كيف تؤثر درجة الحرارة على المغناطيس؟

مغناطيستولد مجالات قوة غير مرئية تسحب المعادن، بما في ذلك الحديد والنيكل والكوبالت. تؤثر الحرارة على مدى جودة عمل المغناطيس. عندما يصبح الجو أكثر سخونة، تصبح المغناطيسات أضعف. عند الحرارة العالية جدًا، تتوقف عن كونها مغناطيسية. فهم تأثير درجة الحرارة مهم.

تتيح لنا معرفة كيفية تأثير الحرارة على المغناطيس تصميم الأجهزة والأنظمة التي تعمل بشكل موثوق عبر درجات حرارة التشغيل المختلفة.

هذه المقالة سوف العلاقات العامةتقديم لمحة عامة عن المغناطيسية وشرح كيفية تأثير درجة الحرارة على المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي. سنناقش أيضًا درجة حرارة كوري والتطبيقات التي تكون فيها تأثيرات درجة الحرارة على المغناطيس عامل تصميم أساسي.

ما الذي يجعل المغناطيس يعمل؟

يعمل المغناطيس بسبب وجود جزيئات صغيرة بداخله تسمى الإلكترونات. تعمل الإلكترونات مثل مغناطيسات صغيرة تدور. في معظم الأشياء، تدور الإلكترونات في كل اتجاه بشكل عشوائي. لكن في المواد المغناطيسية، تصطف دورانات الإلكترون.

تشكل السبينات المحاذية مجالًا مغناطيسيًا شاملاً ذو طرفين - القطبين الشمالي والجنوبي. الأقطاب المتضادة تنجذب لبعضها البعض، مثل الشمال والجنوب. لكن نفس القطبين يتنافران لشمالين.

تعتمد مدى قوة المغناطيس على المادة المصنوع منها. تحافظ بعض المواد على إلكتروناتها المغزلية في اصطفاف أفضل من غيرها. تُسمى هذه القدرة على مقاومة اختلاط السبينات بالاحتفاظ. ارتفاع القدرة على الاحتفاظ بالمغناطيس يجعل المغناطيس أقوى. إن المحاذاة الدقيقة لمليارات الإلكترونات التي تدور معًا تسمح للمغناطيس بالالتصاق بالمعادن!

المغناطيس الدائم مقابل المغناطيس الكهربائي

يوجد نوعان من المغناطيس، بما في ذلك الدائم والكهرومغناطيسي. يحتفظ المغناطيس الدائم بمغناطيسيته. وهي مصنوعة من الحديد والنيكل والكوبالت والمعادن النادرة. تصطف السبينات الذرية في هذه المواد تلقائيًا.

يتم تصنيع المغناطيسات الكهربائية عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر ملف سلكي حول قلب حديدي. يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة التيار المار في السلك. عندما يتوقف التيار، يفقد المغناطيس الكهربائي مغناطيسيته. 

تتأثر المغناطيسات الدائمة والمغناطيسات الكهربائية بشكل مختلف بدرجة الحرارة. دعونا ننظر إلى كل واحد:

كيف تؤثر درجة الحرارة على المغناطيس الدائم

يعمل المغناطيس الدائم فقط في نطاق درجة حرارة محدد. إذا تم تسخين المغناطيس الدائم فوق درجة حرارة معينة، تسمى نقطة كوري، فسوف يفقد مغناطيسيته.

عند نقطة كوري، تبدأ الدورات الصغيرة داخل المادة المغناطيسية في التوجيه في اتجاهات عشوائية بدلاً من الاصطفاف. إنه يجعل المغناطيس الدائم يتوقف عن كونه مغناطيسيًا.

درجات حرارة كوري للمواد المغناطيسية المشتركة

تسخين المغناطيس الدائم فوق نقطة كوري يجعله غير مغناطيسي تمامًا. وفوق هذه النقطة، تتعطل السبينات الذرية التي تخلق المغناطيسية. يتسبب في فقدان المغناطيس الدائم من الحديد أو النيكل أو الكوبالت لكل سلوكه المغناطيسي.

عادةً، لا يمكن عكس عملية إزالة المغناطيسية الكاملة هذه في المغناطيس التقليدي. ويجب إعادة مغنطة المغناطيس باستخدام التعرض لمجال مغناطيسي قوي آخر.

ومع ذلك، يمكن لبعض المغناطيسات الأرضية النادرة من النيوديميوم أو كوبالت السماريوم أن تستعيد مغناطيسيتها بعد تسخينها إلى ما بعد نقطة كوري الخاصة بها. لكن التسخين والتبريد المتكرر من خلال الاستخدام اليومي يمكن أن يقلل ببطء من المغناطيسية شيئًا فشيئًا بمرور الوقت.

تحت درجة حرارة كوري، سيفقد المغناطيس الدائم قوته تدريجيًا مع ارتفاع درجة حرارته. المزيد من الحرارة يعطي الذرة تدور المزيد من الطاقة الاهتزازية. هذا الاضطراب في السبينات المحاذية يجعل المجال المغناطيسي أضعف بشكل مطرد.

ولحسن الحظ، فإن هذا الفقدان التدريجي للمغناطيسية مع زيادة درجة الحرارة يمكن عكسه. عندما يبرد المغناطيس الدائم، تتم إعادة تنظيم السبينات الذرية، وتعود القوة المغناطيسية الكاملة. حتى التغيرات الصغيرة في درجات الحرارة لبضع درجات يمكن أن تغير بشكل ملحوظ قوة المجال المغناطيسي.

باختصار، يعمل المغناطيس الدائم بشكل أفضل ضمن نطاق درجة حرارة مثالي محدود. تؤدي الحرارة الزائدة إلى إزالة مغناطيسيتها كليًا أو جزئيًا. تعمل درجات الحرارة المنخفضة على تحسين قوة المجال المغناطيسي.

يأخذ المهندسون هذه التأثيرات الحرارية في الاعتبار عند تصميم الأجهزة التي تستخدم المغناطيس الدائم. يضمن التحكم الدقيق في درجة الحرارة أن تعمل المغناطيسات بأعلى أداء مغناطيسي.

كيف تؤثر درجة الحرارة على المغناطيسات الكهربائية

المغناطيس الكهربائي يختلف عن المغناطيس الدائم. تأتي مغناطيسيتها من الكهرباء التي تتحرك عبر ملف سلكي. تغيير الكهرباء يجعل المجال المغناطيسي أقوى أو أضعف.

تؤثر الحرارة على المغناطيسات الكهربائية عن طريق جعل السلك أكثر صعوبة في تدفق الكهرباء من خلاله. عندما يصبح السلك أكثر سخونة، تهتز الكهرباء داخله بشكل أكبر. إنه يجعل من الصعب على الكهرباء أن تتحرك بسلاسة في اتجاه واحد.

عندما لا تتدفق الكهرباء بسهولة، يمكن أن تمر كمية أقل عبر السلك. لذلك، يصبح المغناطيس الكهربائي أضعف عندما يكون ساخنًا مقارنة به عندما يكون باردًا.

لكن متوسط ​​درجات الحرارة الساخنة والباردة لا يؤثر على المغناطيسات الكهربائية كثيرًا. ينخفض ​​​​تدفق الكهرباء قليلاً فقط ما لم يسخن السلك. يصبح المجال المغناطيسي أضعف قليلاً، ولا يختفي تمامًا.

تبريد المغناطيس الكهربائي كثيرًا يجعل الكهرباء تتدفق بسهولة. مثال على ذلك استخدام النيتروجين السائل، ودرجة حرارته -196 ! إنها تسمح بمجالات مغناطيسية قوية مع كهرباء أقل. يمكن للمغناطيسات الكهربائية فائقة البرودة أن تنتج مجالات تعادل 100000 ضعف مجال الأرض!

باختصار، تضعف المغناطيسات الكهربائية عندما تكون ساخنة لأن السلك يقاوم الكهرباء بشكل أكبر. تعمل درجات الحرارة الباردة جدًا على تحسين تدفق الكهرباء وتقوية المجال المغناطيسي. لكن الحرارة لا تزيل مغناطيسية المغناطيس الكهربائي كما هو الحال في المغناطيس الدائم.

أمثلة على تأثيرات درجة الحرارة على المغناطيس

لمعرفة كيفية تأثير درجة الحرارة على المغناطيس، دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة الواقعية:

● يستخدم مغناطيس الثلاجة مغناطيسًا دائمًا مصنوعًا من الفريت أو النيوديميوم. تصبح أضعف بشكل ملحوظ عندما تكون ساخنة ولكنها تستعيد مغناطيسيتها الكاملة عندما تبرد مرة أخرى. إن تركها بالحرارة مثل الفرن يمكن أن يؤدي إلى إزالة مغناطيسيتها ببطء بمرور الوقت.

● تستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي مغناطيسات كهربائية قوية جدًا فائقة التوصيل يتم تبريدها بشكل فائق باستخدام الهيليوم السائل. يتيح لهم التبريد إنشاء مجالات مغناطيسية قوية تبلغ 3 تسلا اللازمة لإجراء عمليات مسح تفصيلية للجسم.

● تسمى المغناطيسات الكهربائية الكبيرة المستخدمة لرفع السيارات في ساحات الخردة بمغناطيسات الرافعات. يرفعون الأحمال الثقيلة باستخدام القوة المغناطيسية. في الأيام الحارة، لا يستطيع المغناطيس رفع أقصى وزن له بسبب الحرارة، مما يؤدي إلى إضعافه. يسمح تبريد ملف المغناطيس الكهربائي برفع الأشياء الثقيلة.

● تفقد مغناطيسات النيوديميوم الصغيرة الموجودة في المحركات الصغيرة عزم الدوران وتصبح أقل كفاءة في حالة ارتفاع درجة حرارة المحرك. تعمل درجات الحرارة المرتفعة على إزالة مغنطة المغناطيس الدائم في الجزء الدوار. فهو يضعف المجال المغناطيسي الدوار الذي يجعل المحرك يعمل.

● تستخدم الأشرطة المغناطيسية ومحركات الأقراص الصلبة جزيئات حديدية صغيرة لتخزين البيانات. تؤدي الحرارة الزائدة إلى خلط الجزيئات المغناطيسية، مما يؤدي إلى محو البيانات. لذا فإن التخزين المغناطيسي لديه أقصى درجة حرارة يمكن أن يعمل فيها قبل فقدان البيانات.

توضح هذه الأمثلة مدى أهمية التحكم في درجة الحرارة وإدارتها عند العمل باستخدام المغناطيس. يتطلب المغناطيس الدائم التبريد للحفاظ على الخصائص المغناطيسية. وفي الوقت نفسه، يجب على المغناطيسات الكهربائية تجنب ارتفاع درجة الحرارة، وزيادة مقاومة الأسلاك، وتقليل شدة المجال.

تأثير درجات الحرارة المنخفضة على المغناطيس

لقد رأينا درجات الحرارة المرتفعة تقلل من قوة المغناطيس. ماذا عن درجات الحرارة المتجمدة؟

كما ذكرنا من قبل، فإن تقليل الطاقة الحرارية يساعد على تثبيت محاذاة السبينات الذرية في المغناطيس الدائم. لذلك، يصبح المغناطيس الدائم أقوى عند درجات الحرارة المبردة.

يمكن أن يؤدي تبريد مغناطيس النيوديميوم مع النيتروجين السائل إلى درجة -196 إلى زيادة قوة السحب بمقدار 2-5x مقارنة بدرجة حرارة الغرفة. تتيح هذه الحالة شديدة الممغنطة تطبيقات جديدة مثل قطارات ماجليف.

تستفيد المغناطيسات الكهربائية أيضًا من درجات الحرارة المنخفضة بسبب المقاومة الكهربائية الصفرية للأسلاك (الموصلية الفائقة). وهذا يؤدي إلى مجالات مغناطيسية هائلة من ملفات صغيرة.

يتم تبريد التصوير بالرنين المغناطيسي والمغناطيسات الكهربائية للبحث العلمي بواسطة الهيليوم السائل للاستفادة من إمكانات الموصلات الفائقة مثل النيوبيوم والقصدير. تتيح عملية درجة الحرارة المنخفضة توليدًا أسهل للمجالات المغناطيسية عالية القوة.

لذلك، في حين أن الحرارة تضعف المغناطيس، فإن درجات الحرارة الباردة تعزز أداء المغناطيس. يمكن تعزيز كل من المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي عن طريق تقليل الحركة الحرارية على المستوى الجزيئي.

كيف تؤثر درجة الحرارة على بنية المغناطيس؟

تتغير وحدات البناء الصغيرة التي تشكل المواد المغناطيسية عند تسخينها أو تبريدها. إنه يؤثر على مدى مغناطيسيتها. دعونا نتفحص كيف تغير درجة الحرارة الشبكة البلورية والمجالات المغناطيسية لأنواع المغناطيس.

يحتوي المغناطيس الدائم على مناطق صغيرة تسمى المجالات. يشبه كل مجال مغناطيسًا صغيرًا يدور بشكل متوازي. لكن المجالات المجاورة تشير بطرق عشوائية. يؤدي التسخين إلى تشويش بنية المجال الأنيقة، مما يجعل المغناطيس أضعف. يصطف التبريد المجالات بدقة، مما يعزز المغناطيسية الكلية.

المواد المختلفة لها هياكل شبكية بلورية مختلفة. إنه التباعد بين الذرات وترتيبها. للحديد بنية واحدة، وللكوبالت بنية أخرى. تعتمد أفضل محاذاة للمجال على التباعد الذري وحالات الطاقة الخاصة بكل شبكة بلورية.

المغناطيسات الكهربائية عبارة عن أسلاك ملفوفة في حلقات وليست مادة صلبة. ولكن غالبًا ما تحتوي على نوى من الحديد أو الفولاذ البلوري. التسخين يجعل الذرات تهتز وتنتشر. إنه يعطل محاذاة المجال في القلب، مما يقلل المغناطيسية. الحفاظ على برودة المغناطيسات الكهربائية يحافظ على بنية المجال الجيدة.

بشكل عام، يفسر الترتيب الذري غير المرئي سبب تغير المغناطيسية مع درجة الحرارة. اضطرابات التدفئة الهيكل الصغير. التبريد يجلب النظام والاستقرار. إن فهم هذه الخصائص النانوية أمر بالغ الأهمية لهندسة المغناطيس لدرجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة.

اختيار مادة المغناطيس المناسبة

يتكون المغناطيس الدائم من الحديد والنيكل والكوبالت ومزيج غير عادي من المعادن الأرضية النادرة. يختار المهندسون المواد بناءً على نطاق درجة الحرارة والقوة واحتياجات التكلفة.

يحتوي مغناطيس النيكو على الحديد والألومنيوم والنيكل والكوبالت. تعمل هذه الأجهزة بدرجة حرارة تصل إلى 600 درجة، لكن قوة مجالها المغناطيسي متوسطة، حوالي 0.5-1.3T.

يستخدم مغناطيس السيراميك أو الفريت فريت الباريوم والسترونتيوم. إنها منخفضة التكلفة ولكن قوة مجالها ضئيلة أقل من 0.4T.

يمكن لمغناطيس كوبالت الساماريوم أن يصنع مجالات عالية القوة تصل إلى 1.1 طن ويعمل حتى 350 درجة ولكنه مكلف.

تتمتع مغناطيسات الحديد والنيوديميوم والبورون بأفضل أداء عام. لديهم مجالات قوية تصل إلى 1.4T وتعمل حتى 230 درجة.

الخصائص المغناطيسية للمغناطيس الدائم المشترك

بالنسبة للمغناطيسات الكهربائية، تعمل الملفات النحاسية على زيادة التوصيلية إلى الحد الأقصى ويمكن تبريدها لتعزيز المجال. تركز النوى الحديدية المجال المغناطيسي. كما أن الحديد المطلي بالنيكل يقاوم التآكل.

يعمل النيوديميوم أو كوبالت السماريوم بشكل أفضل في أقوى الحقول على الرغم من التكلفة. يحدد نطاق درجة الحرارة الذي يجب أن يعمل فيه المغناطيس المادة الأفضل.

تجارب ممتعة بالمغناطيس

يمكنك تجربة تجارب علمية مثيرة في المنزل باستخدام المغناطيس والمواد المختلفة.

المغناطيس المبرد:

يمكنك أن ترى كيف تجعل درجات الحرارة الباردة المغناطيس أقوى من خلال تجربة ممتعة. أحضري مغناطيس الثلاجة وألصقيه على ثلاجتك. اترك المغناطيس في الثلاجة لبضع ساعات. ثم استخدمها لالتقاط مشابك الورق أو المعادن المغناطيسية الأخرى.

هل يبدو المغناطيس وكأنه يسحب الأجسام المعدنية بقوة أكبر عندما يكون باردًا؟ انخفاض درجة الحرارة في الثلاجة يجعل المغناطيس أكثر قوة بشكل مؤقت. لكن هذه الزيادة في القوة المغناطيسية لن تستمر إلى الأبد.

بعد أن يسخن المغناطيس إلى درجة حرارة الغرفة خارج الثلاجة، ستعود مغناطيسيته إلى وضعها الطبيعي. إنه لأمر رائع أن تؤثر بضع درجات من التغير في درجة الحرارة على المجال المغناطيسي غير المرئي!

المغناطيس المخبوز:

فيما يلي تجربة لإظهار أن الحرارة تجعل المغناطيس أضعف. خذ بعض المغناطيس واخبزها في الفرن على درجة حرارة منخفضة 150 درجة فهرنهايت (65 درجة) لمدة 10-20 دقيقة. بعد الخبز، قم بإزالة المغناطيس واختبر قوة سحبه.

حاول التقاط مشابك الورق أو المسامير الصغيرة. يجب أن تلاحظ أن الحرارة جعلت المغناطيس أقل قوة. قلل الخبز من سحبهم المغناطيسي في الفرن الدافئ. ويظهر أنه حتى الحرارة المعتدلة يمكن أن تعطل المجالات المغناطيسية غير المرئية للمغناطيس الدائم.

الجذب المغناطيسي:

خذ مغناطيسين قويين. ألصق مغناطيسًا واحدًا على كيس ثلج حتى يصبح باردًا جدًا. قم بربط المغناطيس الآخر بجهاز تدفئة اليد، حتى يصبح لطيفًا ودافئًا. الآن، حاول جلب المغناطيسين ببطء تجاه بعضهما البعض.

انتبه إلى مدى قوة جذب الأقطاب المتقابلة والتصاقها ببعضها البعض. ستلاحظ أنه من الصعب جدًا على المغناطيس الدافئ جذب المغناطيس البارد.

لا يزال المغناطيس البارد يتمتع بمغناطيسية قوية، لكن الحرارة تضعف المغناطيسية الموجودة في المغناطيس الدافئ. يوضح أن ارتفاع درجة الحرارة يقلل من القوى المغناطيسية غير المرئية بين المغناطيسات. أنيق جدا!

المغناطيس المنصهر:

بمساعدة البالغين، يمكنك إظهار كيف تفقد المغناطيس مغناطيسيته عند تسخينه أكثر من اللازم. استخدم الأطباق الساخنة أو الأفران بعناية لتسخين المغناطيس إلى ما يزيد عن 770 درجة (1418 درجة فهرنهايت). وهذا أعلى من درجة حرارة كوري، حيث تتوقف عن المغناطيسية.

بعد تسخين المغناطيس كثيرًا، لا ينبغي أن يلتصق بالأشياء المعدنية أو يتنافر مع المغناطيسات الأخرى!

قد يكون اللعب بالمغناطيس ودرجات الحرارة المرتفعة أمرًا خطيرًا، لذا اطلب من شخص بالغ مساعدتك في الإشراف على الأمور بأمان. ولكن من الرائع أن نرى كيف يمكن لدرجة الحرارة أن تزيل القوى المغناطيسية غير المرئية للمغناطيس. كن دائمًا حذرًا جدًا، وقم فقط بإجراء التجارب تحت إشراف مناسب من البالغين.

خاتمة

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على المغناطيس. تفقد المغناطيسات الدائمة مثل الحديد أو النيوديميوم كل مغناطيسيتها فوق نقطة كوري. تعمل درجة الحرارة الباردة على تحسين قوة المجال.

تضعف المغناطيسات الكهربائية تدريجياً عندما تكون أكثر سخونة بسبب انخفاض التوصيل الكهربائي. لكن البرد يدفع المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل إلى مجالات عالية جدًا. التحكم الدقيق في درجة الحرارة أمر حيوي. إن إبقاء المغناطيس الدائم بعيدًا عن الحرارة الشديدة يحافظ على المغناطيسية.

تتيح مغناطيسات التبريد الكهربائية مجالات مغناطيسية أقوى. يؤدي تسخير الحرارة والبرودة إلى فتح تطبيقات مغناطيسية جديدة في مجالات العلوم والطب والهندسة.

أسئلة وأجوبة حول كيف تؤثر درجة الحرارة على المغناطيس

كيف يمكنني معرفة ما إذا كان المغناطيس يتأثر بدرجة الحرارة؟

اختبر قوة المغناطيس عن طريق قياس مجاله المغناطيسي أو قدرته على رفع وزن معروف. قارن المواصفات لتحديد أي فقدان للمغناطيسية.

ما هي درجة حرارة كوري للمغناطيس؟

درجة حرارة كوري هي العتبة التي تفقد فيها المادة خواصها المغناطيسية الدائمة بسبب التأثيرات الحرارية.