دما چگونه بر آهنرباها تأثیر می گذارد؟

آهنرباهامیدان‌های نیروی نامرئی ایجاد می‌کند که فلزات از جمله آهن، نیکل و کبالت را جذب می‌کند. گرما بر نحوه عملکرد آهنرباها تأثیر می گذارد. وقتی هوا گرمتر می شود، آهنرباها ضعیف تر می شوند. در گرمای بسیار زیاد، مغناطیسی بودن آنها متوقف می شود. درک تأثیر دما اهمیت دارد.

دانستن اینکه گرما چگونه آهنرباها را تحت تأثیر قرار می دهد به ما امکان می دهد دستگاه ها و سیستم هایی را مهندسی کنیم که در دماهای مختلف عملیاتی به طور قابل اعتمادی عمل کنند.

این مقاله براییک نمای کلی از مغناطیس ارائه دهید و توضیح دهید که چگونه دما بر آهنرباهای دائمی و آهنرباهای الکتریکی تأثیر می گذارد. همچنین در مورد دمای کوری و کاربردهایی که اثرات دما بر آهنرباها یک فاکتور اساسی طراحی هستند بحث خواهیم کرد.

چه چیزی باعث می شود آهنرباها کار کنند؟

آهنرباها به دلیل ذرات ریز درون خود به نام الکترون کار می کنند. الکترون ها مانند آهنرباهای چرخان کوچک عمل می کنند. در بیشتر موارد، الکترون ها به طور تصادفی به هر طرف می چرخند. اما در مواد آهنربایی، اسپین های الکترون در یک ردیف قرار می گیرند.

اسپین های تراز شده یک میدان مغناطیسی کلی با دو سر ایجاد می کنند - قطب شمال و جنوب. قطب های مخالف یکدیگر را جذب می کنند، مانند شمال و جنوب. اما همان قطب ها برای دو شمال دفع می کنند.

اینکه آهنربا چقدر قوی است بستگی به این دارد که از چه چیزی ساخته شده است. برخی مواد اسپین های الکترونی خود را بهتر از سایرین در یک ردیف قرار می دهند. این توانایی برای مقاومت در برابر درهم ریختن چرخش ها، احتباس نامیده می شود. ماندگاری بالاتر آهنربای قوی تری می سازد. تراز منظم هزاران الکترون که با هم می چرخند به آهنرباها اجازه می دهد تا به فلزات بچسبند!

آهنرباهای دائمی در مقابل الکترومغناطیس

دو نوع آهنربا وجود دارد، از جمله دائمی و الکترومغناطیسی. آهنرباهای دائمی مغناطیس خود را حفظ می کنند. آنها از آهن، نیکل، کبالت و فلزات کمیاب ساخته شده اند. اسپین های اتمی در این مواد به طور خود به خود در یک راستا قرار می گیرند.

الکترومغناطیس ها با عبور جریان الکتریکی از طریق یک سیم پیچ در اطراف یک هسته آهنی ساخته می شوند. میدان مغناطیسی توسط جریان در سیم ایجاد می شود. هنگامی که جریان متوقف می شود، آهنربای الکتریکی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد. 

آهنرباهای دائمی و آهنرباهای الکتریکی به طور متفاوتی تحت تأثیر دما قرار می گیرند. بیایید به هر یک نگاه کنیم:

چگونه دما بر آهنرباهای دائمی تأثیر می گذارد

آهنرباهای دائمی فقط در یک محدوده دمایی خاص کار می کنند. اگر یک آهنربای دائمی بالاتر از دمای خاصی که نقطه کوری نامیده می شود گرم شود، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد.

در نقطه کوری، چرخش های ریز درون ماده آهنربا به جای اینکه در یک ردیف قرار گیرند، شروع به نشان دادن در جهت های تصادفی می کنند. باعث می شود آهنربای دائمی مغناطیسی نباشد.

دمای کوری مواد مغناطیسی معمولی

گرم کردن آهنربای دائمی بالای نقطه کوری آن را کاملا غیر مغناطیسی می کند. بالاتر از این نقطه، اسپین های اتمی که مغناطیس ایجاد می کنند، مختل می شوند. باعث می شود آهنرباهای دائمی آهن، نیکل یا کبالت تمام رفتار مغناطیسی خود را از دست بدهند.

به طور معمول، این مغناطیس زدایی کامل را نمی توان در آهنرباهای سنتی معکوس کرد. آهنربا باید با استفاده از قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی قوی دیگر دوباره مغناطیسی شود.

با این حال، برخی از آهنرباهای خاکی کمیاب از نئودیمیم یا کبالت ساماریوم می توانند پس از حرارت دادن به نقطه کوری خود، مغناطیس خود را بازیابند. اما گرم کردن و خنک کردن مکرر از طریق استفاده روزانه هنوز هم می تواند به آرامی در طول زمان ذره ذره مغناطیس را کاهش دهد.

در دمای کوری، آهنربای دائمی با گرم شدن به تدریج قدرت خود را از دست می دهد. گرمای بیشتر به اسپین های اتم انرژی ارتعاشی بیشتری می دهد. این اختلال در چرخش های هم تراز، میدان مغناطیسی را به طور پیوسته ضعیف تر می کند.

خوشبختانه، این از دست دادن تدریجی مغناطیس با افزایش دما قابل برگشت است. هنگامی که آهنربای دائمی سرد می شود، اسپین های اتمی دوباره مرتب می شوند و قدرت مغناطیسی کامل باز می گردد. حتی تغییرات کوچک دمایی چند درجه ای می تواند قدرت میدان مغناطیسی را به طرز محسوسی تغییر دهد.

به طور خلاصه، آهنرباهای دائمی در محدوده دمایی محدود محدود بهترین عملکرد را دارند. گرمای بیش از حد آنها را به طور کامل یا جزئی مغناطیسی زدایی می کند. دماهای پایین تر قدرت میدان مغناطیسی را بهبود می بخشد.

مهندسان این اثرات حرارتی را هنگام طراحی دستگاه هایی با استفاده از آهنرباهای دائمی در نظر می گیرند. کنترل دقیق دما تضمین می کند که آهنرباها در اوج عملکرد مغناطیسی کار می کنند.

چگونه دما بر الکترومغناطیس ها تأثیر می گذارد

الکترومغناطیس با آهنربای دائمی متفاوت است. خاصیت مغناطیسی آنها از جریان الکتریسیته در یک سیم پیچ می آید. تغییر الکتریسیته میدان مغناطیسی را قوی‌تر یا ضعیف‌تر می‌کند.

گرما بر آهنرباهای الکتریکی تأثیر می گذارد و سیم را برای عبور جریان برق سخت تر می کند. وقتی سیم داغتر می شود، الکتریسیته داخل آن بیشتر می لرزد. حرکت هموار برق در یک جهت را چالش برانگیز می کند.

وقتی الکتریسیته به راحتی جریان نمی یابد، مقدار کمتری از سیم می تواند عبور کند. بنابراین، یک آهنربای الکتریکی در هنگام گرم شدن در مقایسه با سرد ضعیف تر می شود.

اما دمای متوسط ​​گرم و سرد خیلی روی آهنرباهای الکتریکی تأثیر نمی گذارد. جریان برق فقط کمی کاهش می یابد مگر اینکه سیم بیش از حد گرم شود. میدان مغناطیسی کمی ضعیف‌تر می‌شود، نه اینکه کاملاً از بین برود.

خنک کردن زیاد آهنربای الکتریکی باعث می شود الکتریسیته به راحتی جریان یابد. یک مثال استفاده از نیتروژن مایع است که -196 درجه است! میدان مغناطیسی قوی با الکتریسیته کمتر را امکان پذیر می کند. الکترومغناطیس های فوق سرد می توانند میدان هایی را 100،{2}} برابر میدان زمین ایجاد کنند!

به طور خلاصه، آهنرباهای الکترومغناطیس در هنگام گرم شدن ضعیف می شوند زیرا سیم در برابر الکتریسیته مقاومت بیشتری دارد. دمای بسیار سرد جریان الکتریسیته را بهبود می بخشد و میدان مغناطیسی را تقویت می کند. اما گرما مانند آهنرباهای دائمی مغناطیس الکترومغناطیس را از بین نمی برد.

نمونه هایی از اثرات دما بر آهنرباها

برای اینکه ببینیم دما چگونه بر آهنرباها تأثیر می گذارد، به چند نمونه واقعی نگاه می کنیم:

● آهنرباهای یخچال از آهنرباهای دائمی ساخته شده از فریت یا نئودیمیم استفاده می کنند. هنگامی که گرم می شوند به طرز محسوسی ضعیف تر می شوند اما وقتی دوباره سرد می شوند مغناطیسی کامل را به دست می آورند. رها کردن آنها در برابر حرارت مانند اجاق گاز می تواند به مرور زمان آنها را به آرامی مغناطیس زدایی کند.

● دستگاه های MRI از آهنرباهای الکترومغناطیس ابررسانا بسیار قوی استفاده می کنند که با هلیوم مایع فوق خنک می شوند. خنک کننده به آنها اجازه می دهد تا میدان مغناطیسی قوی 3 تسلا ایجاد کنند که برای اسکن های دقیق بدن لازم است.

● آهنرباهای الکترومغناطیس بزرگی که برای بلند کردن خودروها در محوطه های زباله استفاده می شوند، آهنربای جرثقیل نامیده می شوند. آنها بارهای سنگین را با استفاده از نیروی مغناطیسی بلند می کنند. در روزهای گرم، آهنربا به دلیل گرما نمی تواند حداکثر وزن خود را بلند کند و آن را ضعیف می کند. خنک کردن سیم پیچ آهنربا امکان بلند کردن اجسام سنگین تر را فراهم می کند.

● آهنرباهای نئودیمیوم کوچک در موتورهای کوچک گشتاور خود را از دست می دهند و در صورت گرم شدن بیش از حد موتور، کارایی کمتری پیدا می کنند. دمای بالا آهنرباهای دائمی را در روتور چرخان مغناطیسی می کند. میدان مغناطیسی دوار را که باعث کارکرد موتور می شود تضعیف می کند.

● نوارهای مغناطیسی و هارد دیسک ها از ذرات ریز آهن برای ذخیره داده ها استفاده می کنند. گرمای بیش از حد ذرات مغناطیسی را به هم می ریزد و داده ها را پاک می کند. بنابراین ذخیره‌سازی مغناطیسی دارای حداکثر دمایی است که می‌تواند قبل از از بین رفتن داده‌ها در آن کار کند.

این مثال‌ها نشان می‌دهند که چگونه کنترل و مدیریت دما هنگام کار با آهن‌ربا حیاتی است. آهنرباهای دائمی برای حفظ خواص مغناطیسی نیاز به خنک کننده دارند. در عین حال، آهنرباهای الکتریکی باید از گرمای بیش از حد جلوگیری کنند، مقاومت سیم را افزایش دهند و قدرت میدان را کاهش دهند.

تاثیر دماهای پایین بر آهنرباها

ما شاهد بوده ایم که دمای بالا قدرت آهنربا را کاهش می دهد. در مورد دمای انجماد چطور؟

همانطور که قبلا ذکر شد، کاهش انرژی حرارتی به تثبیت تراز اسپین های اتمی در آهنرباهای دائمی کمک می کند. بنابراین، آهنرباهای دائمی در دماهای برودتی حتی قوی تر می شوند.

سرد کردن آهنرباهای نئودیمیم با نیتروژن مایع تا {0}} درجه می‌تواند نیروی کشش را در مقایسه با دمای اتاق 2-5x افزایش دهد. این حالت فوق مغناطیسی کاربردهای جدیدی مانند قطارهای مگلو را فعال می کند.

الکترومغناطیس ها به دلیل مقاومت الکتریکی صفر سیم ها (ابر رسانایی) از دمای پایین نیز بهره می برند. این منجر به میدان های مغناطیسی عظیمی از سیم پیچ های کوچک می شود.

MRI و الکترومغناطیس های تحقیقاتی علمی توسط هلیوم مایع خنک می شوند تا از پتانسیل ابررساناهایی مانند نیوبیم-قلع استفاده کنند. عملکرد در دمای پایین امکان تولید آسان میدان های مغناطیسی با قدرت بالا را فراهم می کند.

بنابراین، در حالی که گرما آهنرباها را ضعیف می کند، دمای سرد عملکرد آهنربا را افزایش می دهد. هم آهنرباهای دائمی و هم آهنرباهای الکتریکی را می توان با کاهش حرکت حرارتی در سطح مولکولی تقویت کرد.

چگونه دما بر ساختار آهنرباها تأثیر می گذارد؟

بلوک های ساختمانی کوچکی که مواد مغناطیسی را تشکیل می دهند، هنگام گرم شدن یا سرد شدن تغییر می کنند. این بر میزان مغناطیسی بودن آنها تأثیر می گذارد. بیایید بررسی کنیم که چگونه دما حوزه های شبکه کریستالی و مغناطیسی انواع آهنربا را تغییر می دهد.

آهنرباهای دائمی دارای نواحی کوچکی به نام دامنه هستند. هر دامنه مانند یک آهنربای کوچک با اسپین های هم تراز است. اما دامنه های همسایه به روش های تصادفی اشاره می کنند. گرمایش ساختار مرتب دامنه را به هم می‌ریزد و آهنربا را ضعیف‌تر می‌کند. خنک‌کننده، دامنه‌ها را مرتب می‌کند و مغناطیس کل را تقویت می‌کند.

مواد مختلف ساختار شبکه کریستالی متفاوتی دارند. این فاصله و ترتیب اتم ها است. آهن یک ساختار دارد و کبالت ساختاری دیگر. بهترین تراز دامنه به فاصله اتمی خاص و حالت انرژی هر شبکه کریستالی بستگی دارد.

الکترومغناطیس‌ها سیم‌هایی هستند که به‌جای مواد جامد، به صورت حلقه‌ها پیچیده شده‌اند. اما آنها اغلب دارای هسته های کریستالی آهن یا فولاد هستند. گرما باعث می شود اتم ها به ارتعاش درآمده و از هم جدا شوند. تراز دامنه در هسته را مختل می کند و مغناطیس را کاهش می دهد. سرد نگه داشتن آهنرباهای الکتریکی ساختار دامنه خوبی را حفظ می کند.

به طور کلی، آرایش اتمی نامرئی توضیح می دهد که چرا مغناطیس با دما تغییر می کند. گرمایش ساختار کوچک را مختل می کند. خنک کننده نظم و ثبات منظمی را به ارمغان می آورد. درک این خواص در مقیاس نانو برای مهندسی آهنرباها برای دماهای بالا یا پایین بسیار مهم است.

انتخاب مواد مغناطیسی مناسب

آهنرباهای دائمی از آهن، نیکل، کبالت و مخلوط فلزات خاکی کمیاب خارق العاده ساخته شده اند. مهندسان مواد را بر اساس محدوده دما، قدرت و نیازهای هزینه انتخاب می کنند.

آهنرباهای آلنیکو دارای آهن، آلومینیوم، نیکل و کبالت هستند. آنها تا 600 درجه کار می کنند، اما قدرت میدان مغناطیسی آنها متوسط ​​است، حدود 0.5-1.3T.

آهنرباهای سرامیکی یا فریتی از فریت های باریم و استرانسیوم استفاده می کنند. آنها کم هزینه هستند اما قدرت میدان ناچیزی زیر 0.4T دارند.

آهنرباهای کبالت ساماریوم می توانند میدان های با قدرت بالا تا 1.1 تن ایجاد کنند و تا 350 درجه کار کنند اما گران هستند.

آهنرباهای آهن-نئودیمیم-بور بهترین عملکرد کلی را دارند. آنها میدان های قوی تا 1.4T دارند و تا 230 درجه کار می کنند.

خواص مغناطیسی آهنرباهای دائمی رایج

برای الکترومغناطیس‌ها، سیم پیچ‌های مسی رسانایی را به حداکثر می‌رسانند و می‌توانند برای تقویت میدان خنک شوند. هسته های آهنی میدان مغناطیسی را متمرکز می کنند. آهن با پوشش نیکل نیز در برابر خوردگی مقاومت می کند.

نئودیمیم یا کبالت ساماریم برای قوی ترین مزارع علیرغم هزینه، بهترین عملکرد را دارد. محدوده دمایی که آهنربا باید در آن کار کند بهترین ماده را تعیین می کند.

آزمایش های سرگرم کننده با آهنربا

با استفاده از آهن ربا و مواد مختلف می توانید آزمایش های علمی هیجان انگیز را در خانه امتحان کنید.

آهنرباهای سرد:

می توانید ببینید که چگونه دمای سرد آهنرباها را با یک آزمایش سرگرم کننده قوی تر می کند. یک آهنربای یخچال بردارید و آن را به یخچال خود بچسبانید. مگنت را چند ساعت در یخچال بگذارید. سپس، از آن برای برداشتن گیره های کاغذ یا سایر فلزات مغناطیسی استفاده کنید.

آیا آهنربا وقتی سرد است احساس می کند که اجسام فلزی را با شدت بیشتری می کشد؟ دمای پایین در یخچال باعث می شود آهنربا به طور موقت قدرتمندتر شود. اما این افزایش قدرت مغناطیسی برای همیشه دوام نخواهد داشت.

پس از گرم شدن آهنربا به دمای اتاق خارج از یخچال، خاصیت مغناطیسی آن به حالت عادی باز می گردد. جالب است که چگونه چند درجه تغییر دما می تواند بر میدان مغناطیسی نامرئی تأثیر بگذارد!

آهنرباهای پخته شده:

در اینجا آزمایشی وجود دارد که نشان می دهد گرما باعث ضعیف شدن آهنرباها می شود. مقداری آهن ربا بردارید و در فر با دمای پایین 150 درجه فارنهایت (65 درجه) به مدت 10-20 دقیقه بپزید. بعد از پخت، آهنرباها را بردارید و نیروی کشش آنها را آزمایش کنید.

سعی کنید گیره های کاغذ یا میخ های کوچک را بردارید. باید توجه داشته باشید که گرما باعث کاهش قدرت آهنرباها شده است. پخت کشش مغناطیسی آنها را در فر گرم کاهش داد. این نشان می دهد که حتی گرمای ملایم می تواند میدان مغناطیسی نامرئی آهنرباهای دائمی را مختل کند.

جاذبه مغناطیسی:

دو آهنربای قوی بردارید. یک آهنربا را به کیسه یخ بچسبانید تا خیلی سرد شود. آهنربای دیگر را به یک بسته گرمکن دستی بچسبانید تا زیبا و گرم شود. حالا سعی کنید به آرامی دو آهنربا را به سمت یکدیگر بیاورید.

توجه داشته باشید که قطب های مخالف با چه شدتی جذب و به هم می چسبند. متوجه خواهید شد که جذب آهنربای سرد برای آهنربای گرم بسیار سخت تر است.

آهنربای سرد هنوز دارای خاصیت مغناطیسی قوی است، اما گرما مغناطیس آهنربای گرم را ضعیف می کند. این نشان می دهد که دمای بالاتر نیروهای مغناطیسی نامرئی بین آهنرباها را کاهش می دهد. بسیار تمیز!

آهنرباهای ذوب شده:

با کمک بزرگسالان، می توانید نشان دهید که چگونه آهنرباها وقتی بیش از حد گرم می شوند، مغناطیس خود را از دست می دهند. برای گرم کردن آهنربا از 770 درجه (1418 درجه فارنهایت) با احتیاط از صفحات داغ یا فر استفاده کنید. این بالاتر از دمای کوری آنهاست، جایی که دیگر مغناطیسی نیستند.

بعد از اینکه آهنربا را بسیار گرم کردید، دیگر نباید به اجسام فلزی بچسبد یا آهنرباهای دیگر را دفع کند!

بازی با آهن ربا و دمای بالا می تواند خطرناک باشد، بنابراین از یک بزرگسال کمک بگیرید تا با خیال راحت بر همه چیز نظارت کند. اما دیدن اینکه چگونه دما می تواند قدرت مغناطیسی نامرئی آهنربا را از بین ببرد، خوب است. همیشه بسیار مراقب باشید و آزمایشات را فقط با نظارت مناسب بزرگسالان انجام دهید.

نتیجه

دما به شدت بر آهنرباها تأثیر می گذارد. آهنرباهای دائمی مانند آهن یا نئودیمیم تمام خاصیت مغناطیسی خود را بالاتر از نقطه کوری از دست می دهند. دمای سردتر قدرت میدان آنها را بهبود می بخشد.

الکترومغناطیس ها به دلیل رسانایی الکتریکی پایین تر، به تدریج ضعیف می شوند. اما سرما مغناطیس های الکترومغناطیس ابررسانا را به میدان های بسیار بالا می برد. کنترل دقیق دما حیاتی است. دور نگه داشتن آهنرباهای دائمی از گرمای شدید باعث حفظ مغناطیس می شود.

مغناطیس های الکتریکی خنک کننده میدان های مغناطیسی قوی تری را ممکن می کند. مهار گرم و سرد برنامه های مغناطیسی جدید را در علوم، پزشکی و مهندسی باز می کند.

سوالات متداول در مورد اینکه دما چگونه بر آهنرباها تأثیر می گذارد

چگونه می توانم بفهمم که آهنربا تحت تأثیر دما قرار گرفته است؟

قدرت آهنربا را با اندازه‌گیری میدان مغناطیسی یا توانایی آن برای بلند کردن وزنه مشخص، آزمایش کنید. مشخصات را با هم مقایسه کنید تا از دست دادن مغناطیس مشخص شود.

دمای کوری آهنربا چقدر است؟

دمای کوری آستانه ای است که یک ماده به دلیل اثرات حرارتی خواص مغناطیسی دائمی خود را از دست می دهد.