Czarne, srebrne, lodówkowe, nadprzewodzące… Czym różnią się od siebie różne rodzaje magnesów? I czy oprócz neodymowych znasz też samarowo-kobaltowe lub Alnico?
Dawno, dawno temu…
Fraza „od zarania dziejów” w przypadku magnetyzmu oznacza szósty wiek przed naszą erą – z tego czasu pochodzą najstarsze znane doniesienia na temat niezwykłych własności minerału znanego jako magnetyt. Fascynował on starożytnych, bo w niewyjaśniony sposób przyciągał żelazo, co opisał Tales z Miletu. Ale opisał to nie znaczy, że wyjaśnił, bo ówcześni ludzie kombinowali coś na poziomie swojego rozumienia świata, więc nie mieli szans się połapać, skąd to zjawisko. A koncepcje o elementach i próżni wsysającej żelazo nie były w stanie wyjaśnić, dlaczego AKURAT żelazo jest przyciągane i nic innego.
Następne półtora tysiąca lat nic się nie działo, poza doniesieniem (żartem?) Pliniusza Starszego, że czosnek osłabia działanie magnesów… Dziać się zaczęło później, oczywiście w Chinach, gdzie w 1088 chiński uczony Shen Kuo opisał konstrukcję kompasu (co prawda „tłumacząc” ją zasadami feng-shui – coś z czymś się tam przecież przyciąga, nie?), a Zhu Yu w 1117 roku opisał, jak namagnesowana igła zachowuje się w naczyniu z wodą. Europejczycy nadganiają: Anglik Alexander Neckham w 1190 roku publikuje pierwszą wzmiankę o nawigacji z kompasem w Europie, a w 1269 roku Francuz Petrus Peregrinus, ponoć jako pierwszy, eksperymentuje z żelazem i magnetytem – ogarniając, że jest przyciąganie, odpychanie i bieguny. Kolejne trzysta lat to cisza (może wszyscy są zbyt zajęci wojnami i pandemiami?), aż w 1600 roku William Gilbert wreszcie podchodzi do sprawy naukowo, porządnie eksperymentując z magnetytem. Wysuwa nawet hipotezę, że Ziemia też jest magnesem!
Naukowe podejście do magnesów
Hop, 120 lat i dopiero się zaczyna – Hans Christian Ørsted dokonuje niechcący najważniejszej obserwacji w życiu, zauważając podczas wykładu dla studentów, że igła magnesu drgnęła, gdy przepuścił prąd przez pobliski przewodnik. SZOK I NIEDOWIERZANIE! Kompletnie nikomu się nie mogło nawet śnić, że zjawiska elektryczne i magnetyczne mogą być ze sobą powiązane. No ale, jako że już nie uprawiamy średniowiecznej scholastyki, czyli bezmyślnego powtarzania za mistrzami ich bzdur, tylko mamy metodę naukową, żeby weryfikować eksperymentalnie hipotezy, to teraz dalej idzie szybko. Ampere pokazuje w tym samym roku, że cewka z prądem zachowuje się jak magnes, a dekadę później pewien ubogi chłopiec bawiący się u introligatora drucikami ogarnia, jak produkować prąd, chociaż jeszcze nie wiadomo po co (indukcja elektromagnetyczna Faradaya).
Gdy w 1873 roku James Clerk Maxwell zapisuje swoje równania, to od strony teoretycznej mamy klasyczny elektromagnetyzm ogarnięty, a że już dawno alchemicy-quasiczarodzieje zamienili się w chemików-prawdziwych-naukowców, to i układ okresowy zaczynamy ogarniać (chociaż jeszcze jest dużo pustych miejsc). Od 1885 roku znamy neodym! Jednak dopiero w 1907 roku Weiss tworzy teorię domen magnetycznych, a fizyka kwantowa w XX wieku pozwala zrozumieć jak momenty magnetyczne atomów i symetrie kryształów wpływają na ostateczne własności magnetyczne materiałów. Ale nawet bez tej wiedzy można było tworzyć pierwsze magnesy stałe!
Z czego są zrobione magnesy?
Znany od Talesa z Miletu magnetyt to pospolity minerał składający się w ponad 70% z żelaza, tworzący tlenki na różnym stopniu utlenienia (dokładniej mówiąc: jest to tetratlenek triżelaza albo tlenek żelazawo-żelazowy). Na syntezę pierwszego magnesu trzeba było czekać do 1930 roku – wtedy Takeshi Takei z Tokijskiego Instytutu Technologicznego opracował procedurę syntetyzowania magnesów ferrytowych. Ferryty to związki żelaza na trzecim stopniu utlenienia z metalami dwuwartościowymi, jak Fe2O3 – dwadzieścia lat później w holenderskim Laboratorium Fizyki Philipsa w Eindhoeven przez pomyłkę asystenta, który, mając syntetyzować ferryt z lantanem, zrobił próbkę z barem, odkryto, że taki materiał ma lepsze własności magnetyczne i jest tańszy niż dotychczas używane!
Philips od 1952 r. produkował heksaferryt barowy pod nazwą Ferroxdure. W 1960 roku bar zastąpili strontem i tak w obiegu powszechne były zarówno BaO•6Fe2O3, jak i SrO•6Fe2O3. Wcześniej, w 1931 r., T. Mishima odkrył inny stop – żelaza, niklu i aluminium, mający wybitnie dużą koercję (którą można rozumieć jako „trwałość” magnesu). Po dodaniu go do spieków kobaltu otrzymano – oprócz ówcześnie najsilniejszych i najtrwalszych magnesów – wdzięczny akronim, nazwę Alnico. Jednakże kolejne kombinacje z końca XX wieku, np. z dodawaniem do ferrytów cynku i zmienianiem poziomów utlenienia żelaza, już nie miały aż takiego znaczenia, ponieważ do gry w 1984 roku wszedł General Motors oraz Sumitomo Special Materials, prezentując bezkonkurencyjny, jeśli chodzi o pole magnetyczne, magnes neodymowy!
Magnesy neodymowe to stopy neodymu, żelaza i boru, NdFeB. Kupując magnesy, możemy spotkać się z oznaczeniami typu „N40H” – N to skrót od neodymowy, symbol na końcu oznacza maksymalną temperaturę, w jakiej magnes może pracować (ponieważ wszystkie materiały po przekroczeniu tzw. temperatury Curie tracą własności magnetyczne) – brak oznaczenia to 80°C, M – 100°C, H – 120°C, aż do VH – 230°C, a „40” to jego „siła”, wyrażana w tajemniczej jednostce „MGOe”. Rozszyfrowanie akronimu na Mega-Gausso-Orstedy nie pomaga, po prostu im więcej tym lepiej. :p
Rozwój magnesów się nie zatrzymał
Bezkonkurencyjna indukcja magnetyczna magnesów neodymowych (o typowych wartościach pól magnetycznych pisaliśmy ostatnio w artykule „Jak silne może być pole elektromagnetyczne?„) sprawiła, że zawładnęły one rynkiem w silnikach, głośnikach, dyskach twardych i generatorach. Boom na neodym, pierwiastek ziem rzadkich, wywindował jego ceny, ponieważ o ile zapotrzebowanie na domowe magnesiki się nie zmieniło, to transformacja energetyczna w której istotną rolę odgrywają samochody elektryczne i generatory prądu, jak te w wiatrakach, sprawiła, że wartość rynkowa samego neodymu szacuje się na około 2,25 miliarda dolarów za 2020 rok, a ma osiągnąć 3,4 mld dolarów w 2028.
Ale magnesy neodymowe nie zawładnęły rynkiem w pełni – opracowane w latach ’60 XX wieku magnesy samarowo-kobaltowe były pierwszymi zawierającymi metale ziem rzadkich i wciąż się trzymają, ponieważ, w przeciwieństwie do neodymowych, są bardziej odporne na wysokie temperatury. Można też spotkać magnesy permanentne z „surowego” tlenku żelaza albo z węglanu baru czy węglan strontu. Różnego rodzaju ceramiczne spieki sproszkowanych tlenków metali mogą tworzyć „miękkie” magnesy („miękkość”/”twardość” materiału mówi o wartości koercji, czyli tego, jakie zewnętrzne pole magnetyczne trzeba przyłożyć do badanego ferromagnetyka, aby wyzerować jego namagnesowanie): przykładowo tlenki żelaza z tlenkami niklu, cynku, manganu, baru, strontu, a takie są potrzebne chociażby w transformatorach.
Historia magnesów bynajmniej się nie kończy, ponieważ prowadzenie kopalń ograniczonych zasobów metali ziem rzadkich budzi wątpliwości etyczne, a rodzi się pytanie co z podażą, gdy transformacja energetyczna będzie tworzyć znacznie zwiększony popyt? Dlatego wciąż trwają poszukiwania nowych materiałów, chociażby opartych o szkła metaliczne…
Źródła:
Chińscy naukowcy:
http://en.chinaculture.org/library/2008-02/01/content_26344.htm
Chronologia:
https://magnesy.net/o-magnetyzmie.html
Ferryty:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ferrite_(magnet)
Magnesy – ceramiki:
https://monroeengineering.com/info-magnets-ceramic-magnet.php
Neodym:
Neodymium Market Size, Share & Trends Analysis Report by Application (Magnets, Catalysts), By End Use (Automotive, Wind Energy, Electrical & Electronics), By Region, And Segment Forecasts, 2021 – 2028
https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/neodymium-market-report
https://www.magnetic-magnets.co.nz/technical/glossary.html
https://monroeengineering.com/info-magnets-neodynium-information.php
https://monroeengineering.com/info-magnets-what-are-neodynium-magnets.php
https://euromagnesy.com/pl/blog/1_magnesy-neodymowe-czemu-sa-tak-mocne.html
Fraden, Jacob (2010). Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 4th Ed. USA: Springer. p. 73.