Właściwości magnetyczne materiałów znane są już od czasów starożytnej Grecji. Dawniej ludzkość niezbyt dobrze rozumiała, dlaczego niektóre minerały są w stanie przyciągać siebie nawzajem bądź kawałki metalu, jednak – jak to zwykle bywało w naszej historii – wraz z rozwojem nauki rosło zainteresowanie nie tylko prawdziwą przyczyną występowania tajemniczych oddziaływań, ale także możliwościami ich praktycznego wykorzystania. Dziś mamy obszerny arsenał pojęć fizycznych, które umożliwiają opis, pomiar oraz obliczanie wielkości związanych z magnetyzmem – w tym artykule nie będziemy jednak zagłębiać się w szczegóły teoretyczne, podamy natomiast garść praktycznych informacji o budowie, rodzajach oraz zastosowaniach magnesów.
Magnes – czym właściwie jest i jak działa?
Aby lepiej zrozumieć działanie magnesów, należy najpierw, przynajmniej pobieżnie, zapoznać się z podziałem różnych materiałów pod względem właściwości magnetycznych. Najczęściej mówimy o trzech grupach, określanych jako: ferromagnetyki, paramagnetyki oraz diamagnetyki. Pierwsza z nich obejmuje materiały, które pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego (wytworzonego np. przez prąd płynący w pobliskim przewodzie), same wytwarzają „własne”, wewnętrzne pole, dodatkowo wzmacniające zewnętrzne oddziaływanie. Paramagnetyki także są zdolne do wzmacniania istniejącego wewnątrz nich pola magnetycznego, ale w stopniu nieporównanie mniejszym od ferromagnetyków. Ostatnia grupa materiałów to diamagnetyki – te nieznacznie osłabiają pole magnetyczne. Już w tym momencie domyślasz się zapewne, że do budowy magnesów wykorzystujemy ferromagnetyki. Jak jednak się dzieje, że magnesy stałe (zwane inaczej trwałymi) mogą same wytwarzać pole magnetyczne i to na tyle silne, że jest ono w stanie oddziaływać z przedmiotami znajdującymi się wokół nich? Odpowiedź leży w rodzaju ferromagnetyzmu. Materiały, z których wykonywane są magnesy, nazywamy ferromagnetykami twardymi – wykazują one zdolność do utrzymywania namagnesowania, nadawanego im w trakcie produkcji. Ferromagnetyki miękkie wzmacniają natomiast pole magnetyczne tylko w obecności pola zewnętrznego – kiedy ono jednak zaniknie, „własne” pole ferromagnetyka miękkiego także bardzo wyraźnie słabnie.
Rodzaje magnesów
Mówiąc o magnesach trwałych mamy na myśli dwie duże grupy elementów. Konwencjonalne magnesy ferrytowe mają ciemnoszarą (grafitową) barwę, półmatową powierzchnię i są bardzo kruche – łatwo o ich uszkodzenie po uderzeniu, zwłaszcza w rejonie ostrych krawędzi. Magnesy tego typu stosowane były powszechnie w silnikach elektrycznych, głośnikach elektrodynamicznych, zabawkach czy też np. zatrzaskach wykorzystywanych w meblarstwie. Ich niewątpliwą zaletą jest niski koszt produkcji, ale istotną wadą – stosunkowo słabe pole magnetyczne. W ciągu ostatnich dekad niezwykłą popularność zyskały natomiast magnesy neodymowe – produkowane ze specjalnego proszku, zawierającego trzy różne metale (neodym, żelazo i bor), prasowanego pod dużym ciśnieniem w obecności silnego, zewnętrznego pola magnetycznego, a następnie wyżarzanego w wysokiej temperaturze, co umożliwia trwałe związanie drobinek metalu i zachowanie silnego namagnesowania. Ogromna liczba zastosowań „neodymów” wynika z dużej siły wytwarzanego przez nie pola magnetycznego (nawet przy bardzo małych wymiarach magnesu) oraz coraz niższej ceny, związanej z upowszechnieniem się tej technologii. Niestety, magnesy neodymowe mają też swoje wady – są dość delikatne pod względem mechanicznym (kruchość) i chemicznym (korozja spowodowana dużą zdolnością do wchodzenia w reakcje chemiczne głównego pierwiastka – neodymu). Alternatywą dla magnesów neodymowych są elementy wykonane z tzw. stopu Alnico – odporne na korozję i lepiej zachowujące swoje właściwości w podwyższonych temperaturach w porównaniu do „neodymów”. W niektórych specjalistycznych zastosowaniach można spotkać także droższe, bardzo odporne na wysokie temperatury magnesy samarowo-kobaltowe.
Zastosowania magnesów
Magnesy stałe są podstawą konstrukcji wielu rodzajów napędów elektrycznych – w tym silników prądu stałego (komutatorowych, zwanych także szczotkowymi, lub – jeszcze prościej – silnikami DC), a także bezszczotkowych napędów BLDC, silników krokowych i niektórych silników synchronicznych. Magnesy można także znaleźć w prądnicach – dobrym przykładem będzie tutaj… zwykłe dynamo rowerowe. Zdecydowana większość głośników – w tym zarówno miniaturowe przetworniki montowane w słuchawkach, jak i wielkiej mocy głośniki obecne w kolumnach estradowych – także wykorzystują magnesy stałe do wytwarzania pola, w którym (w rytm odtwarzanej muzyki) porusza się membrana połączona z cewką. Niewielkie magnesy są wykorzystywane w zamknięciach szafek, zatrzaskach etui niektórych telefonów komórkowych, czy też w czujnikach otwarcia okien i drzwi, używanych do budowy systemów alarmowych. Magnesy przydają się ponadto w zastosowaniach domowych i biurowych – warto wspomnieć np. o tablicach magnetycznych czy też listwach do przechowywania noży kuchennych albo niewielkich narzędzi warsztatowych.
