מגנטים נדירים בכדור הארץ

נוזל מגנטי על זכוכית, עם מגנט נדיר מתחת

מגנטי נאודימיום (גלילים קטנים) מרימים כדורי פלדה. כפי שמוצג כאן, מגנטים נדירים יכולים להרים משקל פי אלפים ממשקלם

מגנטים נדירים בכדור הארץ הם מגנטים קבועים וחזקים שעשויים מסגסוגת של אלמנטים נדירים שנמצאים בכדור הארץ.

מגנטים נדירים בכדור הארץ הם הסוג החזק ביותר של מגנט שקיימים על כדור הארץ, נושא המגנטים התפתח בשנות ה-70 וה-80. מגנטים אלו מייצרים שדות מגנטיים חזקים משמעותית יותר מאשר שדות מגנטים של מתכות נורמטיביות כמו סמריום ונאודימיום.

השדה המגנטי שלהם יכול לחרוג ב-1.4 טסלה בניגוד למתכות אחרות אשר חורגות ב-0.5 עד 1 טסלה.

(טסלה היא יחידת מידה סטנדרטית למדידת שדה מגנטי, סימולה T).

ההתפתחות של מגנטים נדירים בכדור הארץ החלה סביב 1966, כאשר שני מדענים של מעבדת המחקר של חיל האוויר (AFRL) גילו כי סגסוגת של איטריום וקובלט היא ללא ספק התרכובת עם האנאיזוטרופיה המגנטית הקבועה הגדולה ביותר מכל חומר שנמצא אז.

הסבר על כוחם

המגנטים הנדירים של כדור הארץ הם מתכות שהן פרומגנטיות, כלומר, כמו ברזל ניתן למגנט אותן כדי להפוך למגנטים קבועים.

טמפרטורת הקירי גורמת לפרומגנטיות של המגנט הנדיר להיעלם.

המגנטים הנדירים עשויים מתרכובות שדומות לתרכובות של מתכות המעבר: ברזל, ניקל וקובלט.

הכוח האדיר של המגנטים הנדירים נובע בעיקר משני גורמים:

גורם ראשון הוא שהמבנים הגבישיים שלהם מכילים אנאיזוטרפיה גבוהה מאוד.

הגורם השני הוא שהאטומים של המגנטים הנדירים יכולים להיות לרגעים מגנטיים גבוהים, משום שמבנה האלקטרונים האלטרנטיבי שלהם מכיל אלקטרונים לא מזוהמים רבים, בניגוד לאלמנטים אחרים, שבהם כמעט כל האלקטרונים קיימים בזוגות עם ספינים מנוגדים.

התכונות המגנטיות

כמה מאפיינים חשובים המשמשים להשוואת מגנטים קבועים הם:

1. המגנטיות הנותרת לאחר הרחקת השדה המגנטי אשר מודד את עוצמת השדה המגנטי בין מגנט למגנט;
2. ההתנגדות של החומר לניטרול המגנטיות (של משהו);
3. אנרגיית הצפיפות של אנרגיה מגנטית;
4. טמפרטורת קירי - הטמפרטורה שבה החומר מאבד את המגנטיות שלו.

למגנטים נדירים בכדור הארץ יש השתיירות גבוהה יותר, כפיינות גבוהה יותר ומוצר אנרגיה גבוה יותר, אבל לנאודימיום לפחות יש נקודת קירי יותר נמוכה משאר הסוגים.

טבלה משווה בין סוגי המתכות הנדירות: נאודימיום, סמריום-קובלט למתכות אחרות.

T C (° C)	( BH ) מקסימום (kJ / m 3 )	H ci (kA / m)	B r (T)	מגנט
310-400	200-440	750-2000	1.0-1.4	Nd 2 Fe 14 B (מודבקים)
310-400	60-100	600-1200	0.6-0.7	Nd 2 Fe 14 B (מלוכדות)
720	120-200	600-2000	0.8-1.1	SmCo 5 (מודבקים)
800	150-240	450-1300	0.9-1.15	Sm (Co, Fe, Cu, Zr) 7 (מודבקים)
700-860	10-88	275	0.6-1.4	אלניקו (מודבקים)
450	10-40	100-300	0.2-0.4	פריט  (מודבקים)

סוגים

מגנטים של ברזל נאודימיום בורון

סמריום-קובלט - (נוסחה כימית: SmCo5) - שייך למשפחת המגנטים הנדירים של כדור הארץ שהומצאו במעבדה ואינו נמצא בטבע. פחות בשימוש מאשר נאודימיום משום עלותו הגבוהה. הכוח המגנטי שלו נמוך בהרבה משל נאודימיום, אך טמפרטורת הקירי שלו גבוהה יותר. יישום מגנטים אלו שיש בהם כוח מגנטי גבוה, דורש הפעלת טמפרטורות גבוהות.

הם עמידים מאוד לחמצון אך נשברים בקלות, בעיקר כאשר הם חשופים להלם תרמי.

נאודימיום - (נוסחה כימית: Nd2Fe14B או בקיצור NIB) - מגנטי נאודימיום נוצרו בשנות ה-80', הם המגנטים החזקים ביותר ממשפחה זו ועלותם סבירה יחסית.

מגנטי ננאודימיום משמשים ביישומים הדורשים חוזק, כגון: מנועים חשמליים, כלים אלחוטיים, כוננים קשיחים, מעצורים מגנטיים, תכשיטים.

יתרונות: הם בעלי כוח השדה המגנטי הגבוה ביותר ויש להם כפיפות גבוהה יותר (מה שהופך אותם יציבים מבחינה מגנטית).

חסרונות: טמפרטורת קורי נמוכה, פגיעים יותר לחימצון מאשר מגנטי סמריום קובלט. קורוזיה עלולה לגרום למגנטים לא מוגנים לאבד את שכבת פני השטח או להתפורר לאבקה.

כדי למנוע התפוררות ואיבוד פני השטח יש לצפות את שטח המגנט בחומרים כגון: זהב, ניקל, אבץ, ציפוי פח, ציפוי אפוקסי, או שרף.

סכנות

כוח גדול המופעל על ידי מגנטים נדירים מכדור הארץ יוצר סיכונים שאינם קיימים בסוגים אחרים של מגנט. אף מגנטים בגודל של כמה סנטימטרים חזקים מספיק כדי לגרום לפציעות בחלקי הגוף כאשר הם נמצאים בין שני מגנטים או מגנט ומשטח מתכת, ואפילו לגרום לשברים בעצמות . מגנטים שקרובים אחד לשני יכולים להתנגש בכוח עצום כל כך, עד שהם יכולים לנפץ סוגים של חומרים מסוימים, והרסיסים המתעופפים מהחומר יכולים לגרום לפציעות.

מקרים בהם ילדים צעירים שבלעו מספר מגנטים נפצעו באופן חמור במערכת העיכול, עד כדי גרימת מוות.

ועדת בטיחות הצרכנים בארצות הברית (USCPSC) חוקקה חוק שמגביל את גודל המגנטים הנדירים, אך חוק זה התבטל על ידי החלטת בית משפט פדרלית בארצות הברית בנובמבר 2016.

שימושים

שני אובייקטים עשויים מכדורי מגנטי נאודימיום

מאז שמחיר המגנטים הפך תחרותי בשנות ה-90, הנאודימיום הוחלף באלניקו ופריט בתחומים מודרניים וטכנולוגים הדורשים מגנטים חזקים.

שימושים נפוצים

יישומים נפוצים של מגנטי כדור-הארץ כוללים:

• כונני דיסק קשיח במחשב.
• טורבינות רוח וגנרטורים
• רמקולים / אוזניות
• אופניים ודינמו
• סורקי MRI
• סלילי דיג
• מכשירים אלחוטיים
• מנוע סרוו
• מנועי גרירה וגנרטורים משולבים בכלי רכב היברידיים וחשמליים.
• פנסים המופעלים מכנית.
• שימושים תעשייתיים כגון שמירה על טוהר המוצר, הגנה על ציוד, ובקרת איכות.
• צעצועי מגנט נאודימיום

ראו גם

• יסודות קריטיים לטכנולוגיה
• יסודות נדירים
• כלכלה מעגלית
• מיחזור
• לנתניד