Które pierwiastki są magnetyczne i dlaczego akurat one

Układ okresowy ma 118 pierwiastków. Magnesem trwałym w temperaturze pokojowej potrafią być cztery. Reszta reaguje na pole magnetyczne słabo albo bardzo słabo — na tyle słabo, że w warsztacie tego nie widać. Poniżej po kolei: które pierwiastki i dlaczego właśnie te, a potem najciekawsza część, czyli neodym, który sam magnesem nie jest, a w stopie daje najsilniejszy magnes trwały, jaki umiemy zrobić.

1. Trzy sposoby, na jakie materia reaguje na pole

Ferromagnetyzm

Ferromagnetyk wzmacnia pole zewnętrzne tysiące razy i — to jest najważniejsze — zachowuje namagnesowanie po jego zdjęciu. Momenty magnetyczne sąsiednich atomów ustawiają się równolegle same z siebie, bez pola zewnętrznego, tworząc obszary zwane domenami. Namagnesowanie polega na tym, że domeny ustawiają się zgodnie ze sobą. Przykład: żelazo. Kawałek gwoździa przyłożony do magnesu przyciąga kolejny gwóźdź jeszcze przez chwilę po odsunięciu magnesu.

Paramagnetyzm

Paramagnetyk jest przyciągany przez pole magnetyczne, ale bardzo słabo i wyłącznie w jego obecności. Po zdjęciu pola nie zostaje z tego nic — ruchy cieplne atomów rozrzucają momenty magnetyczne z powrotem w przypadkowe strony. Przykład: aluminium. Blaszki aluminiowej nie przyciągnie magnes z szuflady, ale w silnym polu laboratoryjnym efekt jest mierzalny.

Diamagnetyzm

Diamagnetyk jest przez pole magnetyczne odpychany. Efekt jest najsłabszy z całej trójki i występuje w każdym materiale — tyle że w ferromagnetykach i paramagnetykach jest przykryty przez efekty silniejsze. Przykład: bizmut, najsilniejszy diamagnetyk wśród pierwiastków. Warto pamiętać, że woda też jest diamagnetykiem, co wykorzystuje się w lewitacji magnetycznej drobnych obiektów.

2. Cztery ferromagnetyki w temperaturze pokojowej

Ferromagnetyzm ma granicę temperaturową. Powyżej pewnego progu ruchy cieplne rozbijają uporządkowanie momentów magnetycznych i materiał przechodzi w stan paramagnetyczny — przestaje być magnesem i nie da się go namagnesować. Próg ten nazywa się temperaturą Curie.

Trzy pierwsze stoją w układzie okresowym obok siebie — numery 26, 27, 28. To nie jest przypadek i wrócimy do tego za chwilę. Czwarty, gadolin, jest osobnym przypadkiem: jego temperatura Curie wynosi 20 °C, czyli mniej więcej tyle, ile ma pokój. W chłodne dni gadolin jest ferromagnetykiem, w ciepłe przestaje nim być. To ciekawostka laboratoryjna, nie materiał na magnes użytkowy.

Praktycznie zostają więc trzy pierwiastki, z których żelazo jest najtańsze i najbardziej dostępne — i dlatego stoi w rdzeniu każdego transformatora i każdego stojana silnika, o czym pisałem przy przeróbce silnika z pralki.

3. Dlaczego akurat te trzy sąsiadujące pierwiastki

Elektron ma własny moment magnetyczny. W większości pierwiastków elektrony ustawiają się parami o przeciwnych spinach i ich momenty się znoszą — atom na zewnątrz jest magnetycznie obojętny. Żeby atom miał wypadkowy moment magnetyczny, musi mieć elektrony niesparowane.

Żelazo, kobalt i nikiel mają niesparowane elektrony na niecałkowicie zapełnionej powłoce 3d. Sam ten fakt jeszcze nie wystarcza — niesparowane elektrony ma także mangan i chrom, a magnesami nie są. Potrzebny jest drugi warunek: sprzężenie wymienne, czyli oddziaływanie, które ustawia momenty sąsiednich atomów równolegle do siebie. Znak i siła tego sprzężenia zależą od odległości między atomami w sieci krystalicznej względem promienia powłoki 3d.

W żelazie, kobalcie i niklu ta proporcja wypada tak, że sprzężenie ustawia momenty równolegle. W manganie odległość jest odrobinę mniejsza i sprzężenie ustawia momenty sąsiadów przeciwnie — wypadkowe pole znosi się do zera. Takie uporządkowanie nazywa się antyferromagnetyzmem. Cała różnica między materiałem, który trzyma się lodówki, a takim, który do niej nie przylgnie, siedzi w kilku pikometrach odległości międzyatomowej.

4. Neodym — pierwiastek, który sam magnesem nie jest

Tu jest sedno całej strony, bo w tym miejscu najczęściej powstaje nieporozumienie. Neodym (Nd, liczba atomowa 60) należy do lantanowców i w temperaturze pokojowej nie jest ferromagnetykiem. Jego temperatura porządkowania magnetycznego leży kilkanaście kelwinów nad zerem bezwzględnym — czyli około minus 250 °C. Czysty neodym w warsztacie jest miękkim, srebrzystym metalem, który utlenia się w powietrzu i nie przyciąga niczego.

To samo dotyczy samaru (Sm, 62) — drugiego lantanowca używanego w magnesach trwałych. Sam z siebie w temperaturze pokojowej magnesem też nie jest.

Skąd zatem bierze się siła magnesu neodymowego? Ze stopu, a nie z pierwiastka. Materiał, który kupujemy pod nazwą „magnes neodymowy", to związek międzymetaliczny o wzorze Nd₂Fe₁₄B — dwa atomy neodymu, czternaście atomów żelaza, jeden atom boru. Zwróćmy uwagę na proporcje: żelaza jest w tym siedmiokrotnie więcej niż neodymu.

Podział ról w tym stopie jest dość czytelny:

• Żelazo dostarcza momentu magnetycznego. To ono odpowiada za to, ile pola magnes w ogóle wytwarza. Jest tu najliczniejsze i jest jedynym składnikiem, który sam z siebie jest ferromagnetykiem.
• Neodym dostarcza anizotropii. Anizotropia to opór materiału przeciwko zmianie kierunku namagnesowania — dzięki niej magnes zapamiętuje, w którą stronę został namagnesowany, i nie rozmagnesowuje się od byle pola zewnętrznego. Elektrony na powłoce 4f neodymu są mocno sprzężone z siecią krystaliczną i to one ustawiają kierunek magnesowania na sztywno wzdłuż jednej osi kryształu.
• Bor stabilizuje strukturę. Bez niego ta konkretna struktura krystaliczna, w której powyższe działa, w ogóle nie powstaje. Boru jest w stopie najmniej, a jest niezbędny.

Sens tego układu jest taki: samo żelazo daje dużo pola, ale trzyma kierunek fatalnie — dlatego blacha transformatorowa przemagnesowuje się pięćdziesiąt razy na sekundę bez oporu i dlatego rdzeń stojana nie jest magnesem trwałym. Sam neodym trzyma kierunek doskonale, ale nie ma czego trzymać, bo jego własny moment magnetyczny w temperaturze pokojowej praktycznie nie istnieje. Dopiero połączenie obu w jednej sieci krystalicznej daje materiał, który ma i moment, i pamięć kierunku.

Temperatura Curie stopu Nd₂Fe₁₄B wynosi około 310 °C i jest niższa niż samego żelaza. Dopuszczalna temperatura pracy magnesu jest jeszcze niższa — dla popularnej klasy N38 to 80 °C. Powyżej tej granicy magnes zaczyna nieodwracalnie tracić właściwości, na długo przed osiągnięciem temperatury Curie. W prądnicy, która grzeje się od uzwojenia, ma to znaczenie praktyczne i wracam do tego przy doborze magnesów do wirnika.

5. Dysproz i terb — dlaczego magnesy wysokotemperaturowe kosztują

Skoro granicą magnesu neodymowego jest temperatura, nasuwa się pytanie, czy da się ją podnieść. Da się, i robi się to przez podmianę części neodymu na dysproz (Dy, 66) albo terb (Tb, 65) — kolejne lantanowce, oba o jeszcze silniejszej anizotropii niż neodym.

Zastąpienie kilku procent atomów neodymu dysprozem podnosi odporność magnesu na rozmagnesowanie w podwyższonej temperaturze. Dopuszczalna temperatura pracy rośnie ze standardowych 80 °C do 120, 150, a w wersjach z dużą zawartością dysprozu nawet 200 °C. Tak powstają klasy oznaczane literami po numerze: N38M, N38H, N38SH i dalej.

Cena rośnie z dwóch powodów naraz. Po pierwsze, dysproz jest w skorupie ziemskiej znacznie rzadszy od neodymu i jego wydobycie jest skoncentrowane w bardzo niewielu miejscach na świecie — to jest surowiec o cenie kilkakrotnie wyższej. Po drugie, dysproz podnosząc odporność temperaturową obniża jednocześnie moment magnetyczny stopu — jego własny moment ustawia się przeciwnie do momentu żelaza. Płacimy więc podwójnie: za droższy surowiec i za nieco słabszy magnes.

Praktyczny wniosek: magnes wysokotemperaturowy bierze się tylko wtedy, gdy naprawdę pracuje w wysokiej temperaturze. W przeróbce wiatrakowej, gdzie wirnik chłodzi się przepływem powietrza, standardowy N38 wystarcza w zdecydowanej większości przypadków.

6. Kobalt — AlNiCo i SmCo

Zanim pojawił się NdFeB, magnesy trwałe robiono na kobalcie i robi się je nadal tam, gdzie neodym nie daje rady.

AlNiCo

Stop aluminium, niklu i kobaltu, z dodatkiem żelaza. Znany z podkowiastych magnesów szkolnych i z głośników. Ma niską odporność na rozmagnesowanie — przyłożenie odwrotnego pola potrafi go zepsuć — ale za to najwyższą temperaturę Curie ze wszystkich magnesów użytkowych, w okolicach 800 °C. Pracuje stabilnie w temperaturach, w których neodym dawno przestał być magnesem. Stosuje się go w czujnikach i przyrządach pomiarowych, gdzie liczy się stałość parametrów w szerokim zakresie temperatur, a nie sama siła.

SmCo

Stop samaru z kobaltem, w dwóch odmianach: SmCo₅ i Sm₂Co₁₇. Słabszy od neodymowego, zwykle o jedną trzecią, ale pracuje do 250–350 °C i — co równie ważne — nie koroduje, bo nie zawiera dużej ilości żelaza. Magnesy SmCo stosuje się bez powłoki ochronnej, w silnikach lotniczych, w próżni i wszędzie tam, gdzie powłoka niklowa byłaby problemem. Płaci się za to wysoką ceną — samar i kobalt to oba drogie surowce.

Dla porządku: ferryty, czyli tanie czarne magnesy z tlenków żelaza i baru lub strontu, są kilkakrotnie słabsze od neodymowych, ale odporne na korozję, tanie i pracują do 250 °C. W dużych, wolnoobrotowych konstrukcjach bywają wciąż rozsądnym wyborem — po prostu potrzeba ich znacznie więcej.

7. Pierwiastki używane w magnesach — zestawienie

Dwanaście pierwiastków na sto osiemnaście. Warto zauważyć, że dwa z nich — nikiel i miedź — nie biorą udziału w magnetyzmie wcale, tylko tworzą powłokę Ni-Cu-Ni chroniącą magnes przed korozją. To ta sama powłoka, o którą trzeba dbać przy klejeniu wirnika, bo jej uszkodzenie kończy się rozsypaniem magnesu — opisałem to szerzej przy doborze magnesów.

8. Co z tego wynika w warsztacie

Trzy rzeczy warto zapamiętać. Po pierwsze, magnes neodymowy jest w większości żelazem — i dlatego rdzewieje, i dlatego potrzebuje powłoki. Po drugie, temperatura jest jego głównym wrogiem, a granica 80 °C dla klasy N38 jest bliżej, niż się wydaje przy prądnicy pod obciążeniem. Po trzecie, klasa magnesu opisuje gęstość energii, nie wytrzymałość — i wyższa klasa nie rozwiązuje problemu temperatury, bo do tego służą litery, a nie liczby.

Praktyczne przełożenie tego na wybór konkretnego magnesu opisałem na stronie dobór magnesów do przeróbki silnika na prądnicę. Cały asortyment magnesów neodymowych — walcowych, płytkowych i pierścieniowych — jest dostępny w sklepie dhit.pl.