Magnetismus: Definice, typy, vlastnosti a jak fungují (s příklady)

Magnety. Máte je na ledničce, hráli jste s nimi jako dítě, dokonce jste drželi kompas v ruce, když jehla kompasu ukazovala na magnetický severní pól Země. Jak ale fungují? Co je to za fenomén magnetismu?

Magnetismus je jedním z aspektů základní elektromagnetické síly. Popisuje jevy a síly spojené s magnety nebo magnetickými objekty.

Všechna magnetická pole jsou generována pohybem náboje nebo změnou elektrických polí. Proto se fenomény elektřiny a magnetismu souhrnně označují jako elektromagnetismus. Jsou opravdu jedno a totéž!

Ve všech materiálech atomy obsahují elektrony a tyto elektrony vytvářejí kolem atomového jádra mrak, jehož celkový pohyb vytváří miniaturní magnetický dipól. U většiny materiálů však náhodné rozložení orientací těchto mini magnetů způsobí vyrušení polí. Feromagnetické materiály jsou výjimkou.

Mnoho materiálů vykazuje magnetické jevy, včetně železa, manganu, magnetitu a kobaltu. Mohou existovat jako permanentní magnety nebo mohou být paramagnetické (to znamená, že jsou přitahovány magnetickými materiály, ale samy o sobě permanentní magnetismus nezachovávají). Elektromagnety se vytvářejí průchodem elektrického proudu drátem navinutým kolem materiálu, jako je železo (nebo v jakékoli situaci, kdy se pohybuje elektrický náboj).

Magnetické materiály se mohou navzájem přitahovat nebo odpuzovat, v závislosti na tom, které části těchto materiálů jsou spojeny.

Stejně jako u elektrické síly a gravitační síly, objekty, které na sebe vyvíjejí magnetické síly, vytvářejí kolem sebe pole. Například tyčový magnet vytváří v prostoru kolem sebe magnetické pole, což způsobí, že všechny ostatní magnety nebo feromagnetické materiály přivedené do tohoto pole pocítí sílu.

Jedním ze způsobů, jak vizualizovat magnetické pole, je použití železných pilin. Železné piliny jsou malé kousky železa, které se po posypání magnetem vyrovnají s vnějšími silami magnetického pole a umožní vám je vizualizovat.

Jednotkou SI spojenou s intenzitou magnetického pole je tesla.

Další běžnou jednotkou spojenou s intenzitou magnetického pole je gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Existuje mnoho různých typů magnetismu:

​Paramagnetismuspopisuje určité materiály, které mohou být slabě přitahovány magnety, ale které si samy nezachovávají permanentní magnetické pole. V přítomnosti vnějšího pole vytvoří vnitřní indukované magnetické pole, které se vyrovná. To může vést k dočasnému zesílení magnetického pole celkově. Existuje mnoho různých typů paramagnetických materiálů, včetně některých drahokamů.

​Diamagnetismusje vlastnost vykazovaná všemi materiály, ale která je obvykle nejzřetelnější u materiálů, o kterých si myslíme, že jsou nemagnetické. Diamagnetické materiály jsou magnetickými poli velmi slabě odpuzovány. U permanentních magnetů a paramagnetických materiálů jsou účinky diamagnetismu zanedbatelné.

​Elektromagnetismusnastane, když elektrický proud prochází vodičem. Ten drát může být navinut kolem železné tyče, aby se zesílil účinek, protože železo vytvoří své vlastní magnetické pole, které se vyrovná s vnějším polem. Tato forma magnetismu je přímým důsledkem skutečnosti, že pohyb elektronů vytváří magnetické pole. (Elektřina a magnetismus jsou opět dvě strany stejné základní fyzické vlastnosti!)

​Feromagnetismuspopisuje, jak určité materiály - nazývané feromagnetické materiály - tvoří permanentní magnety, které jsou podrobněji popsány v následující části.

Materiály, které jsou silně přitahovány magnety, se nazývají feromagnetické. Železo je nejběžnějším materiálem tohoto typu. (Nepřekvapuje to od latinské předponyferro- znamená „železo“)

Feromagnetické materiály mají takzvané magnetické domény; tj. regiony v nich, které jsou jako magnety, ale orientované v různých směrech, takže celkový efekt se ruší a obecně se nechovají jako magnety. Pokud jsou však tyto materiály umístěny v magnetických polích, může to způsobit zarovnání domén tak že jsou všechny vyrovnány stejným směrem, a proto se stávají (často dočasně) jako magnety oni sami.

Feromagnetické materiály zahrnují lodestone, železo, nikl, kobalt a různé materiály vzácných zemin včetně neodymu.

Tyčový magnet je obdélníková nebo válcová tyč z magnetického materiálu. Konce tyčového magnetu jsou severní a jižní pól. Jedná se o dva typy magnetických pólů, které vzájemně interagují prostřednictvím magnetické síly podobným způsobem, jakým kladné a záporné náboje interagují prostřednictvím elektrické síly.

Tyčové magnety jsou magnetické dipóly. Mají protilehlé póly oddělené vzdáleností, podobně jako elektrický dipól. Jedním z hlavních rozdílů však je, že u magnetů nemůžete mít monopol (izolovaný pól), jaký můžete mít s náboji. Magnet vždy existuje jako dipól a nikdy jako severní pól sám o sobě nebo jižní pól sám o sobě. (Pokud rozříznete tyčový magnet na polovinu, abyste se pokusili oddělit póly, jednoduše skončíte se dvěma menšími dipolárními magnety!)

Jak pravděpodobně víte, Země má magnetické pole. To umožňuje lidem používat kompasy k určení, kterým směrem se tváří vzhledem k pólům. Magnetický kompas se skládá z malého magnetu, který se může volně pohybovat a srovnávat s jakýmkoli vnějším polem. Červený konec jehly kompasu ukazuje na sever. Zemské magnetické pole funguje jako obří tyčový magnet. Tento imaginární tyčový magnet je orientován tak, že severní konec magnetu je na jižním pólu Země a jižní konec magnetu je na severním pólu Země.

Zemské magnetické pole také na většině míst není rovnoběžné s povrchem Země. Deklinaci magnetického pole Země můžete určit pomocí ponorné jehly. Nejprve jehlu orientujte vodorovně a srovnejte ji s magnetickým severem Země. Poté jej otočte svisle a sledujte úhel ponoru. Čím blíže jste k pólům, úhel je větší.

Zemské magnetické pole vytváří oblast vesmíru obklopující planetu zvanou magnetosféra. Magnetosféra v podstatě vypadá jako magnetické pole velmi velkého tyčového magnetu vyrovnaného blízko k ose Země, i když se magnetosféra může při interakci s nabitými částicemi deformovat.

Magnetosféra nás chrání před slunečním větrem, který obsahuje nabité částice. Interakce mezi těmito částicemi a čarami magnetického pole vedou k vzniku polárních záře.

Fenomén magnetismu se používá v nejrůznějších každodenních aplikacích.

Fenomén elektromagnetismu nám umožňuje přeměnit mechanickou energii na elektrickou v elektrických generátorech. Elektrické generátory používají mechanické prostředky k otáčení turbíny (fouká vítr nebo tekoucí voda), která mění magnetické pole vzhledem k drátovým cívkám a indukuje tok proudu.

Elektromotory jsou v podstatě opakem elektrických generátorů, které používají ke konverzi elektromagnetismus elektrickou energii na mechanickou, ať už jde o provozování vrtačky, míchačky nebo elektrické vozidlo.

Průmyslové elektromagnety jsou obří magnety s velmi silnými magnetickými poli, které jim umožňují sbírat stará vozidla na vrakovišti.

Přístroje MRI využívají silná magnetická pole k vytváření obrazů vašeho nitra a umožňují lékařům diagnostikovat celou řadu zdravotních stavů.