Χάνουν οι μαγνήτες τον μαγνητισμό τους με την πάροδο του χρόνου;

Ναι, οι μόνιμοι μαγνήτες χάνουν αμελητέα ποσότητα μαγνητισμού με την πάροδο του χρόνου λόγω θερμότητας, μηχανικής βλάβης, διάβρωσης και ακατάλληλης αποθήκευσης.

Ουίσκι, τζιν, δερμάτινες μπότες και μπουφάν, τα 401(K) σας, ακόμα και αυτές οι ενοχλητικές αλλεργίες είναι μερικά πράγματα που είναι γνωστό ότι βελτιώνονται με τον καιρό, αλλά δεν ισχύει το ίδιο για τους μαγνήτες.

Οι μαγνήτες ψυγείου είναι γνωστό ότι πέφτουν μετά από μερικά χρόνια και οι μαγνήτες παιχνιδιών χάνουν παρομοίως τη δύναμή τους με την πάροδο του χρόνου. Στην πράξη, οι λεγόμενοι «μόνιμοι μαγνήτες» δεν είναι πραγματικά μόνιμοι.

Ο απομαγνητισμός —η διαδικασία μείωσης ή εξάλειψης των μαγνητικών δυνατοτήτων ενός μαγνήτη— γίνεται γενικά τεχνητά, αλλά μπορεί να συμβεί και φυσικά.

Οι ακραίες διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, η απώλεια όγκου λόγω μηχανικής βλάβης, η ακατάλληλη αποθήκευση, η απώλεια υστέρησης και η διάβρωση μπορούν όλα να ωθήσουν έναν μαγνήτη να χάσει τον μαγνητισμό του μακροπρόθεσμα.

Οι μαγνήτες μπορεί να χάσουν τη δύναμή τους για μεγάλες περιόδους. (Φωτογραφία:Jan H Andersen/Shutterstock)

Μαγνητισμός

Προτού μάθουμε περισσότερα για το πώς ένας μαγνήτης χάνει τον μαγνητισμό του, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι τον προκαλεί αρχικά.

Ο μαγνητισμός είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης και προκύπτει από την κίνηση των φορτισμένων υποατομικών σωματιδίων, ιδιαίτερα των ηλεκτρονίων. Αυτά τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια περιφέρονται συνεχώς γύρω από τον πυρήνα, ενώ περιστρέφονται επίσης γύρω από τους δικούς τους άξονες. Η τελευταία από τις δύο κινήσεις, επίσημα γνωστή ως σπιν ηλεκτρονίων, είναι μια εγγενής ιδιότητα και συμβάλλει με μεγάλο τρόπο στη δημιουργία ελκτικών ή απωστικών δυνάμεων, τις οποίες ονομάζουμε μαγνητισμό.

Με απλά λόγια, η τροχιακή και η περιστρεφόμενη κίνηση θεωρείται ότι παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα (ροή ηλεκτρονίων), το οποίο αναγκάζει τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια να δρουν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες (ηλεκτρομαγνητισμός). Κάθε μία από αυτές τις κινήσεις δημιουργεί το δικό της μαγνητικό δίπολο (τροχιακή μαγνητική διπολική ροπή και μαγνητική διπολική ροπή spin, αντίστοιχα) και συνδυάζονται για να δημιουργήσουν μια καθαρή ατομική μαγνητική διπολική ροπή.

(Τα νουκλεόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια περιστρέφονται επίσης γύρω από τους άξονές τους και προσθέτουν στην καθαρή μαγνητική ροπή ενός ατόμου, αν και η συνεισφορά τους είναι 1000 φορές μικρότερη από την επίδραση των ηλεκτρονίων, και επομένως αμελητέα.)

Η περιστροφή ηλεκτρονίων γύρω από τους άξονές τους είναι γνωστό ότι είναι η κύρια αιτία του μαγνητισμού.

Αρχή αποκλεισμού του Pauli

Τώρα, αν κάθε ηλεκτρόνιο είναι ένας μικροσκοπικός μαγνήτης και κάθε κομμάτι ύλης περιέχει τρισεκατομμύρια από αυτά, γιατί δεν είναι όλα γύρω μας μαγνητικά;

Απάντηση – Επειδή τα περισσότερα ηλεκτρόνια ακυρώνουν το ένα το μαγνητισμό του άλλου.

Σύμφωνα με την αρχή του αποκλεισμού του Pauli, τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο ίδιο τροχιακό κέλυφος έχουν αντίθετα σπιν και επομένως ακυρώνουν το ένα τη μαγνητική ικανότητα του άλλου. Σε ορισμένα στοιχεία, όπως ο σίδηρος και το κοβάλτιο (σιδηρομαγνητικά υλικά), το τελικό κέλυφος σθένους είναι μόνο μισογεμάτο και περιέχει ασύζευκτα ηλεκτρόνια.

Χωρίς αντίθετα ηλεκτρόνια για να τα εξουδετερώσουν, αυτά τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια παρέχουν συλλογικά τα αντίστοιχα άτομά τους με μαγνητικές δυνάμεις.

Όταν σχηματίζουν έναν κρύσταλλο, τα άτομα μπορούν είτε να ευθυγραμμίσουν τις μαγνητικές τους ροπές προς την ίδια κατεύθυνση είτε όχι, ανάλογα με το τι οδηγεί στη λιγότερη εσωτερική ενέργεια. Οι περιοχές στις οποίες οι μεμονωμένες μαγνητικές ροπές είναι παράλληλες μεταξύ τους (ευθυγραμμισμένες) είναι γνωστές ως μαγνητικές περιοχές .

Η απόκριση αυτών των περιοχών και των μεμονωμένων ατόμων σε ένα εφαρμοσμένο εξωτερικό πεδίο αποτελεί τη βάση για την ταξινόμηση διαφόρων μαγνητικών υλικών (Τύποι μαγνητικών υλικών).

Ένα στοιχείο ή υλικό αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν μόνιμος μαγνήτης όταν κάθε μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζεται προς την ίδια κατεύθυνση μετά την εφαρμογή ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Οι μαγνητικές περιοχές σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό ευθυγραμμίζονται με την παρουσία ενός εξωτερικού πεδίου, λειτουργώντας έτσι ως μόνιμος μαγνήτης.

Τι προκαλεί απώλεια στον μαγνητισμό;

Ένα μαγνητικό υλικό δεν είναι πραγματικά μαγνητικό εκτός εάν οι τομείς του είναι ευθυγραμμισμένοι με ακρίβεια. μια αλλαγή στην κατεύθυνση οποιουδήποτε μεμονωμένου τομέα μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια της καθαρής μαγνητικής ισχύος. Διάφοροι φυσικοί παράγοντες μπορούν να ωθήσουν αυτούς τους τομείς να τυχαιοποιηθούν. Το πιο κοινό και καταστροφικό είναι η υπερβολική ζέστη.

Θερμότητα

Ενώ όλα μπορεί να φαίνονται ήσυχα στην επιφάνεια, σε μικροσκοπικό επίπεδο, τα άτομα δονούνται συνεχώς. Η έκταση της δόνησής τους εξαρτάται από την ενεργειακή τους κατάσταση, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία τους. Οποιαδήποτε μικρή διακύμανση της θερμοκρασίας επηρεάζει την ένταση των ατομικών κραδασμών, επηρεάζοντας κατά συνέπεια τη συνολική μαγνητική ισχύ. Μια μείωση της θερμοκρασίας μεγεθύνει τις μαγνητικές δυνάμεις ενός μαγνήτη, ενώ μια αύξηση έχει αρνητικές επιπτώσεις σε αυτόν.

Όταν εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες, τα άτομα μέσα σε έναν μαγνήτη αρχίζουν να δονούνται με αυξανόμενο ρυθμό και πιο ξέφρενα. Αυτό αναγκάζει ορισμένες μαγνητικές περιοχές εκτός ευθυγράμμισης, γεγονός που προκαλεί μείωση του καθαρού μαγνητισμού. Σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, όλες οι μαγνητικές περιοχές ωθούνται σε κακή ευθυγράμμιση και ακολουθεί πλήρης απώλεια μαγνητισμού. Η θερμοκρασία στην οποία ένας μαγνήτης χάνει τις μόνιμες μαγνητικές του ικανότητες είναι γνωστή ως σημείο Κιουρί ή θερμοκρασία Κιουρί.

Θερμοκρασία vs Μαγνητισμός

Ένας μαγνήτης θα ανακτήσει τις μαγνητικές του ιδιότητες εάν θερμανθεί σε θερμοκρασία κάτω από το σημείο Κιουρί και στη συνέχεια κρυώσει (αν και μπορεί να σημειωθεί ελαφρά μείωση της ισχύος του). Ωστόσο, η ψύξη ενός μαγνήτη μετά τη θέρμανση πέρα ​​από το σημείο Κιουρί δεν θα βοηθήσει στην ανάκτηση του μαγνητισμού. Σε αυτήν την περίπτωση, θα χρειαστεί να εισαχθεί ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για να ευθυγραμμιστεί εκ νέου οι τομείς και να μαγνητιστεί ξανά το υλικό.

Ενώ η εφαρμογή θερμότητας είναι μία από τις κύριες μεθόδους απομαγνήτισης, η έκθεση σε τόσο υψηλά επίπεδα (μαγνήτες φερρίτη ~ 460°C, μαγνήτες alnico ~ 860°C, μαγνήτες κοβαλτίου σαμάριου ~ 750°C και μαγνήτης νεοδυμίου ~ 310°C) στην καθημερινή ζωή είναι ασυνήθιστο. Η φυσική απώλεια του μαγνητισμού οφείλεται κυρίως σε έναν από τους άλλους παράγοντες.

Ακατάλληλη αποθήκευση

Αν και μπορεί να φαίνεται ασήμαντο, η σωστή αποθήκευση των μαγνητών είναι απαραίτητη για να διασφαλιστεί ότι δεν θα χάσουν τη δύναμή τους με την πάροδο του χρόνου (και επίσης, να μην βλάψετε τα μαγνητικά σας μέσα, όπως πιστωτικές κάρτες, σκληρούς δίσκους, οθόνες κ.λπ.)

Οι περισσότεροι μαγνήτες ενσωματώνουν μια υγιή δόση σιδήρου, ένα στοιχείο που είναι γνωστό ότι διαβρώνεται παρουσία οξυγόνου και νερού. Οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενοι και ισχυρότεροι μόνιμοι μαγνήτες, οι μαγνήτες νεοδυμίου, είναι επίσης οι πιο ευάλωτοι στη διάβρωση λόγω της υψηλής περιεκτικότητάς τους σε σίδηρο (πάνω από 60%). Δεδομένου ότι η διάβρωση αλλάζει την υποκείμενη χημική δομή (Fe → Fe2O3) που κάνει ένα υλικό μαγνητικό, οδηγεί σε απώλεια της συνολικής αντοχής. Οι κατασκευαστές έχουν αρχίσει να ενσωματώνουν αντιδιαβρωτικές επιστρώσεις, αλλά πρέπει να δίνεται προσοχή κατά την αποθήκευση μαγνητών.

Οι μαγνήτες νεοδυμίου διαβρώνονται εύκολα όταν μένουν εκτεθειμένοι στην ατμόσφαιρα. (Προστασία φωτογραφίας:mango chutney/Wikimedia Commons)

Ένας μαγνήτης που τοποθετείται λανθασμένα κοντά σε έναν άλλο (ισχυρότερο) μαγνήτη μπορεί επίσης να χάσει μέρος ή ολόκληρο τον μαγνητισμό του. Παρόμοιοι πόλοι διαφορετικών μαγνητών δεν πρέπει ποτέ να αφήνονται να αγγίζουν ο ένας τον άλλον (ή να βρίσκονται σε κοντινή απόσταση), καθώς ο ισχυρότερος μαγνήτης θα αναγκάσει τις μαγνητικές περιοχές του ασθενέστερου να αλλάξουν κατεύθυνση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, μπορεί να συμβεί ολική αντιστροφή των πόλων. Αυτή η απώλεια μαγνητισμού λόγω ενός εξωτερικού (αδέσποτου) μαγνητικού πεδίου είναι γνωστή ως απώλεια υστέρησης. Διαβάστε περισσότερα για αυτό το φαινόμενο εδώ – Τι είναι η καμπύλη υστέρησης;

Δομική βλάβη

Τέλος, μια γενική μείωση του μεγέθους ή οποιαδήποτε δομική βλάβη θα προκαλέσει επίσης μείωση της μαγνητικής ισχύος. Προφανώς, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από μαγνήτες της ίδιας σύστασης υλικού εξαρτάται από το μέγεθος των μαγνητών. Όσο μεγαλύτερος είναι ο μαγνήτης, τόσο μεγαλύτερο είναι το μαγνητικό πεδίο που θα δημιουργηθεί. Οι δομικές ζημιές με τη μορφή θρυμματισμού θα αφαιρέσουν το μέγεθος του μαγνήτη και, κατά συνέπεια, τη μαγνητική του ισχύ.

Επιπλέον, αιχμηρές κρούσεις, όπως επανειλημμένα σφυρηλάτηση ενός μαγνήτη ή πτώση του σε μια σκληρή επιφάνεια, μπορούν να αναγκάσουν τους μαγνητικούς τομείς να μην ευθυγραμμιστούν και να μειώσουν τον μαγνητισμό. Ωστόσο, αυτό ισχύει μόνο για ορισμένους μόνιμους μαγνήτες. Οι μαγνήτες νεοδυμίου, κοβαλτίου σαμάριου και φερρίτη είναι αρκετά εύθραυστοι και θα σπάσουν εάν πέσουν σε σκληρή επιφάνεια ή σφυρηλατηθούν. Οι μαγνήτες Alnico, από την άλλη πλευρά, είναι αρκετά ισχυροί και δεν σπάνε ή ραγίζουν υπό μηχανική καταπόνηση.

Μια τελευταία λέξη

Για να παρατείνετε τη διάρκεια ζωής των μαγνητών σας και να αποτρέψετε τυχόν απώλεια μαγνητικής ισχύος, αποθηκεύστε τους μαγνήτες σας σε στεγνό και απομονωμένο μέρος. Εάν πρόκειται να αποθηκευτούν πολλοί μαγνήτες μαζί, κολλήστε το βόρειο άκρο του ενός στα νότια του άλλου και ούτω καθεξής. Οι μαγνήτες πετάλου μπορούν επίσης να αποθηκευτούν έτσι. Επιπλέον, σκεφτείτε να χρησιμοποιήσετε ένα προστατευτικό (οπλισμό)—ένα μικρό κομμάτι σιδήρου ή χάλυβα—για να αποφύγετε τον αυτοαπομαγνητισμό και να αποφύγετε την πλήρη καταστροφή τους.

Ενώ πολλαπλές δυνάμεις συνωμοτούν για να αφαιρέσουν τις δυνάμεις του μαγνήτη σας, η καθαρή μείωση του μαγνητισμού για μεγάλες περιόδους είναι πολύ μικρή. Για παράδειγμα, οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου χρειάζονται περίπου 700 χρόνια για να χάσουν φυσικά τη μισή τους ισχύ, ενώ οι μαγνήτες νεοδυμίου χάνουν μόνο περίπου το 5% του μαγνητισμού τους κάθε αιώνα.

Έτσι, μπορείτε να είστε σίγουροι ότι οι μόνιμοι μαγνήτες που βρίσκονται αυτή τη στιγμή στο συρτάρι σας θα σας κρατήσουν μια ζωή και θα μπορούσαν ακόμη και να περάσουν στα εγγόνια σας ως οικογενειακά κειμήλια!