Welke invloed heeft temperatuur op magneten?

Magnetengenereren onzichtbare krachtvelden die aan metalen trekken, waaronder ijzer, nikkel en kobalt. Warmte beïnvloedt hoe goed magneten werken. Als het warmer wordt, worden de magneten zwakker. Bij echt hoge temperaturen zijn ze niet meer magnetisch. Het begrijpen van de invloed van temperatuur is belangrijk.

Als we weten hoe hitte magneten beïnvloedt, kunnen we apparaten en systemen ontwikkelen die betrouwbaar presteren bij verschillende bedrijfstemperaturen.

Dit artikel zal prgeef een overzicht van magnetisme en leg uit hoe temperatuur permanente magneten en elektromagneten beïnvloedt. We zullen ook de Curie-temperatuur bespreken en toepassingen waarbij temperatuureffecten op magneten een essentiële ontwerpfactor zijn.

Wat zorgt ervoor dat magneten werken?

Magneten werken vanwege kleine deeltjes binnenin die elektronen worden genoemd. Elektronen gedragen zich als kleine draaiende magneten. In de meeste dingen draaien elektronen willekeurig alle kanten op. Maar in magneetmaterialen staan ​​de elektronenspins op één lijn.

De uitgelijnde spins vormen een algemeen magnetisch veld met twee uiteinden: de noord- en de zuidpool. Tegengestelde polen trekken elkaar aan, zoals noord en zuid. Maar dezelfde polen stoten twee noordelijke gebieden af.

Hoe sterk een magneet is, hangt af van waar hij van gemaakt is. Sommige materialen houden hun elektronenspins beter op één lijn dan andere. Dit vermogen om te voorkomen dat de spins door elkaar raken, wordt remantiviteit genoemd. Een hogere remanentie zorgt voor een sterkere magneet. Door de nette uitlijning van ontelbare elektronen die samen draaien, kunnen magneten aan metalen blijven kleven!

Permanente magneten versus elektromagneten

Er bestaan ​​twee soorten magneten: permanente en elektromagnetische. Permanente magneten behouden hun magnetisme. Ze zijn gemaakt van ijzer, nikkel, kobalt en zeldzame metalen. De atomaire spins in deze materialen komen spontaan op één lijn.

Elektromagneten worden gemaakt door een elektrische stroom door een draadspoel rond een ijzeren kern te laten lopen. Het magnetische veld wordt gecreëerd door de stroom in de draad. Wanneer de stroom stopt, verliest een elektromagneet zijn magnetisme. 

Permanente magneten en elektromagneten worden op verschillende manieren beïnvloed door temperatuur. Laten we ze allemaal bekijken:

Hoe temperatuur permanente magneten beïnvloedt

Permanente magneten werken alleen in een bepaald temperatuurbereik. Als een permanente magneet boven een bepaalde temperatuur wordt verwarmd, het Curiepunt genoemd, verliest hij zijn magnetisme.

Op het Curie-punt beginnen de kleine spinnetjes in het magneetmateriaal in willekeurige richtingen te wijzen in plaats van op één lijn te staan. Het zorgt ervoor dat de permanente magneet niet langer magnetisch is.

Curietemperaturen van gewone magneetmaterialen

Door een permanente magneet boven een Curiepunt te verwarmen, wordt deze volledig niet-magnetisch. Boven dit punt worden de atomaire spins die magnetisme creëren verstoord. Het zorgt ervoor dat permanente magneten van ijzer, nikkel of kobalt al het magnetische gedrag verliezen.

Normaal gesproken kan deze volledige demagnetisatie bij traditionele magneten niet worden teruggedraaid. De magneet moet opnieuw worden gemagnetiseerd door blootstelling aan een ander sterk magnetisch veld.

Sommige zeldzame aardmagneten van neodymium of samariumkobalt kunnen echter hun magnetisme terugkrijgen nadat ze voorbij hun Curiepunt zijn verhit. Maar herhaaldelijk opwarmen en afkoelen door dagelijks gebruik kan het magnetisme in de loop van de tijd toch langzaam verminderen.

Onder de Curietemperatuur zal een permanente magneet geleidelijk aan kracht verliezen naarmate hij warmer wordt. Meer warmte geeft de atoomspins meer trillingsenergie. Deze verstoring van de uitgelijnde spins maakt het magnetische veld steeds zwakker.

Gelukkig is dit geleidelijke verlies van magnetisme bij toenemende temperatuur omkeerbaar. Wanneer de permanente magneet afkoelt, worden de atomaire spins opnieuw uitgelijnd en keert de volledige magnetische kracht terug. Zelfs kleine temperatuurveranderingen van een paar graden kunnen het magnetische veldvermogen merkbaar veranderen.

Samenvattend werken permanente magneten het beste binnen een beperkt optimaal temperatuurbereik. Te veel hitte demagnetiseert ze geheel of gedeeltelijk. Lagere temperaturen verbeteren de magnetische veldsterkte.

Ingenieurs houden rekening met deze thermische effecten bij het ontwerpen van apparaten die gebruik maken van permanente magneten. Zorgvuldige temperatuurcontrole zorgt ervoor dat magneten maximale magnetische prestaties leveren.

Hoe temperatuur elektromagneten beïnvloedt

Elektromagneten verschillen van permanente magneten. Hun magnetisme komt van elektriciteit die door een draadspoel beweegt. Het veranderen van de elektriciteit maakt het magnetische veld sterker of zwakker.

Warmte beïnvloedt elektromagneten door de draad moeilijker te maken voor elektriciteit. Wanneer de draad heter wordt, trilt de elektriciteit erin meer. Het maakt het een uitdaging voor de elektriciteit om soepel in één richting te bewegen.

Als elektriciteit niet zo gemakkelijk stroomt, kan er minder door de draad gaan. Een elektromagneet wordt dus zwakker als hij warm is dan als hij koud is.

Maar gemiddelde warme en koude temperaturen hebben geen al te grote invloed op elektromagneten. De elektriciteitsstroom neemt slechts een klein beetje af, tenzij de draad oververhit raakt. Het magnetische veld wordt iets zwakker, maar is nog niet helemaal verdwenen.

Door een elektromagneet veel af te koelen, kan elektriciteit gemakkelijk stromen. Een voorbeeld is het gebruik van vloeibare stikstof, dat is -196 graad ! Het maakt sterke magnetische velden mogelijk met minder elektriciteit. Supercoole elektromagneten kunnen velden maken die 100,000 maal het veld van de aarde zijn!

Samenvattend: elektromagneten worden zwakker als ze warm zijn, omdat de draad beter bestand is tegen elektriciteit. Zeer koude temperaturen verbeteren de elektriciteitsstroom en versterken het magnetische veld. Maar warmte verwijdert het magnetisme van een elektromagneet niet zoals bij permanente magneten.

Voorbeelden van temperatuureffecten op magneten

Laten we eens kijken naar enkele voorbeelden uit de praktijk om te zien hoe temperatuur magneten beïnvloedt:

● Bij koelkastmagneten worden permanente magneten van ferriet of neodymium gebruikt. Ze worden merkbaar zwakker als ze warm zijn, maar krijgen weer hun volledige magnetisme als ze weer afkoelen. Als u ze door hitte laat staan, zoals in een oven, kunnen ze in de loop van de tijd langzaam worden gedemagnetiseerd.

● MRI-machines maken gebruik van zeer krachtige supergeleidende elektromagneten die onderkoeld zijn met vloeibaar helium. Door de koeling kunnen ze sterke magnetische velden van 3 Tesla maken die nodig zijn voor gedetailleerde lichaamsscans.

● Grote elektromagneten die worden gebruikt om auto's op autokerkhoven op te tillen, worden kraanmagneten genoemd. Ze heffen zware lasten met behulp van magnetische kracht. Op warme dagen kan de magneet door de hitte zijn maximale gewicht niet optillen, waardoor hij verzwakt. Door de elektromagnetische spoel te koelen, kunnen zwaardere voorwerpen worden opgetild.

● Kleine neodymiummagneten in kleine motoren verliezen koppel en worden minder efficiënt als de motor oververhit raakt. Hoge temperaturen demagnetiseren de permanente magneten in de draaiende rotor. Het verzwakt het roterende magnetische veld dat de motor laat werken.

● Magnetische tapes en harde schijven gebruiken kleine ijzerdeeltjes om gegevens op te slaan. Te veel hitte gooit de magnetische deeltjes door elkaar, waardoor de gegevens worden gewist. Magnetische opslag heeft dus een maximale temperatuur waarin het kan werken voordat gegevens verloren gaan.

Deze voorbeelden laten zien hoe temperatuurbeheersing en -beheer van cruciaal belang zijn bij het werken met magneten. Permanente magneten hebben koeling nodig om de magnetische eigenschappen te behouden. Tegelijkertijd moeten elektromagneten oververhitting voorkomen, de draadweerstand verhogen en de veldsterkte verminderen.

Effect van lage temperaturen op magneten

We hebben gezien dat hoge temperaturen de magneetsterkte verminderen. Hoe zit het met vriestemperaturen?

Zoals eerder vermeld, helpt het verminderen van thermische energie de uitlijning van atomaire spins in permanente magneten te stabiliseren. Permanente magneten worden dus nog sterker bij cryogene temperaturen.

Het koelen van neodymiummagneten met vloeibare stikstof tot -196 graad kan de trekkracht met 2-5x verhogen vergeleken met de kamertemperatuur. Deze hypergemagnetiseerde toestand maakt nieuwe toepassingen mogelijk, zoals magneettreinen.

Elektromagneten profiteren ook van lage temperaturen vanwege de nul elektrische weerstand van de draden (supergeleiding). Dit resulteert in enorme magnetische velden van kleine spoelen.

MRI- en wetenschappelijk onderzoek-elektromagneten worden gekoeld door vloeibaar helium om het potentieel van supergeleiders zoals niobium-tin aan te boren. De werking bij lage temperaturen maakt het gemakkelijker om magnetische velden met hoge sterkte te genereren.

Dus terwijl hitte de magneten verzwakt, verhogen koude temperaturen de magneetprestaties. Zowel permanente magneten als elektromagneten kunnen worden verbeterd door thermische beweging op moleculair niveau te verminderen.

Hoe beïnvloedt temperatuur de structuur van magneten?

De kleine bouwstenen waaruit magnetische materialen bestaan, veranderen bij verhitting of afkoeling. Het heeft invloed op hoe magnetisch ze zijn. Laten we onderzoeken hoe de temperatuur het kristalrooster en de magnetische domeinen van magneettypen verandert.

Permanente magneten hebben kleine gebieden die domeinen worden genoemd. Elk domein is als een kleine magneet met uitgelijnde spins. Maar aangrenzende domeinen wijzen op willekeurige manieren. Door verwarming wordt de nette domeinstructuur door elkaar gehaald, waardoor de magneet zwakker wordt. Koeling lijnt de domeinen netjes uit, waardoor het totale magnetisme wordt versterkt.

Verschillende materialen hebben verschillende kristalroosterstructuren. Het is de afstand en volgorde van de atomen. IJzer heeft één structuur en kobalt heeft een andere. De beste domeinuitlijning hangt af van de specifieke atomaire afstand en energietoestanden van elk kristalrooster.

Elektromagneten zijn draden die in lussen zijn opgerold in plaats van vast materiaal. Maar ze hebben vaak kristallijne ijzeren of stalen kernen. Door verhitting gaan de atomen trillen en uiteenvallen. Het verstoort de uitlijning van het domein in de kern, waardoor het magnetisme wordt verminderd. Door elektromagneten koud te houden, blijft een goede domeinstructuur behouden.

Over het geheel genomen verklaart de onzichtbare atomaire rangschikking waarom magnetisme verandert met de temperatuur. Verwarming verstoort de kleine structuur. Koeling zorgt voor orde en stabiliteit. Het begrijpen van deze eigenschappen op nanoschaal is cruciaal voor het ontwerpen van magneten voor hoge of lage temperaturen.

Het juiste magneetmateriaal kiezen

Permanente magneten zijn gemaakt van ijzer, nikkel, kobalt en bijzondere mengsels van zeldzame aardmetalen. Ingenieurs kiezen het materiaal op basis van het temperatuurbereik, de sterkte en de kosten.

Alnico-magneten hebben ijzer, aluminium, nikkel en kobalt. Ze werken tot 600 graden, maar hun magnetische veldsterkte is gemiddeld, ongeveer 0,5-1,3T.

Keramische of ferrietmagneten gebruiken barium- en strontiumferrieten. Ze zijn goedkoop, maar hebben een magere veldsterkte van minder dan 0,4T.

Samarium-kobaltmagneten kunnen velden met hoge sterkte tot 1,1 T maken en werken tot 350 graden, maar zijn duur.

IJzer-neodymium-boriummagneten hebben de beste algehele prestaties. Ze hebben krachtige velden tot 1,4T en werken tot 230 graden.

Magnetische eigenschappen van gewone permanente magneten

Voor elektromagneten maximaliseren koperen spoelen de geleidbaarheid en kunnen ze worden gekoeld om het veld te versterken. IJzerkernen concentreren het magnetische veld. Vernikkeld ijzer is ook bestand tegen corrosie.

Neodymium- of samariumkobalt werkt ondanks de kosten het beste voor de sterkste velden. Het temperatuurbereik waarin de magneet moet werken, bepaalt het beste materiaal.

Leuke experimenten met magneten

Je kunt thuis spannende wetenschappelijke experimenten uitproberen met behulp van magneten en verschillende materialen.

Gekoelde magneten:

Met een leuk experiment kun je zien hoe koude temperaturen magneten sterker maken. Neem een ​​koelkastmagneet en plak deze op uw koelkast. Laat de magneet een paar uur op de koelkast staan. Gebruik het vervolgens om paperclips of andere magnetische metalen op te rapen.

Heeft de magneet het gevoel dat hij harder aan de metalen voorwerpen trekt als hij koud is? Door de lagere temperatuur in de koelkast is de magneet tijdelijk krachtiger. Maar deze toename van de magnetische kracht zal niet eeuwig duren.

Nadat de magneet buiten de koelkast tot kamertemperatuur is opgewarmd, zal het magnetisme weer normaal worden. Het is gaaf hoe een temperatuurverandering van een paar graden het onzichtbare magnetische veld kan beïnvloeden!

Gebakken magneten:

Hier is een experiment om aan te tonen dat hitte magneten zwakker maakt. Neem een ​​paar magneten en bak ze in de oven op een lage temperatuur van 150 graden F (65 graden) gedurende 10-20 minuten. Verwijder na het bakken de magneten en test hun trekkracht.

Probeer paperclips of kleine spijkers op te rapen. Je zou moeten merken dat de hitte de magneten minder sterk maakte. Het bakken verminderde hun magnetische aantrekkingskracht in de warme oven. Het laat zien dat zelfs milde hitte de onzichtbare magnetische velden van permanente magneten kan verstoren.

Magnetische aantrekkingskracht:

Neem twee sterke magneten. Plak één magneet op een ijspak zodat het erg koud wordt. Plak de andere magneet op een handwarmerpakket, zodat deze lekker warm wordt. Probeer nu de twee magneten langzaam naar elkaar toe te brengen.

Let op hoe sterk de tegenovergestelde polen elkaar aantrekken en bij elkaar blijven. Je zult merken dat het voor de warme magneet veel moeilijker is om de koude magneet aan te trekken.

De koude magneet heeft nog steeds een sterk magnetisme, maar de hitte verzwakt het magnetisme in de warme magneet. Het toont aan dat hogere temperaturen de onzichtbare magnetische krachten tussen magneten verminderen. Best netjes!

Gesmolten magneten:

Met de hulp van volwassenen kun je laten zien hoe magneten hun magnetisme verliezen als ze te veel worden verwarmd. Gebruik kookplaten of ovens voorzichtig om een ​​magneet voorbij 770 graden (1418 graden F) te verwarmen. Dit is hoger dan hun Curietemperatuur, waar ze niet langer magnetisch zijn.

Nadat de magneet zo sterk is verwarmd, mag deze niet meer aan metalen voorwerpen blijven kleven of andere magneten afstoten!

Spelen met magneten en hoge temperaturen kan gevaarlijk zijn, dus vraag een volwassene om te helpen alles veilig te overzien. Maar het is mooi om te zien hoe temperatuur de onzichtbare magnetische krachten van een magneet kan wegnemen. Wees altijd heel voorzichtig en voer experimenten alleen uit onder goed toezicht van een volwassene.

Conclusie

Temperatuur heeft een grote invloed op magneten. Permanente magneten zoals ijzer of neodymium verliezen al het magnetisme boven het Curiepunt. Koudere temperaturen verbeteren hun veldsterkte.

Elektromagneten worden geleidelijk zwakker als ze warmer worden, vanwege een lagere elektrische geleidbaarheid. Maar koude stimuleert supergeleidende elektromagneten tot zeer hoge velden. Zorgvuldige temperatuurcontrole is van cruciaal belang. Door permanente magneten uit de buurt van extreme hitte te houden, blijft het magnetisme behouden.

Koelelektromagneten maken sterkere magnetische velden mogelijk. Door warm en koud te benutten, worden nieuwe magnetische toepassingen in de wetenschap, geneeskunde en techniek ontgrendeld.

Veelgestelde vragen over de invloed van temperatuur op magneten

Hoe weet ik of een magneet is beïnvloed door temperatuur?

Test de sterkte van de magneet door het magnetische veld te meten of het vermogen om een ​​bekend gewicht op te tillen. Vergelijk de specificaties om eventueel verlies aan magnetisme te bepalen.

Wat is de Curietemperatuur van een magneet?

De Curietemperatuur is de drempel waarbij een materiaal zijn permanente magnetische eigenschappen verliest als gevolg van thermische effecten.