Co przyciąga magnes neodymowy? – Analiza i podział materiałów

Zanim przejdziemy do opisu ferromagnetyków, wymieńmy najpopularniejsze diamagnetyki oraz paramagnetyki. Jak się później okaże, pomimo iż w formie czystych pierwiastków nie odznaczają się one (diamagnetyki) lub odznaczają w stopniu znikomym (paramagnetyki) właściwościami magnetycznymi, stanowią bardzo istotną rolę w budowie stopów, które, w połączeniu z innymi pierwiastkami, mogą stać się silnymi ferromagnetykami.

• miedź (Cu) – miękki i ciągliwy metal o wysokiej przewodności elektrycznej
• węgiel (C) – pierwiastek z grupy niemetali, niekiedy zaliczany do półmetali
• złoto (Au) – ciężki i miękki metal o najwyższej kowalności i ciągliwości ze wszystkich metali
• srebro (Ag) – srebrzystobiały metal  o największej przewodności elektrycznej i termicznej
• ołów (Pb) – metal ciężki koloru szarego o wysokiej gęstości
• bizmut (Bi) – kruchy półmetal o srebrnym połysku
• rtęć (Hg) – srebrzysty, ciekły metal
• cynk (Zn) – srebrzysty, średnio twardy i ciągliwy metal o niebieskawym odcieniu
• bor (B) – twardy półmetal, czarno-szarej barwy
• krzem (Si) – półmetal o szarej barwie, jeden z podstawowych budulców skorupy ziemskiej
• mosiądz – stop miedzi i cynku (diamagnetyk o ile nie zawiera domieszek ferromagnetyków)
• brąz – stop miedzi i cyny (diamagnetyk o ile nie zawiera domieszek ferromagnetyków)
• miedzionikiel – stop miedzi i niklu (w powszechnym zastosowaniu zawartość miedzi w stopie wynosi zwykle od 60 do 90%, dlatego pomimo zawartości ferromagnetycznego niklu stop pozostaje diamagnetykiem; aby stop zaczął odznaczać się właściwościami ferromagnetycznymi, zawartość niklu musi przekroczyć 56%)
  brązal – brąz z kilkuprocentowym dodatkiem glinu oraz niewielką domieszką innych metali
• woda (H2O) – najbardziej rozpowszechniony na Ziemi związek chemiczny

• aluminium / glin (Al) – metal o srebrzystej barwie, kowalny i ciągliwy
• magnez (Mg) – srebrzysty metal, miękki i ciągliwy
• mangan (Mn) – srebrzystoszary metal z różowym odcieniem, twardy i kruchy
• platyna (Pt) – srebrzysty, miękki, bardzo kowalny i ciągliwy metal
• pallad (Pd) – srebrzysty, kowalny i ciągliwy metal
• sód (Na) – miękki metal, o srebrzystej barwie i bardzo wysokiej aktywności chemicznej
• cez (Cs) – miękki metal, o srebrzystej barwie i bardzo wysokiej aktywności chemicznej
• potas (K) – podobnie jak sód i cez, srebrzysty i miękki metal, bardzo aktywny chemicznie
• cyna (Sn) – srebrzysty, miękki metal, kowalny i ciągliwy
• powietrze – mieszanina gazów i aerozoli składająca się na atmosferę ziemską

Ferromagnetyki dzielimy na trzy grupy: ferromagnetyki miękkie, półtwarde oraz twarde.

Miękkie – po usunięciu zewnętrznego pola magnesującego, tracą namagnesowanie, zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe, znacznie mniejsze do maksymalnego. Najpowszechniejsze ferromagnetyki miękkie to żelazo, nikiel i kobalt i to te pierwiastki (zwykle w formie stopów z innymi metalami) występują najczęściej w kontekście materiałów przyciąganych przez magnes.

Półtwarde – po namagnesowaniu w zewnętrznym polu magnetycznym, zachowują stan namagnesowania, jest on jednak łatwy do usunięcia (ich koercja magnetyczna, czyli zdolność do rozmagnesowania w zewnętrznym polu magnetycznym, wynosi od 1 do 10 kA/m; dla przykładu dla magnesów neodymowych, które należą do grupy ferromagnetyków twardych, koercja wynosi od 835 kA/m do nawet 2000 kA/m).

Twarde – pozostają namagnesowane nawet pod wpływem zmian zewnętrznego pola magnetycznego (pod warunkiem, że nie natężenie tego pola nie przekroczy granicznej wartości koercji dla tego ferromagnetyka twardego); ich natężenie koercji musi wynosić co najmniej 10 kA/m.

I to właśnie ferromagnetyki twarde stanowią podstawowy (ale nie jedyny) budulec magnesów trwałych, w tym magnesów neodymowych. Magnesy mają zdolność przyciągania innych ferromagnetyków, w tym ferromagnetyków miękkich, półtwardych i twardych. W przypadku, gdy inny ferromagnetyk twardy został namagnesowany i stał się magnesem trwałym, oba magnesy będą się przyciągać lub odpychać. Jeśli zbliżymy dwa magnesy do siebie biegunami jednoimiennymi (dwa bieguny dodatnie lub dwa bieguny ujemne) – będą się odpychać, natomiast w przypadku zbliżenia biegunami różnoimiennymi (jeden biegun dodatni, drugi ujemny) – będą się przyciągać.

Regularnie powtarzanym pytaniem, w kontekście wykorzystania magnesów neodymowych, jest hasło: “Jakie metale przyciąga magnes neodymowy?”. W praktyce wykorzystując magnes neodymowy np. do połowów lub poszukiwań, najczęściej spotykamy się ze znaleziskami w postaci ferromagnetyków miękkich. Są to wszystkie metaliczne obiekty, które magnes neodymowy przyciąga i które po oderwaniu od magnesu nie wykazują dalszych właściwości magnetycznych (ewentualnie krótkotrwałe namagnesowanie resztkowe).

Nazwa ferromagnetyki wywodzi się od głównego składnika ferromagnetyków – żelaza (Fe), które charakteryzuje się bardzo wysoką podatnością magnetyczną (w układzie SI wielkość fizyczna bezwymiarowa; określa łatwość, z jaką dana substancja ulega namagnesowaniu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego). Ze wszystkich pierwiastków, najwyższą podatnością magnetyczną, na poziomie 2×10^7, charakteryzuje się żelazo rodzime (żelazo metaliczne). Jest to minerał niezwykle rzadki i dostarczany na Ziemię wraz z upadkami meteorytów. Bardzo szybko podlega procesom chemicznym, w tym procesom utleniania, dlatego jest tak unikalny. Żelazo w przyrodzie występuje głównie w postaci tlenków, węglanów, wodorotlenków i siarczków. To stosowane w przemyśle, także do produkcji magnesów neodymowych, charakteryzuje się podatnością magnetyczną o wartości do 10^6. Poza żelazem, do podstawowych ferromagnetyków zalicza się nikiel (Ni) i kobalt (Co), a także następujące pierwiastki ziem rzadkich: gadolin (Gd), dysproz (Dy), holm (Ho) i terb (Tb). W życiu codziennym pierwiastki te rzadko występują w formie czystej. Znacznie częściej w formie stopów, bo to ze stopów powstają przedmioty powszechnego użytku.

Do najpopularniejszych stopów ferromagnetycznych należą stopy żelaza i węgla (np. stal, elementy stalowe, blachy stalowe), stopy żelaza i krzemu (np. blachy elektrotechniczne), stopy żelaza i niklu (np. permalloy), stopy żelaza i kobaltu (np. perminwar). Wszystkie one są dobrze przyciągane przez magnesy neodymowe.

Własności ferromagnetyczne wykazują nie tylko stopy pierwiastków ferromagnetycznych, ale również ferromagnetycznych z nieferromagnetycznymi, a także stopy samych pierwiastków nieferromagnetycznych (np. Cu2MnAl należący do tzw. stopów Heuslera). W ten sposób, pierwiastki ziem rzadkich, będące paramagnetykami, takie jak: neodym (Nd), prazeodym (Pr), erb (Er), samar (Sm),  tul (Tm), pomimo iż same nie wykazują zdolności do namagnesowania, w połączeniu z innymi pierwiastkami, mogą stać się ferromagnetykami, w tym ferromagnetykami twardymi, z których mogą powstać magnesy. Z takim właśnie zjawiskiem mamy do czynienia w przypadku magnesów neodymowych, gdzie z połączenia pierwiastków: paramagnetycznego neodymu (Nd), ferromagnetycznego żelaza (Fe) oraz diamagnetycznego boru (B), otrzymujemy najsilniejszy stop ferromagnetyczny – magnes neodymowy – o wzorze chemicznym Nd2Fe14B.

Oprócz wymienionych pierwiastków istnieją także, mniej popularne, ceramiczne materiały magnetyczne tzw. ferrimagnetyki. Analogicznie jak w przypadku ferromagnetyków, wyodrębnia się ferrimagnetyki miękkie oraz twarde. Miękkie znajdują przede wszystkim zastosowanie jako rdzenie transformatorów, cewki strojeniowe, dławiki, filtry czy elementy pamięciowe. Twarde ferrimagnetyki (np. ferryt kobaltowy CoFe2O4) są stosowane m. in. w nośnikach zapisu magnetycznego, gdzie wysoka koercja pozwala im zachować stan namagnesowania, a tym samym odczyt danych. Na co dzień ferrimagnetyki twarde spotykamy także w postaci magnesów na lodówkę oraz magnesów głośnikowych. Do ferrimagnetyków należą także, otrzymywane drogą spiekania proszków materiałów ceramicznych, ferryty, a ich najpopularniejszym, naturalnym przedstawicielem jest magnetyt Fe3O4. Charakteryzują się one wysoką rezystywnością elektryczną. Jednym z głównych odbiorców ferrytów jest przemysł radiowy. Występują również powszechnie w elektronice przemysłowej, przemyśle motoryzacyjnym, silnikach prądu stałego, urządzeniach AGD oraz zabawkach. Dlatego w kontekście tytularnego pytania niniejszego artykułu, dostajemy szeroką listę przedmiotów / materiałów / elementów codziennego użytku, które mogą być przyciągnięte przez magnes neodymowy.

Nie. Siła potrzebna do zerwania połączenia dwóch magnesów będzie taka sama, jak w przypadku złączenia magnesu ze stalową płytą, przy założeniu, że magnes neodymowy jak i stalowa płyta posiadają identyczną podatność magnetyczną (ze względu na skład chemiczny obu przedmiotów, podatność magnetyczna będzie zwykle bardzo podobna). Gęstość i powierzchnia strumienia magnetycznego przechodzącego przez tak połączone obiekty będzie identyczna, a co za tym idzie siła przyciągania będzie ta sama. Różnica w sile przyciągania magnes-magnes a magnes-stal będzie zauważalna dopiero wraz z oddalaniem się od siebie obiektów na pewną odległość (od odległości bliskiej zeru do kilkunastu mm dla małych magnesów oraz do 10 cm dla dużych magnesów). Przy oddaleniu dwóch magnesów zwróconych ku sobie przeciwnymi biegunami linie pola magnetycznego ulegną zagęszczeniu przy zewnętrznej krawędzi magnesów, a co za tym idzie wypadkowa gęstość strumienia przechodząca przez przyciągane magnesy będzie większa niż w przypadku pary magnes-stal. Przykładowo dla dwóch magnesów neodymowych klasy N52 o średnicy 75 mm i grubości 25 mm (jak magnes neodymowy Sensei 2×250 kg) siła przyciągania magnes-magnes oddalonych o 10 mm od siebie będzie około 2-krotnie większa niż w przypadku pary magnes-stal. Co należy podkreślić – w eksperymencie tym, bardzo istotne znaczenie ma wielkość płyty stalowej. Jej grubość powinna być zbliżona do grubości samego magnesu, natomiast średnica przynajmniej o 50% większa od średnicy magnesu. W przypadku gdy średnica płyty będzie równa średnicy magnesu, siła takiego połączenia (bez szczeliny powietrznej) będzie nawet o 50% mniejsza niż w przypadku połączenia dwóch magnesów o identycznej średnicy. Ma to związek ze wspomnianym powyżej zjawiskiem zagęszczenia linii pola magnetycznego przy krawędzi dwóch złączonych magnesów (w stosunku do braku takiego zagęszczenia dla połączenia magnes – płyta stalowa). W codziennych warunkach mamy do czynienia zwykle z sytuacją, w której płyta stalowa, do której przyczepiamy magnes, ma znacznie większe rozmiary niż sam magnes, dlatego posługując się skrótem myślowym możemy założyć, że siła przyciągania magnes-magnes oraz magnes-stal (w warunkach codziennych), przy zerowej szczelinie, będzie taka sama. Identycznie wygląda sytuacja w przypadku odpychania się dwóch magnesów skierowanych ku sobie biegunami jednoimiennymi – ich siła odpychania nie sumuje się i, co ciekawe, jest o 8-10% mniejsza od siły przyciągania się dwóch magnesów (dla tych samych odległości).

Nie. Złoto, podobnie jak srebro czy miedź, należy do diamagnetyków i nie jest przyciągane przez magnes.

Monety o nominałach 1, 2, i 5 groszy do 2 marca 2014 roku wybijane były z mosiądzu z dodatkiem manganu (tzw. mosiądz manganowy MM59 – CuZn40Mn). Z racji tego, że stop taki jest diamagnetyczny, monety te nie są przyciągane przez magnes. Następnie, ze względów ekonomicznych (koszt bicia monet był wyższy od ich nominalnej wartości) zmieniono recepturę – i od 3 marca 2014 monety te wykonywane są ze stali węglowej powleczonej warstwą mosiądzu. Jako że stal węglowa jest ferromagnetykiem, nowe monety 1, 2 i 5-groszowe są przyciągane przez magnes.

Monety o nominałach 10, 20 i 50 groszy oraz 1 zł wykonane są z miedzioniklu (MN25 – CuNi25), który, jak zostało to opisane na początku artykułu, należy do diamagnetyków. Monety te nie są zatem przyciągane przez magnes. Od 2 stycznia 2020 r. Narodowy Bank Polski zmienił stop monet 10 gr, 20 gr, 50 gr i 1 zł z miedzioniklu na stal pokrytą miedzią i niklem. Monety wybijane po tym okresie są przyciągane przez magnes.

Monety 2 i 5 złotych wykonane są z miedzioniklu (rdzeń monety 2 zł i pierścień monety 5 zł) oraz z brązalu (rdzeń monety 5 zł i pierścień monety 2 zł). Oba stopy są diamagnetykami co czyni monety 2 i 5 złotowe nieczułe na działanie magnesu.

Stale nierdzewne (INOX z fr. inoxydable – „nieutleniający się”) oznacza się liczbami postaci np. 18/0, czy 18/8. Pierwsza z tych liczb określa zawartość chromu w stali nierdzewnej, natomiast druga – niklu. Aby móc określić stal mianem nierdzewnej, zawartość chromu musi wynosić co najmniej 10,5%, natomiast występowanie niklu nie jest do tego konieczne.

Najpowszechniejszy gatunek stali nierdzewnej to stal nierdzewna 304 (należą do niej stale o zawartości chromu od 18 do 20% oraz niklu od 8 do 10,5%, dlatego gatunek ten często oznaczany jest także jako stal nierdzewna 18/8 lub 18/10). Jest ona paramagnetykiem i podlega lekkiemu przyciąganiu przez magnes.

Podobnie zachowuje się druga najpopularniejsza w obiegu – stal nierdzewna typu 316. W stosunku do stali 304, zawiera ona 2% dodatek molibdenu, który zwiększa jej odpornośc na kwasy i korozję. Również i ona należy do paramagnetyków i jest lekko przyciągana przez magnes.

Obie wymienione stale nierdzewne należą do tzw. stali austenitycznych. Inne stale austenityczne to: stal nierdzewna 301, 303, 321, które również należą do paramagnetyków i są lekko przyciągane przez magnes.

Stale nierdzewne ferrytyczne (typu 405, 409, 410, 430, 434, 436, 439, 444, 447) w gastronomii często określane symbolami 18/0 lub 21/0, stale nierdzewne martenzytyczne (typu 410, 420, 430, 440, 431, 630), stale nierdzewne ferrytyczno-austenityczne duplex (będące połączeniem stali austenitycznej oraz ferrytycznej) są stalami ferromagnetycznymi i są bardzo dobrze przyciągane przez magnes.