Как се образуват магнити?

Почти всеки е запознат с основен магнит и какво прави или може да направи. Едно малко дете, ако даде няколко минути игра и правилната комбинация от материали, бързо ще разпознае това видове неща (които детето по-късно ще идентифицира като метали) се изтеглят към магнита, докато други не се влияят от него. И ако на детето се даде повече от един магнит за игра, експериментите бързо ще станат още по-интересни.

Магнетизмът е дума, обхващаща редица известни взаимодействия във физическия свят, които не се виждат от невъоръжено човешко око. Двата основни типа магнити са феромагнетици, които създават постоянни магнитни полета около себе си, и електромагнити, които са материали, при които магнетизмът може временно да се индуцира, когато се поставят в електрическо поле, като това, генерирано от намотка от тоководещ проводник.

Ако някой ви попита Опасност-стилен въпрос "От кой материал се състои магнит?" тогава можете да бъдете уверени, че няма еднозначен отговор - и въоръжени с наличната информация, дори ще можете да обясните на питащия всички полезни подробности, включително как е магнитът формиран.

Както при толкова много във физиката - например гравитацията, звука и светлината - магнетизмът винаги е бил „там“, но способността на човечеството да опишете го и направете прогнози за него въз основа на експерименти и получените модели и рамки са напреднали през целия векове. Цял клон на физиката възникна около свързаните понятия за електричество и магнетизъм, обикновено наричани електромагнетика.

Древните култури са били наясно, че lodestone, рядък вид на съдържащия желязо и кислород минерален магнетит (химична формула: Fe₃О₄), биха могли да привлекат метални парчета. До XI век китайците са научили, че такъв камък, който е бил дълъг и тънък, ще се ориентира по оста север-юг, ако е окачен във въздуха, проправяйки пътя за компас.

Европейските пътешественици, използващи компаса, забелязаха, че посоката, посочваща север, леко варира по време на трансатлантическите пътувания. Това доведе до осъзнаването, че самата Земя по същество е масивен магнит, като "магнитният север" и "истинският север" са малко по-различни и различни в различни количества по целия свят. (Същото се отнася за истинския и магнитния юг.)

Ограничен брой материали, включително желязо, кобалт, никел и гадолиний, проявяват силни магнитни ефекти сами по себе си. Всички магнитни полета са резултат от електрически заряди, движещи се един спрямо друг. Индукцията на магнетизъм в електромагнит чрез поставянето му близо до намотка от тоководещ проводник е била споменати, но дори феромагнетиците притежават магнетизъм само поради малките токове, генерирани в атома ниво.

Ако постоянен магнит се доближи до феромагнитен материал, компонентите на отделните атоми от желязо, кобалт или какъвто и да е материалът се подравняват с въображаемите линии на влияние на магнита, раздуващ се от северния и южния му полюс, наречени магнитни поле. Ако веществото се нагрява и охлажда, намагнитването може да стане постоянно, макар че може да възникне и спонтанно; това намагнитване може да бъде обърнато чрез екстремна топлина или физически смущения.

Не съществува магнитен монопол; тоест няма такова нещо като "точков магнит", както се случва с точкови електрически заряди. Вместо това магнитите имат магнитни диполи и техните линии на магнитното поле произхождат от северния магнитен полюс и се раздуват навън, преди да се върнат към южния полюс. Не забравяйте, че тези „линии“ са просто инструменти, използвани за описване на поведението на атомите и частиците!

Както беше подчертано по-рано, магнитните полета се произвеждат от токове. При постоянните магнити малки токове се произвеждат от двата вида движение на електроните в тези атоми на магнитите: орбитата им около централния протон на атома и въртенето им, или въртене.

В повечето материали малките магнитни моменти създадени от движението на отделните електрони на даден атом се отменят взаимно. Когато не го правят, самият атом действа като малък магнит. Във феромагнитните материали магнитните моменти не само не се отменят, но и се подравняват в същата посока и се измества така, че да бъде подравнена в същата посока като линиите на приложена външна магнитна поле.

Някои материали имат атоми, които се държат по такъв начин, че да им позволят да бъдат намагнитени в различна степен от приложеното магнитно поле. (Не забравяйте, че не винаги ви е необходим магнит, за да има магнитно поле; достатъчно голям електрически ток ще свърши работа.) Както ще видите, някои от тези материали не искат трайна част от магнетизма, докато други се държат по-замислено.

Списък с магнитни материали, който дава само имената на метали, проявяващи магнетизъм, не би бил почти толкова полезен, колкото списък с магнитни материали, подредени според поведението на техните магнитни полета и как нещата работят при микроскопичните ниво. Съществува такава система за класификация и тя разделя магнитното поведение на пет типа.

• Диамагнетизъм: Повечето материали проявяват това свойство, при което магнитните моменти на атомите, поставени във външно магнитно поле, се подравняват в посока, противоположна на тази на приложеното поле. Съответно, полученото магнитно поле се противопоставя на приложеното поле. Това „реактивно“ поле обаче е много слабо. Тъй като материалите с това свойство не са магнитни в смислен смисъл, силата на магнетизма не зависи от температурата.
  
• Парамагнетизъм: Материалите с това свойство, като алуминий, имат отделни атоми с положителни нетни диполни моменти. Диполните моменти на съседните атоми обаче обикновено се отменят, оставяйки материала като цяло немагнетизиран. Когато се прилага магнитно поле, вместо да се противопоставя направо на полето, магнитните диполи на атомите се изравняват непълно с приложеното поле, което води до слабо намагнитване материал.
  
• Феромагнетизъм: Материали като желязо, никел и магнетит (лостоун) имат това мощно свойство. Както вече беше засегнато, диполните моменти на съседните атоми се подравняват дори при липса на магнитно поле. Техните взаимодействия могат да доведат до магнитно поле с величини, достигащи 1000 Тесла, или T (SI единица за сила на магнитното поле; не сила, а нещо като такава). За сравнение, магнитното поле на самата Земя е 100 милиона пъти по-слабо!
  
• Феримагнетизъм: Обърнете внимание на разликата на една гласна от предишния клас материали. Тези материали обикновено са оксиди и техните уникални магнитни взаимодействия произтичат от факта, че атомите в тези оксиди са подредени в кристална "решетъчна" структура. Поведението на феримагнитните материали е много подобно на това на феромагнитните материали, но подреждането на магнитните елементи в космоса е различно, което води до различни нива на температурна чувствителност и други разграничения.
  
• Антиферомагнетизъм: Този клас материали се характеризира със специфична температурна чувствителност. Над дадена температура, наречена Температура на нивото или Т_н, материалът се държи подобно на парамагнитен материал. Един пример за такъв материал е хематитът. Тези материали също са кристали, но както подсказва името им, решетките са организирани по такъв начин че магнитните диполни взаимодействия се отменят напълно, когато няма външно магнитно поле присъства.