Магниты при высоких и низких температурах: комплексный анализ влияния температуры на магнетизм

Магниты присутствуют во всех аспектах нашей жизни — от магнитов на холодильниках до двигателей электромобилей, от медицинских аппаратов МРТ до ветряных турбин. Но знаете ли вы, что небольшое изменение температуры может существенно изменить свойства магнита? Взаимосвязь между температурой и магнетизмом — это вечная борьба порядка и хаоса в микроскопическом мире.

Почему магниты так чувствительны к температуре?

Магниты обладают магнитными свойствами, поскольку в их внутренней атомной структуре присутствуют неспаренные электроны. При определённых условиях магнитные моменты этих электронов выстраиваются друг относительно друга, образуя упорядоченную магнитную доменную структуру, что обуславливает макроскопический магнетизм магнита. При изменении температуры эти микроскопические структуры также изменяются, что влияет на характеристики магнита.

Во-первых, высокая температура является «разрушителем» магнетизма.

Когда магнит подвергается воздействию высокой температуры, его внутренний порядок постепенно разрушается:

Постепенное размагничивание

Повышение температуры приводит к сильной вибрации атомов в магните, магнитные домены начинают располагаться беспорядочно, и магнетизм постепенно ослабевает12.

Обычные неодимовые магниты начинают испытывать обратимые магнитные потери при температуре выше 80°C (при повышении температуры на каждый 1°C теряется около 0,11% магнитной силы).

Необратимый ущерб

Если температура намного выше рабочей, но ниже точки Кюри, это может привести к необратимым потерям (для восстановления требуется повторное намагничивание).

Превышение температуры Кюри приведет к необратимому размагничиванию, и магнетизм не восстановится даже при охлаждении.

Напротив, низкая температура оказывает более благоприятное воздействие на магниты.

(i) Повышенный магнетизм

В отличие от высоких температур, низкотемпературная среда обычно усиливает магнетизм магнитов. Это объясняется тем, что при низкой температуре тепловое движение атомов ослабевает, структура магнитных доменов становится более стабильной, а расположение магнитных моментов — более упорядоченным. Например, в некоторых низкотемпературных экспериментальных установках при использовании магнитов обнаруживается, что их магнетизм сильнее, чем при комнатной температуре. Это явление особенно заметно в некоторых специальных магнитных материалах, например, в некоторых редкоземельных постоянных магнитах, способных сохранять высокие магнитные свойства при низких температурах.

(ii) Повышенная хрупкость материала

Хотя низкие температуры могут усиливать магнетизм магнитов, они также отрицательно влияют на их физические свойства. При низких температурах материал магнита становится более хрупким и легко ломается. Это связано с тем, что низкие температуры увеличивают межмолекулярные силы материала, в то время как тепловое движение атомов ослабевает, что приводит к снижению прочности материала.

(iii) Повышение стабильности структуры магнитных доменов

При низких температурах магнитная доменная структура внутри магнита более стабильна. Это обусловлено тем, что тепловое движение атомов при низких температурах ослабевает, расположение магнитных доменов становится более упорядоченным, а направление магнитных моментов – более постоянным. Эта стабильная магнитная доменная структура позволяет магниту сохранять сильный магнетизм при низких температурах, одновременно уменьшая неупорядоченные изменения в магнитной доменной структуре.

Наконец, различные магнитные материалы реагируют на температуру по-разному из-за различий в составе и структуре: