Magnet ja magnetism: püsimagnetid, elektromagnetid ja omadused

Avasta magneti saladused: püsimagnetid, elektromagnetid ja omadused — kuidas magnetism töötab, miks raud, nikkel ja koobalt tõmbuvad ning praktilised rakendused.

Magnet on eriline metall või materjal, millel on püsiv või ajutine võime teisi magnetilisi materjale tõmmata või lükata. Magnetitel on kaks poolust — põhja‑ (N) ja lõuna‑poolus (S). Erinevad poolused tõmbavad üksteist ligi, sarnased poolused lükkavad üksteist eemale. See nähtus on osa laiemast nähtusest, mida nimetatakse magnetismiks, ja selle põhjuseks on aine osakeste (eelkõige elektronide) magnetilised omadused ja korraldus materjalis. Magnet võib ka muuta mõne teise rauasisaldusega materjali ajutiselt magnetiliseks, näiteks kui neid omavahel hõõruda või panna magnetivälja mõjul.

Magnetväljad ja kuidas magnet töötab

Magnet ümbritseb end nähtamatu magnetväljaga, mille jooned kulgevad väljastpoolt magneti N‑poolusest S‑poolusesse. Magnetjõud tuleneb selle väljaga suhtlemisest teiste magnetiliste objektide või elektrivoolu kandvate juhtmetega. Magnetvälja tugevust ja suunda saab esitada vektorina ning selle ühikuks on tesla (T). Magnetväljade ja magnetjõudude mõistmiseks kasutatakse ka mõistet magnetiline moment ning magnetiline domeen – väikesed piirkonnad ferromagnetilistes materjalides, kus pööratud elektronspinnid on joondunud sama suunda.

Elektromagnetid ja pehmed magnetid

Elektromagnetid töötavad tänu voolule juhtmes: juhtme mähis (pool) tekitab mähise sees ja ümber magnetvälja. Tihti kasutatakse elektromagnetites pehmeid magneteid (või impermanentseid magneteid), mille magnetiline läbitavus ja induktsioon suureneb voolu mõjul ja väheneb, kui vool katkeb. Mähise sees olev ferromagnetiline südamik (nt rauasüdamik) võimendab mähise tekitatavat magnetvälja sageli sadu või tuhandeid kordi. Elektromagneti välju saab juhtida voolu suurusega — välj tugevneb koos voolu kasvuga — ning selle eeliseks on võime välja sisse‑ ja välja lülitada.

Püsimagnetid

Püsimagnetid on tavaliselt ferromagnetilised materjalid, mis hoiavad oma magnetiseeritust ilma välise voolu või pideva magnetvälja mõjuta. Neid leidub looduslikult mõnedes kivemites (näiteks lodestone) ja neid toodetakse ka tööstuslikult erinevatest sulamitest ja materjalidest. Püsimagnetite puhul sõltub magnetism temperatuurist: magnetiline tugevus tavaliselt väheneb soojenedes ja kaob täielikult, kui materjal ületab oma Curie‑temperatuuri — see kriitiline temperatuur sõltub materjalist. Näiteks raual on Curie‑punkt ligikaudu 770 °C, ferriit‑keraamilistel magnetitel ~450 °C ja neodüümisulamitel tavaliselt madalam (umbes 310–400 °C). Magnetit võib ka mehaaniliselt šokiga või tugeva vastasmagneteerimisega demagnetiseerida.

Magnetilised materjalid ja omadused

Magnetid tõmbavad ligi eelkõige metalle, millel on tugev ferromagnetism. Sellised peamised magnetilised elemendid on raud, koobalt ja nikkel. Metalle või sulame, mis sisaldavad palju rauda (näiteks teras), meelitavad magnetid hästi ligi.

• Mitte‑magnetilised või nõrgalt magnetilised materjalid: messing, vask, tsink ja alumiinium ei tõmba magneti külge (nad on diamagnetilised või paramagnetilised väga nõrgalt).
• Mitte‑magnetilised materjalid nagu puit ja klaas ei reageeri magnetitele, sest neis puuduvad märkimisväärsed ferromagnetilised omadused.

Püsimagnetide liigid

On mitmeid püsimagnetite tüüpe, igal tüübil on erinev magnetiline tugevus, vastupidavus kõrgetele temperatuuridele ja hind. Näited:

• Alnico — alumiinium‑nikkel‑kobalt sulamid, head kõrgetel temperatuuridel, kuid madala coercivity (kerge magnetiseerida ja ka osaliselt demagnetiseerida).
• Neodüümi (NdFeB) — väga tugevad püsimagnetid, laialt kasutusel kaasaegsetes mootorites, kõlarites ja kinnitustes; nad on habrased ja suhteliselt tundlikud kõrgete temperatuuride suhtes.
• Keraamilised või ferriit‑magnetid — odavad, korrosioonikindlad ja stabiilsed madalate kuni keskmiste temperatuuride korral, kuid nõrgemad kui neodüüm.
• Samarium‑kobalt (SmCo) — kõrge temperatuurikindlusega ja väga stabiilsed, ent kallimad.

Elektromagnetide ja püsimagnetite rakendused

Magnetitel on lai kasutusvaldkond:

• Elektromootorid ja generaatorid — magnetväljad muudavad elektrienergia mehaaniliseks energiaks ja vastupidi.
• Kõlarid ja mikrofonid — magnetiline väli liigutab membraani heli tekitamiseks või vastuvõtmiseks.
• Salvestusseadmed — magnetilised andmekandjad kõvakettadel ja varem ka lintidel.
• Meditsiinilised seadmed — näiteks magnetresonantstomograafia (MRT) kasutab väga tugevaid magnetvälju.
• Kinnidus‑ ja tõste‑magnetid, andurid, elektrlülitid ja palju muud.

Turvalisus ja praktilised nõuanded

Tugevad magnetid, eriti neodüümi‑tüüpi, võivad olla ohtlikud, sest nad tõmbuvad kiiresti metallobjektide poole ja võivad sõrmi purustada või kahjustada elektroonikat (nt kõvakettad, pangakaardid, implanteeritavad meditsiiniseadmed). Mõned punktid:

• Hoidke tugevaid magneteid eemal elektroonikast ja magnetandmetest.
• Vältige magnetide kokkupõrget — tugevad löögid võivad põhjustada pragunemise või demagnetiseerumise.
• Teadke materjali Curie‑temperatuuri: kuumutamine üle selle hävitab püsiva magnetismi.
• Jälgige, et lapsed ei mängiks väikeste tugevate magnetitega, sest alla kahe väikese magneti imemine võib kõhus olla ohtlik.

Lõpetuseks: magnetism on mitmekesine ja praktiline nähtus, mille aluseks on aine mikroskoopilised omadused. Mõistmine, millised materjalid on magnetilised, kuidas magnetväljad toimivad ja kuidas magnete ohutult kasutada, võimaldab neid efektiivselt rakendada igapäevases tehnoloogias ja teaduses.

Küsimused ja vastused

K: Mis on magnet?

K: Kuidas magnet suhtleb teise objektiga?

K: Mis juhtub, kui magnetid puutuvad kokku teatavate metallidega?

K: Kuidas nimetatakse kahe magneti vahelist jõudu?

K: Kas kõiki metalle saab magnetiteks muuta, kui neid magnetiga hõõruda?

K: Kas on olemas erinevaid magneteid?

K: Kuidas te teate, millist magnetipoolust (külge) kasutada objekti ligitõmbamiseks?

Otsing