Magnetické kovy jsou především železo, nikl a kobalt a jejich slitiny, například ocel či litina. Magnety na nich drží díky feromagnetismu. Ale ne každý feromagnetický kov na magnet reaguje stejně. Zjistěte, proč je nikl také „fero“ i když neobsahuje železo, co je Permalloy a proč není nerez jako nerez.
Co znamená, když je kov feromagnetický?
Feromagnetismus je vlastnost některých materiálů, jejichž atomy mají magnetické momenty, které se mohou vzájemně uspořádat stejným směrem. V materiálu pak vznikají takzvané magnetické domény – oblasti, ve kterých jsou magnetické momenty atomů podobně orientované.
Bez působení vnějšího magnetického pole mohou být jednotlivé domény natočené různými směry, takže celý kus kovu nemusí být navenek magnetický.
Když k němu ale přiblížíte magnet, domény se začnou přeuspořádávat a materiál se k magnetu silně přitahuje.
Právě proto magnet přitahuje například železný šroub. Železo se v blízkosti magnetu samo dočasně zmagnetuje a vznikne mezi ním a magnetem přitažlivá síla.
Proč se říká „feromagnetismus“?
Název pochází z latinského ferrum, tedy železo. Neznamená to ale, že feromagnetický materiál musí železo obsahovat. Při běžné teplotě jsou feromagnetické například také nikl a kobalt.
„Feromagnetický“ neznamená „obsahující železo“.
Železo – základ mezi magnetickými kovy
Železo je asi nejznámějším materiálem, na kterém magnet drží. Čisté železo je feromagnetické a právě jeho magnetické vlastnosti stojí také za velkou částí využití železa v elektrotechnice a strojírenství.
V běžném životě se ale s čistým železem asi moc nesetkáte. Mnohem častěji uvidíte jeho slitiny – především ocel a litinu.
Čisté železo má totiž poměrně omezené praktické využití. Je měkké, snadno koroduje (ale to i ocel) a jeho mechanické vlastnosti jsou ve srovnání s ocelí horší.
Přidáním uhlíku a dalších prvků lze vlastnosti železa výrazně zlepšit, a proto se v průmyslu používají především slitiny železa.
Takže předměty, označované jako železné, bývají ve většině případů ocelové.
Nicméně standardní ocel obsahuje železa drtivou většinu. Například ocelový šroub běžně obsahuje 98–99 % železa.
Přestože běžná ocel obsahuje zhruba 99 % železa, malé množství uhlíku a dalších prvků výrazně mění její vlastnosti. Už přídavek kolem 0,2 % uhlíku může zvýšit pevnost a tvrdost oproti čistému železu. Je to dané nejen přidaným uhlíkem, ale především tím, jak ovlivňuje krystalickou strukturu oceli.
Ocel: nejčastější magnetický materiál kolem nás
Ocel je slitina založená hlavně na železe a uhlíku. Podle chemického složení a struktury může obsahovat také další prvky, například chrom, nikl, mangan nebo molybden.
Na běžných uhlíkových a nízkolegovaných ocelích magnet obvykle drží velmi dobře. Proto se s magnetickou ocelí setkáte prakticky všude. Jsou z ní vyrobené:
- ocelové plechy,
- nosné konstrukce,
- šrouby a spojovací materiál,
- nářadí,
- regály,
- konstrukce strojů i automobilů,
- dveře i některé části spotřebičů.
Avšak stejné označení „ocel“ nevyjadřuje, jak silně na ni bude magnet působit. Rozhoduje její složení a především vnitřní struktura.
Existují oceli, na kterých magnet drží velmi silně, ale i takové, u kterých je magnetická reakce slabá nebo prakticky žádná.
Základní přehled typů oceli
- S235 / běžná konstrukční ocel – převážně železo, cca 0,2 % C + Mn a další prvky → magnet na ní drží velmi silně.
- C45 – cca 0,45 % C, zbytek převážně Fe → magnet drží velmi silně.
- Nástrojové uhlíkové oceli s vyšším obsahem uhlíku → magnetická reakce je velmi silná.
- Nerezová 430 – cca 16–18 % Cr, zbytek převážně Fe → magnet drží silně (feritická ocel).
- Nerezová 304 – cca 18 % Cr + 8–10,5 % Ni, zbytek převážně Fe → v žíhaném stavu prakticky nemagnetická, po tváření za studena může magnet reagovat.
- Nerezová 316 – cca 16–18 % Cr + 10–14 % Ni + 2–3 % Mo → prakticky nemagnetická, podobně jako 304; i zde může tváření za studena magnetickou reakci zvýšit.
Jak je vidět samotný vysoký obsah železa nezaručuje, že bude magnet na oceli držet stejně silně. Rozhodující je především její výsledná krystalická struktura, kterou ovlivňuje složení i tepelné a mechanické zpracování.
Není nerez jako nerez
Jak je už patrné ze základního přehledu ocelí výše, nerezová ocel není jeden konkrétní materiál. Jedná se o celou skupinu ocelí s různým složením a strukturou.
Jeden typ nerezové oceli může být pro magnet téměř „neviditelný“, zatímco k jiné nerezi se přitáhne velmi silně.
Feritické a martenzitické nerezové oceli jsou obvykle magnetické, protože jejich struktura je feromagnetická. Typickým příkladem je nerezová ocel AISI 430.
Naopak běžné austenitické nerezi, třeba AISI 304 nebo 316, jsou v žíhaném stavu prakticky nemagnetické. Při tváření za studena se však jejich struktura může částečně změnit a magnetická reakce se i u nich objevit může.
Jednoduchý test magnetem vám u nerezi napoví, nicméně nedokáže spolehlivě určit konkrétní druh nerezové oceli.
Litina: železo s uhlíkem, na kterém magnet drží
Také litina patří mezi materiály, které běžný magnet obvykle velmi dobře přitahuje. Stejně jako u oceli je jejím základem železo, ale má výrazně vyšší obsah uhlíku, někdy až 4 %, tedy jiné složení i strukturu.
Magnetickou litinu obsahují například:
- litinové pánve,
- části motorů a strojů,
- litinové radiátory,
- poklopy,
- některé druhy nářadí a odlitků.
Pokud přiložíte magnet k masivnímu litinovému předmětu, zpravidla ucítíte poměrně výraznou přitažlivou sílu.
Přestože litina obsahuje kvůli vyššímu podílu uhlíku méně železa než ocel, neznamená to automaticky slabší magnetickou reakci. Síla, kterou magnet na materiál působí, závisí na jeho struktuře a magnetických vlastnostech, také na tloušťce a tvaru materiálu. Běžná ocel i litina proto mohou magnet přitahovat podobně silně.
Nikl: feromagnetický kov bez železa
Nikl je feromagnetický, přestože neobsahuje žádné železo.
Společně se železem a kobaltem patří mezi klasické feromagnetické prvky. Magnet na čistý nikl působí podobně jako na železo, i když jeho magnetické vlastnosti nejsou úplně stejné.
Nikl je využívaný v celé řadě slitin. Některé z nich mají velmi zajímavé magnetické vlastnosti a jsou z nich vyrobené třeba části elektrotechniky nebo přesných přístrojů.
Slitina niklu a železa se nazývá Permalloy.
Permalloy: speciální slitina železa a niklu
Permalloy je skupina slitin železa a niklu s velmi vysokou magnetickou permeabilitou. Jeho předností je především schopnost snadno vést magnetický tok a rychle reagovat na změny magnetického pole.
Typické Permalloy slitiny obsahují vysoký podíl niklu, například přibližně 80 % niklu a 20 % železa. Přesné složení se ale u jednotlivých variant liší.
Díky svým vlastnostem se Permalloy slitiny používají:
- pro magnetické stínění,
- v magnetických senzorech a snímačích,
- v přesných přístrojích,
- v magnetických obvodech,
- pro speciální magnetické součásti.
Permalloy je dobrým příkladem, že magnetické vlastnosti slitiny nemusí být jen jednoduchým součtem vlastností jejích jednotlivých kovů.
Kobalt: další feromagnetický kov
Třetím „čistým“ a klasickým feromagnetickým kovem je kobalt.
Stejně jako železo a nikl má při běžných teplotách feromagnetické vlastnosti. Kobalt je zajímavý vysokou Curieovou teplotou, takže zůstává feromagnetický i při výrazně vyšší teplotě než železo nebo nikl.
Kobalt je součástí samarium-kobaltových (SmCo) permanentních magnetů, které dobře odolávají vysokým teplotám.
Čistý kobalt se v běžné praxi sice příliš často nevyskytuje, ale jeho slitiny mají důležité využití v technice. Kobalt je používaný v některých magnetických materiálech a speciálních slitinách.
Stejně jako u niklu a železa v případě magnetických vlastností platí, že u technických materiálů rozhoduje přesný typ slitiny a její struktura.
A co další magnetické kovy?
Kromě železa, niklu a kobaltu existují i další kovy s výraznými magnetickými vlastnostmi. Zajímavým příkladem je gadolinium, které je při teplotách pod přibližně 20 °C feromagnetické. Nad touto teplotou už feromagnetické není, takže jeho chování je poměrně neobvyklé.
Podobně se v magnetických materiálech využívají i další prvky vzácných zemin, například neodym, praseodym, terbium nebo dysprosium.
Samotný neodym ale není důvodem, proč jsou neodymové magnety tak silné. Jejich magnetické vlastnosti vznikají především ve speciálním spojení neodymu, železa a boru (NdFeB), která má velmi vysokou remanenci a koercitivitu.
Takže i když jsou tyto prvky pro moderní magnety velmi důležité, nelze je jednoduše zařadit mezi kovy, na kterých bude běžný magnet držet stejně jako na železe. U řady z nich je důležitější jejich význam ve speciálních magnetických slitinách.
Magnet drží i na jiných magnetech
Magnet ale nemusí držet jen na železe, oceli, niklu nebo kobaltu. Silně magnetické jsou také materiály používané pro výrobu permanentních magnetů, například ferity na bázi stroncia nebo barya (SrFe, BaFe), AlNiCo, samarium-kobaltové magnety (SmCo) nebo neodymové magnety (NdFeB). Některé z nich obsahují železo jen v menším množství, případně ho nepotřebují vůbec – například SmCo je založené na samariu a kobaltu.
Pokud velice silný magnet, například neodymový, přicvaknete ke slabému magnetu – feritovému či k feritové fólii, může dojít k jejich demagnetizaci.
Magnetické kovy nejsou jen železo
Když se řekne „magnetický kov“, mnoho lidí si představí jen železo. Jak jsme popsali, magnet může velmi dobře drží také na slitinách – oceli, litině, dále na niklu, kobaltu a řadě jejich slitin.
Magnetické vlastnosti nemusí souviset jen s vysokým obsahem železa. Důkazem jsou například AlNiCo nebo SmCo magnety, které železo obsahují jen málo nebo vůbec.
O tom, jak silně bude magnet na konkrétním materiálu držet, rozhoduje především jeho složení, krystalická struktura a způsob zpracování. Proto také není každá ocel nebo nerezová ocel vůči magnetu stejná.
Magnetické kovy: Časté otázky a odpovědi (FAQ)
1. Na kterých kovech drží magnet?
Magnet přitahuje především železo, ocel, litinu, nikl a kobalt a také řadu jejich slitin. Magnetické jsou například i některé druhy nerezové oceli.
2. Je každá ocel magnetická?
Ne. Běžné uhlíkové a nízkolegované oceli jsou silně feromagnetické, ale některé nerezové oceli, například 304 a 316, jsou v žíhaném stavu prakticky nemagnetické. Záleží na složení a struktuře oceli.
3. Drží magnet na litině?
Ano. Běžná litina je feromagnetická, takže na ní magnet obvykle drží velmi dobře. Síla přitažlivosti závisí také na konkrétním druhu litiny, její tloušťce a tvaru.
4. Je nikl magnetický, i když neobsahuje železo?
Ano. Čistý nikl je při běžné teplotě feromagnetický, stejně jako železo a kobalt. Právě proto patří mezi tři klasické feromagnetické prvky.
5. Na čem dalším magnet drží?
Na dalších magnetech. Magnety se vzájemně přitahují nebo odpuzují podle orientace pólů. Magnet tedy drží také na jiných permanentních magnetech, například na feritových, AlNiCo, SmCo nebo NdFeB magnetech, jejichž složení se od běžné oceli výrazně liší.
Prozkoumejte i další magnetické otazníky a zajímavosti o magnetech.
