Jak se tvoří magnety?

Téměř každý je obeznámen se základním magnetem a s tím, co dělá nebo může dělat. Malé dítě, pokud dostane několik okamžiků hry a správnou směs materiálů, by to rychle poznalo druhy věcí (které dítě později identifikuje jako kovy) jsou přitahovány k magnetu, zatímco jiné nejsou ovlivněny podle toho. A pokud dítě dostane více než jeden magnet na hraní, experimenty se rychle stanou ještě zajímavějšími.

Magnetismus je slovo zahrnující řadu známých interakcí ve fyzickém světě, které nejsou viditelné pouhým lidským okem. Dva základní typy magnetů jsou feromagnety, které kolem sebe vytvářejí permanentní magnetická pole a elektromagnety, což jsou materiály, ve kterých lze dočasně vyvolat magnetismus, když jsou umístěny v elektrickém poli, jako je například pole vytvářené cívkou vodiče procházejícího proudem.

Pokud se vás někdo zeptá Ohroženíotázka stylu "Z jakého materiálu je vyroben magnet?" pak si můžete být jisti, že neexistuje jediná odpověď - a vyzbrojeni tyto informace budete dokonce schopni vysvětlit svému tazateli všechny užitečné podrobnosti, včetně toho, jak magnet je vytvořen.

Stejně jako u jiných ve fyzice - například gravitace, zvuku a světla - magnetismus vždy existoval, ale lidská schopnost popsat jej a předpovědět o něm na základě experimentů a výsledné modely a rámce postupovaly po celé EU století. Celá větev fyziky vyrostla kolem souvisejících konceptů elektřiny a magnetismu, obvykle nazývaných elektromagnetika.

Starověké kultury si byly vědomy, že magnetovec, vzácný typ minerálního magnetitu obsahujícího železo a kyslík (chemický vzorec: Fe₃Ó₄), může přilákat kousky kovu. V 11. století se Číňané dozvěděli, že takový kámen, který byl shodou okolností dlouhý a tenký, by se orientoval podél osy sever-jih, pokud by byl zavěšen na vzduchu, což by připravilo cestu pro kompas.

Evropští cestující využívající kompas si všimli, že směr označující sever se během transatlantických cest mírně lišil. To vedlo k poznání, že Země sama o sobě je v podstatě obrovským magnetem, přičemž „magnetický sever“ a „skutečný sever“ se mírně liší a liší se různým množstvím po celém světě. (Totéž platí pro pravý a magnetický jih.)

Omezený počet materiálů, včetně železa, kobaltu, niklu a gadolinia, vykazuje samy o sobě silné magnetické účinky. Všechna magnetická pole jsou výsledkem vzájemného pohybu elektrických nábojů. Indukce magnetismu v elektromagnetu jeho umístěním v blízkosti cívky vodiče vedoucího proud byla zmíněno, ale i feromagnety mají magnetismus jen kvůli malým proudům generovaným na atomu úroveň.

Pokud se permanentní magnet dostane do blízkosti feromagnetického materiálu, složek jednotlivých atomů železa, kobaltu nebo čehokoli jiného je v souladu s imaginárními liniemi vlivu magnetu, který se rozprostírá od jeho severního a jižního pólu, nazývaného magnetický pole. Pokud je látka zahřívána a ochlazována, může být magnetizace permanentní, i když může také nastat spontánně; tuto magnetizaci lze zvrátit extrémním teplem nebo fyzickým narušením.

Žádný magnetický monopol neexistuje; to znamená, že neexistuje nic jako „bodový magnet“, jaký se vyskytuje u bodových elektrických nábojů. Místo toho mají magnety magnetické dipóly a jejich linie magnetického pole vycházejí ze severního magnetického pólu a ventilují směrem ven, než se vrátí k jižnímu pólu. Pamatujte, že tyto „řádky“ jsou pouze nástroji používanými k popisu chování atomů a částic!

Jak již bylo zdůrazněno dříve, magnetická pole jsou vytvářena proudy. V permanentních magnetech jsou malé proudy vytvářeny dvěma typy pohybu elektronů v atomech těchto magnetů: Jejich oběžná dráha kolem centrálního protonu atomu a jejich rotace, nebo roztočit.

Ve většině materiálů, malé magnetické momenty vytvořené pohybem jednotlivých elektronů daného atomu se navzájem ruší. Pokud tak neučiní, samotný atom funguje jako malý magnet. Ve feromagnetických materiálech se magnetické momenty nejen nezruší, ale také se vyrovnají v ve stejném směru a posuňte tak, aby byly zarovnány ve stejném směru jako čáry aplikovaného externího magnetu pole.

Některé materiály mají atomy, které se chovají takovým způsobem, že umožňují magnetizaci v různé míře aplikovaným magnetickým polem. (Pamatujte, že pro přítomnost magnetického pole nepotřebujete vždy magnet; dostatečně velký elektrický proud to udělá.) Jak uvidíte, některé z těchto materiálů nechtějí žádnou trvalou součást magnetismu, zatímco jiné se chovají choulostivěji.

Seznam magnetických materiálů, který uvádí pouze názvy kovů vykazujících magnetismus, by nebyl tak užitečný jako a seznam magnetických materiálů seřazených podle chování jejich magnetických polí a podle toho, jak věci fungují pod mikroskopem úroveň. Takový klasifikační systém existuje a rozděluje magnetické chování do pěti typů.

• Diamagnetismus: Většina materiálů vykazuje tuto vlastnost, ve které se magnetické momenty atomů umístěných ve vnějším magnetickém poli srovnávají v opačném směru než aplikované pole. Výsledné magnetické pole tedy stojí proti aplikovanému poli. Toto „reaktivní“ pole je však velmi slabé. Protože materiály s touto vlastností nejsou magnetické v žádném smysluplném smyslu, síla magnetismu nezávisí na teplotě.
  
• Paramagnetismus: Materiály s touto vlastností, jako je hliník, mají jednotlivé atomy s kladnými čistými dipólovými momenty. Dipólové momenty sousedních atomů se však obvykle navzájem ruší a materiál jako celek zůstává nemagnetizovaný. Když je aplikováno magnetické pole, namísto toho, aby pole přímo oponovalo, magnetické dipóly atomy se neúplně srovnávají s aplikovaným polem, což má za následek slabou magnetizaci materiál.
  
• Feromagnetismus: Materiály jako železo, nikl a magnetit (lodestone) mají tuto silnou vlastnost. Jak již bylo zmíněno, dipólové momenty sousedních atomů se vyrovnají i při absenci magnetického pole. Jejich interakce mohou vést k tomu, že magnetické pole velikostí dosáhne 1 000 tesla, nebo T (jednotka SI síly magnetického pole; ne síla, ale něco jako jedna). Pro srovnání, samotné magnetické pole Země je 100 milionůkrát slabší!
  
• Ferimagnetismus: Všimněte si rozdílu jedné samohlásky z předchozí třídy materiálů. Tyto materiály jsou obvykle oxidy a jejich jedinečné magnetické interakce vycházejí ze skutečnosti, že atomy v těchto oxidech jsou uspořádány do krystalové „mřížkové“ struktury. Chování ferimagnetických materiálů je velmi podobné chování feromagnetických materiálů, ale uspořádání magnetické prvky ve vesmíru se liší, což vede k různým úrovním teplotní citlivosti a dalším rozdíly.
  
• Antiferromagnetism: Tato třída materiálů se vyznačuje zvláštní teplotní citlivostí. Nad danou teplotu se nazývá Neel teplota nebo T_Nse materiál chová podobně jako paramagnetický materiál. Jedním příkladem takového materiálu je hematit. Tyto materiály jsou také krystaly, ale jak naznačuje jejich název, mřížky jsou uspořádány takovým způsobem že magnetické dipólové interakce se zcela ruší, když není žádné vnější magnetické pole současnost, dárek.