egy másodlagos mágneses mezőt.
A Föld mágnesnek számos hatása van: navigációt segíti, állatok tájékozódását lehetővé teszi, északi fény, a Földet körülvevő mágneses mező, amely töltött részecskéket tartalmaz (magnetoszféra) eltéríti, kölcsönhatásba lép a világűrből érkező töltött részecskékkel, így részben védelmet nyújt a napszéllel szemben, stb.
[szerkesztés] Diamágnes
A diamágnesesség a mágnesesség egy formája, amely csak külső mágneses tér hatására jelentkezik, ez általában egy gyenge hatás.
A diamágnes jellegzetes tulajdonsága, hogy bennük a spin- és a pályamomentum semlegesítik egymást, ezért normális állapotukban nincs kifelé irányuló mágneses momentumuk. A Lenz-törvény (lásd: Faraday–Lenz-törvény) értelmében csak külső tér hatására alakul ki egy azzal ellentétes irányú eredő mágneses mező. A diamágneses anyagok relatív permeabilitása 1-nél kisebb, de 1-hez nagyon közeli érték, a szuszceptibilitása pedig negatív. Diamágneses anyagok a mágneses fluxusvonalakat eltérítik az anyagtól, szupravezetők teljesen kizárják, kivéve egy igen vékony réteget a felületen.
A legtöbb nemfémes szilárd test (pl. üveg), valamint pl. a réz, arany, ezüst, cink, higany, germánium és ólom diamágneses. Az ilyen anyagokat az erősen inhomogén mágneses tér taszítja.
[szerkesztés] Ferromágnes
Minden olyan anyagot, amely állandó mágnes lesz egy külső mágneses tér hatására, és megtartja a mágnességét akkor is, ha a külső mágnesező teret eltávolítottuk a környezetéből, ma vagy ferromágneses vagy ferrimágneses anyagnak neveznek.
A ferromágnesség is elemi mágneses dipólusok jelenlétén alapszik. A paramágnességhez hasonlóan itt is a spintől eredő mágneses momentum van túlsúlyban, vagyis minden atomnak van gyenge mágneses momentuma Azokat az anyagokat, amelyekre jellemző a ferromágnesség, ferromágnesnek hívjuk. A ferromágnes szó első tagja, a ferro-, vasat jelent. De nem csak a vas mutat ferromágnesességet.
Az ismertebb ferromágneses fémek a vas, a kobalt és a nikkel Egyes ritkaföldfémek szintén ferromágneses tulajdonsággal bírnak. Ilyen a gadolínium, a holmium, a terbium, és a diszprózium.
[szerkesztés] A Curie-pont
Currie-pontnak nevezzük azt a hőmérsékletet, amikor valamely ferromágneses anyag elveszíti mágneses tulajdonságát, és paramágnessé alakul.
| Anyag | Curie hőmérséklet °C |
|---|---|
| Vas (Fe) |
|
| Kobalt (Co) |
|
| Nikkel (Ni) |
|
| Vas-oxid (Fe2O3) |
|
[szerkesztés] Ferromágnes jellemzői
Az állandó mágnesekre az a jellemző, hogy alaphelyzetben kifelé nem mutatnak mágneses tulajdonságokat. Az anyagukban elhelyezkedő elemi részecskék véletlenszerűen helyezkednek el, így kifelé egymás hatását lerontva nem mutatnak mágneses tulajdonságokat. Nagy mágneses erőtérbe helyezve az elemi részecskék azonos, észak-déli irányba állnak be.
Ha egy mágnest kettétörünk, nem két félmágnest, hanem két mágnest kapunk. A mágnesek azonos pólúsai taszítják, míg a különbözőek vonzzák egymást.
[szerkesztés] Állandó mágnesek
[szerkesztés] Ferromágnes jellemzői
Az állandó mágnesekre az a jellemző, hogy alaphelyzetben kifelé nem mutatnak mágneses tulajdonságokat. Az anyagukban elhelyezkedő elemi részecskék véletlenszerűen helyezkednek el, így kifelé egymás hatását lerontva nem mutatnak mágneses tulajdonságokat. Nagy mágneses erőtérbe helyezve az elemi részecskék azonos, észak-déli irányba állnak be.
Ha egy mágnest kettétörünk, nem két félmágnest, hanem két mágnest kapunk. A mágnesek azonos pólúsai taszítják, míg a különbözőek vonzzák egymást.
[szerkesztés] Öntött mágnesek
Az első nem acél mágnesek az 1930-as évek elején jelentek meg. Az AlNiCo kifejlesztése 1931-ben kezdődött, amikor T. Mishima Japánban felfedezte, hogy a vas, nikkel és alumínium ötvözetének mágneses indukciója 400 Oe, duplája, mint az akkori legjobb acélé. Alumínium, nikkel és vas ötvözetéből állították elő öntészeti úton. Néhány évvel később már irányított öntött mágneseket is készítettek. A korábban használt hajlított acélmágneseket teljesen kiváltotta. Sokkal kedvezőbb mágneses paraméterei miatt jelentős méretcsökkenést tettek lehetővé. Szükségtelenné vált a klasszikus patkó alak, hiszen már a sokkal rövidebb mágnessel is jobb eredményt lehetett elérni.
[szerkesztés] Irányított mágnes
A használt alapanyagokat megfelelő arányban, előírt sorrendben összeolvasztják és a kívánt mágnes alakjának megfelelő formába öntik, ahol a megolvadt olvadék megszilárdul. A megfelelő mágneses paraméterek hőkezeléssel érhetők el. 910 °C–on edzik, majd mágnestérben, meghatározott sebességgel hűtik le. Így kialakul a kívánt irányítottság, a mágneses anizotrópia. A használt mágneses tér irányában az így készített mágnes sokkal kedvezőbb mágneses tulajdonságokat mutat.
[szerkesztés] Porkohászati mágnes
Készülhet AlNiCo mágnes porkohászati úton is, ahol a finom por alakú alapanyagokból préseléssel állítják elő a kívánt alakot, amit aztán védőgázas kemencében szinterelnek, végül hőkezelnek. A szintermágnesek jelentős szerszámozási költségei és technológiai igénye miatt áruk magasabb, mint az öntött mágneseké. Csak nagy szériák esetén gazdaságos. Ugyanakkor az eljárás során nem kell olvadáspontig felmelegíteni az anyagokat, csak annak mintegy 60%-áig.
[szerkesztés] Tulajdonságai
Mágneses tulajdonságát a magas remanens indukció és viszonylag kis koercitív erő szabja meg. Előnyeit a hosszú rúd alakú mágneseknél (3-4< L/D aránynál) illetve kis légrésű mágnesköröknél lehet kihasználni.
[szerkesztés] Stabilitás
A stabilitására jellemző, hogy egy telítésig felmágnesezett mágnesnak 15 év alatt kb. 5%-ot csökken a mágnesezettsége, amit újramágnesezéssel vissza lehet állítani. Azoknál az alkalmazásoknál, ahol még ilyen mértékű változás sem megengedett, ott „mesterséges öregbítéssel” kell beállítani a stabil állapotot. A mágnes gyengülése egy időben lecsengő folyamat. A gyengülés kezdetben a legnagyobb, majd egyre csökkenő. A stabilitás javítható a mágnes demagnetizálásával. Azokat az elemi részeket, melyek a rájuk kényszerített észak-dél irányban csak instabilan álltak be, egy lecsengő, váltakozóáramú demagnetizálással kizökkentik ebből az instabil állapotból. A túlzott demagnetizálás ellenkező hatást eredményez. Ekkor a már stabil állapotban lévő elemi részeket kikényszeríti az észak-dél irányból, melybe igyekeznek visszatérni. A demagnetizálás optimális értéke 5-30% közé tehető. A mágnes gyengülését okozza még a mechanikai erőbehatás, mely a demagnetizáláshoz hasonló gyengülést eredményezhet.
Az összes létező mágnesfajtával összehasonlítva legjobb a hőmérséklettűrő képessége. A megengedett maximális környezeti hőmérséklet 550 °C.
[szerkesztés] Ferrit (kerámia mágnes)
A ferrit keménymágneses anyag, a remanens indukciója:
körüli.
Ezenkívül ferriteknek nevezzük az olyan lágy- illetve keménymágneses anyagokat, melyek a MOnFe2O3 képlettel adhatók meg, ahol M fémion, n pedig egy (egész) szám.
1952-ben szabadalmaztatták az izotrop- , majd 1954-ben az anizotrop ferrit mágneseket. Gyártástechnológiájuk és fizikai tulajdonságuk alapján gyakran említik kerámia mágnesekként is. Az olcsó és korlátlanul rendelkezésre álló alapanyagoknak köszönhetően áruk a legalacsonyabb. Ugyanakkor a kedvező mágneses jellemző miatt a legjobb ár/érték arányt mutatják.
[szerkesztés] Előállítás
A gyártási folyamat a 80% vas-oxid és a 20% stroncium- vagy báriumkarbonát keverék összeőrlésével kezdődik. Ezt követi a keverék kiégetése (ferritizálás) aminek az eredményeként kapjuk az oxidkerámiát (stoncimferrit vagy báriumferrit). Az újabb őrlés egészen egykristály méretig (mikronos szemcseméret) tart. Itt már elemi mágneskristályokat kapunk. Az őrölt porból száraz vagy nedves préseléssel állítják elő a kívánt alakú mágneseket. A préselt mágneseket magas hőfokon alagútkemencékben szinterelik. Ekkor a méretek kb. 17%-ot zsugorodnak ezért a normál mérettűrés ±2%. A pólusméreteken általában ennél szigorúbb tűrést írnak elő, ezért a végső méretet köszörüléssel állítják be.
[szerkesztés] Mágneses jellemzők
Az izotrop mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és nincsen egy kiválasztott mágnesezési irány. Az anizotrop mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntett irány, mely irányban a mágneses ellenállása kisebb. A kerámia mágnesek nagy kristály anizotropiájának köszönhetően nagy koercitív erővel rendelkeznek. A külső-, gyengítő terekkel szemben érzéketlen, és időben stabil. Megengedett maximális környezeti hőmérséklet 250 °C.
[szerkesztés] Mechanikai jellemzők
Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehet. Rendkívül ellenállóak a korrozióval, savakkal, sókkal, olajakkal és gázokkal szemben.
[szerkesztés] Szamárium-kobalt (ritkaföldfém mágnes)
Az 1960-as évek elején jelent meg a szamárium-kobalt mágnesek első generációja, (SmCo5). A vas, kobalt mellett ritkaföldfémet, szamáriumot is tartalmaz. A korábbi mágnes anyagokkal összehasonlítva sokkal kedvezőbb tulajdonságokkal rendelkeznek. A második generációt jelentő Sm2Co17 mágnesekre a még nagyobb koercitív erő és (B x H)max érték a jellemző. Nagyobb elterjedésüket akadályozza a viszonylag magas ár.
[szerkesztés] Előállítás
Először legyártják az előötvözetet, amelyből őrléssel finom port állítanak elő. Ebből mágnestérben történő préseléssel készül az anizotrop mágnes, vagy izosztatikus préseléssel[3] az izotróp mágnes. Sokszor elöszőr nagyobb hasábokat préselnek és később ezekből gyémántszemcsés tárcsákkal vágják ki a kisebb méretű darabokat. Az így elkészített mágneseket magas hőfokon szinterelik majd köszörülik, méretre vágják.
[szerkesztés] Mágneses jellemzők
Az izotrop mágnesek bármilyen irányba mágnesezhetőek és közel azonos mágneses jellemzőket mutatnak a különböző irányokban. Az anizotrop mágnesek préselése erős mágneses térben történik, ezért van egy kitüntett mágnesezési irány. Ebben az irányban kisebb a mágneses ellenállása, mint a többi irányban. Szamárium-kobalt mágnesek a korábbi mágnes anyagoknál nagyobb koercitív erővel rendelkeznek. A külső-, gyengítő terekkel szemben ellenállóak és időben stabilak. Remanens indukciója alig kisebb mint az AlNiCo-nak, de több mint duplája a ferritének. Maximális B x H szorzata 5-6-szor nagyobb mint a korábbi mágnes anyagoknak. Megengedett maximális környezeti hőmérséklete 250 °C.
[szerkesztés] Mechanikai jellemzők
Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Keménységüknek köszönhetően a legtörékenyebb mágnesek.
[szerkesztés] Neodimium-vas-bór (ritkaföldfém mágnes)
A Neodímium-vas-bór mágneseket 1980-ban fedezték fel. Jelenleg ez a legmodernebb mágnesfajta. A szamárium-kobalt mágnesekkel együtt a ritkaföldfém mágnesek csoportjába tartoznak. Gyártási technológiájuk is sok hasonlóságot mutat.
[szerkesztés] Tulajdonságai
Normál körülmények között korrodálnak, ezért galvanikus védelmet igényelnek. A korrózió megelőzése érdekében galvanikus bevonat (nikkel, horgany, stb.) szükséges.
Fő előnyük a szamárium-kobalttal szemben a jobb mágneses tulajdonságuk és a jóval alacsonyabb ár. Maximális BxH szorzata kb. másfélszerese a szamárium-kobalt mágnesénak. A maximális megengedett külső hőmérséklet jelenti. tmax. 80-180°C (anyagminőségtől függően).
[szerkesztés] Mechanikai jellemzők
Nagyon kemények, ezért köszörülni is csak gyémántszerszámmal lehetséges. Nagy keménységük és erős mágneses terük miatt könnyen törnek vagy sérülnek amikor egy másik mágnessel összecsapódnak.
[szerkesztés] Elektromágnes
Az elektromágnes azt a tulajdonságot használja ki, ha nem bifiláris egy-, vagy többrétegű tekercsben áram folyik, akkor a képen látható módon mágneses teret hoz létre. Ennek erővonalai, hasonlóan az állandó mágnesekhez a tekercs belsejében összegződnek, és az áram folyásának megfelelő északi-déli pólust jelentenek. Váltakozó árammal táplálva értelemszerűen a két pólus folyamatosan felcserélődik, de a mágnesezhető anyaggal szemben vonzóerőt fejt ki.
A tekercs belsejébe ferromágneses anyagot helyezve, annak kisebb mágneses ellenállása miatt ugyanakkora áram és menetszám esetén, akár 25-szörös erővonalsűrűség is létrejöhet.
[szerkesztés] Irodalom
- Ulrike Berger: Mágnesség és elektromosság.Cser Kiadó és Ker.kft. 2007. ISBN 9789632781068
- Dr.mező T, Molnár T., Dr. Nagy A.: Fizika 11. osztály.Maxim Könyvkiadó. ISBN 9789632610948
- Karsa Béla: Villamos mérőműszerek és mérések (Műszaki Könyvkiadó. 1962),
- Tamás László: Analóg műszerek. Jegyzet. (Ganz Műszer Zrt. 2006)
[szerkesztés] További információk
- Mágneses anyagok
- Mágnesesség
- A mágnesesség és az elektromosság
- A Föld, mint mágnes
- A mágnesvasérc
- Miért következik be mágneses pólusváltás
- Magnetoszféra
- The Earth's Magnetic Field
- Mágneses Curie pont - Fizipedia videó
- Magyar Virtuális Enciklopédia, Kádár György: Mágnes
- National Geographic: Miből van a mágnes?
- Balesetvédelem a mágnesek használatánál, szállításánál, megmunkálásánál
- Fontos utasítások a Neodym mágnesek kezeléséhez
- Meddig tartja meg a mágnes a mágneses erejét ? Bokor Ferenc-Szeles László Állandó mágnesek és alkalmazásaik
[szerkesztés] Források
- ↑
- ↑ Vowles, Hugh P. (1932.). „Early Evolution of Power Engineering”. Isis 17 (2), 412–420 [419–20]. o, Kiadó: University of Chicago Press. DOI:10.1086/346662.
- ↑ Nagy nyomáson (300-3000 bar), erős mágneses térben, vákuum, vagy védőgázas atmoszférában
