Magnesy w wysokich i niskich temperaturach: kompleksowa analiza wpływu temperatury na magnetyzm

Magnesy są obecne w każdym aspekcie naszego życia – od magnesów na lodówkę po silniki samochodów elektrycznych, od medycznych rezonansów magnetycznych po turbiny wiatrowe. Ale czy wiesz, że niewielka zmiana temperatury może znacząco zmienić właściwości magnesu? Związek między temperaturą a magnetyzmem to odwieczna walka między porządkiem a chaosem w mikroskopijnym świecie.

Dlaczego magnesy są tak wrażliwe na temperaturę?

Magnesy są magnetyczne, ponieważ w ich wewnętrznej strukturze atomowej znajdują się niesparowane elektrony. W pewnych warunkach momenty magnetyczne tych elektronów ustawiają się względem siebie, tworząc uporządkowaną strukturę domen magnetycznych, co sprawia, że magnes wykazuje magnetyzm makroskopowy. Wraz ze zmianą temperatury, te mikroskopijne struktury również ulegają zmianie, co wpływa na działanie magnesu.

Po pierwsze, wysoka temperatura jest czynnikiem zaburzającym magnetyzm.

Gdy magnes zostanie wystawiony na działanie wysokiej temperatury, jego wewnętrzny porządek stopniowo ulega rozpadowi:

Stopniowe rozmagnesowanie

Wzrost temperatury powoduje, że atomy w magnesie zaczynają gwałtownie wibrować, domeny magnetyczne zaczynają się układać w nieuporządkowany sposób, a magnetyzm stopniowo słabnie12.

Zwykłe magnesy neodymowe zaczynają wykazywać odwracalną utratę magnetyzmu, gdy temperatura przekroczy 80°C (przy wzroście temperatury o każdy 1°C następuje utrata sił magnetycznych o około 0,11%).

Nieodwracalne uszkodzenia

Jeżeli temperatura jest znacznie wyższa od temperatury roboczej, ale niższa od temperatury Curie, może to spowodować nieodwracalną stratę (w celu odzyskania konieczne jest ponowne namagnesowanie).

Przekroczenie temperatury Curie spowoduje trwałe rozmagnesowanie, którego nie da się przywrócić nawet po schłodzeniu.

Wręcz przeciwnie, niska temperatura ma bardziej przyjazny wpływ na magnesy

(i) Wzmocniony magnetyzm

W przeciwieństwie do wysokiej temperatury, środowisko o niskiej temperaturze zazwyczaj wzmacnia magnetyzm magnesów. Dzieje się tak, ponieważ ruch termiczny atomów jest osłabiony w niskiej temperaturze, struktura domen magnetycznych jest bardziej stabilna, a układ momentów magnetycznych jest bardziej uporządkowany. Na przykład, w niektórych niskotemperaturowych urządzeniach eksperymentalnych, przy użyciu magnesów, stwierdzono, że ich magnetyzm jest silniejszy niż w temperaturze pokojowej. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w przypadku niektórych specjalnych materiałów magnetycznych, takich jak niektóre magnesy trwałe z pierwiastków ziem rzadkich, które mogą utrzymywać wysokie właściwości magnetyczne w niskich temperaturach.

(ii) Zwiększona kruchość materiału

Chociaż niska temperatura może wzmocnić magnetyzm magnesów, będzie miała również niekorzystny wpływ na ich właściwości fizyczne. W niskich temperaturach materiał magnesu stanie się bardziej kruchy i łatwiejszy do złamania. Dzieje się tak, ponieważ niska temperatura wzmacnia siły międzycząsteczkowe materiału, a jednocześnie osłabia ruch termiczny atomów, co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości materiału.

(iii) Zwiększona stabilność struktury domen magnetycznych

W środowisku o niskiej temperaturze struktura domen magnetycznych wewnątrz magnesu jest bardziej stabilna. Wynika to z osłabienia ruchu termicznego atomów w niskiej temperaturze, bardziej uporządkowanego układu domen magnetycznych i bardziej spójnego kierunku momentów magnetycznych. Ta stabilna struktura domen magnetycznych umożliwia magnesowi utrzymanie silnego magnetyzmu w niskich temperaturach, jednocześnie redukując nieuporządkowane zmiany w strukturze domen magnetycznych.

Wreszcie, różne materiały magnetyczne reagują odmiennie na temperaturę ze względu na różnice w składzie i strukturze: