Hvordan dannes magneter?

Næsten alle er fortrolige med en basismagnet, og hvad den gør, eller kan. Et lille barn, hvis et givet øjeblikke leg og den rigtige blanding af materialer, ville hurtigt genkende det bestemt slags ting (som barnet senere vil identificere som metaller) trækkes mod magneten, mens andre ikke er berørt ved det. Og hvis barnet får mere end en magnet at lege med, bliver eksperimenterne hurtigt endnu mere interessante.

Magnetisme er et ord, der omfatter et antal kendte interaktioner i den fysiske verden, der ikke er synlige for det menneskelige øje uden hjælp. De to grundlæggende typer magneter er ferromagneter, som skaber permanente magnetfelter omkring sig selv, og elektromagneter, som er materialer, hvor magnetisme midlertidigt kan induceres, når de placeres i et elektrisk felt, såsom det, der genereres af en spole af strømførende ledning.

Hvis nogen beder dig om Fare-stil spørgsmål "En magnet består af hvilket materiale?" så kan du være sikker på, at der ikke er noget enkelt svar - og bevæbnet med oplysningerne ved hånden vil du endda være i stand til at forklare din spørger alle de nyttige detaljer, herunder hvordan en magnet er dannet.

Som med så meget inden for fysik - for eksempel tyngdekraft, lyd og lys - har magnetisme altid "været der", men menneskehedens evne til at beskrive det og komme med forudsigelser om det baseret på eksperimenter, og de resulterende modeller og rammer er skredet igennem hele EU århundreder. En hel gren af ​​fysik er sprunget op omkring de relaterede begreber elektricitet og magnetisme, normalt kaldet elektromagnetik.

Gamle kulturer var klar over, at lodesten, en sjælden type af det jern-og-iltholdige mineralmagnetit (kemisk formel: Fe₃O₄), kunne tiltrække metalstykker. I det 11. århundrede havde kineserne lært, at en sådan sten, der tilfældigvis var lang og tynd, ville orientere sig langs en nord-syd akse, hvis den blev ophængt i luften og banede vejen for kompas.

Europæiske rejsere, der benyttede sig af kompasset, bemærkede, at retningen, der indikerer nord, varierede lidt gennem transatlantiske rejser. Dette førte til erkendelsen af, at selve jorden i det væsentlige er en massiv magnet, hvor "magnetisk nord" og "sandt nord" er lidt forskellige og forskellige ved forskellige mængder over hele kloden. (Det samme gælder for sandt og magnetisk syd.)

Et begrænset antal materialer, herunder jern, cobalt, nikkel og gadolinium, udviser stærke magnetiske effekter alene. Alle magnetfelter skyldes, at elektriske ladninger bevæger sig i forhold til hinanden. Induktionen af ​​magnetisme i en elektromagnet ved at placere den i nærheden af ​​en spole med strømførende ledning har været nævnt, men selv ferromagneter har kun magnetisme på grund af små strømme, der genereres på atomområdet niveau.

Hvis en permanent magnet bringes i nærheden af ​​et ferromagnetisk materiale, skal komponenterne i de enkelte atomer af jern, kobolt eller hvad som helst materialet er på linje med de imaginære påvirkningslinjer for magneten, der blæser ud fra dens nord- og sydpol, kaldet magnetisk Mark. Hvis stoffet opvarmes og afkøles, kan magnetiseringen gøres permanent, selvom den også kan forekomme spontant; denne magnetisering kan vendes ved ekstrem varme eller fysisk forstyrrelse.

Ingen magnetisk monopol findes; der er ikke sådan noget som en "punktmagnet", som sker med punktladninger. I stedet for har magneter magnetiske dipoler, og deres magnetfeltlinjer stammer fra den nordlige magnetpol og blæser udad, før de vender tilbage til sydpolen. Husk, at disse "linjer" kun er værktøjer, der bruges til at beskrive atomer og partiklers opførsel!

Som tidligere understreget produceres magnetfelter ved strømme. I permanente magneter produceres små strømme af de to typer bevægelse af elektronerne i disse magneter atomer: Deres bane omkring atomets centrale proton og deres rotation, eller spin.

I de fleste materialer, de små magnetiske øjeblikke skabt af bevægelsen af ​​de enkelte elektroner i et givet atom, annullerer hinanden. Når de ikke gør det, fungerer selve atomet som en lille magnet. I ferromagnetiske materialer annullerer de magnetiske øjeblikke ikke kun, men de retter sig også ind i samme retning og forskydes for at blive justeret i samme retning som linjerne for en påført ekstern magnet Mark.

Nogle materialer har atomer, der opfører sig på en sådan måde, at de magnetiseres i varierende grad af et anvendt magnetfelt. (Husk, du behøver ikke altid en magnet for at et magnetfelt kan være til stede; en betydelig nok elektrisk strøm vil gøre tricket.) Som du vil se, vil nogle af disse materialer ikke have nogen varig del af magnetisme, mens andre opfører sig på en mere trist måde.

En liste over magnetiske materialer, der kun giver navnene på metaller, der udviser magnetisme, ville ikke være nær så nyttig som en liste over magnetiske materialer, der er ordnet efter deres magnetiske felters opførsel, og hvordan ting fungerer ved det mikroskopiske niveau. Der findes et sådant klassificeringssystem, og det adskiller magnetisk adfærd i fem typer.

• Diamagnetisme: De fleste materialer udviser denne egenskab, hvor de magnetiske øjeblikke af atomer placeret i et eksternt magnetfelt justerer sig i en retning modsat det anvendte felt. Følgelig modsætter det resulterende magnetfelt det anvendte felt. Dette "reaktive" felt er imidlertid meget svagt. Da materialer med denne egenskab ikke er magnetiske i nogen meningsfuld forstand, afhænger magnetismens styrke ikke af temperaturen.
  
• Paramagnetisme: Materialer med denne egenskab, såsom aluminium, har individuelle atomer med positive netdipolmomenter. Dipolmomenterne i nærliggende atomer annullerer dog normalt hinanden og efterlader materialet som helhed umagnetiseret. Når et magnetfelt påføres, i stedet for at modsætte sig feltet direkte, er de magnetiske dipoler af atomerne tilpasser sig ufuldstændigt med det påførte felt, hvilket resulterer i en svagt magnetiseret materiale.
  
• Ferromagnetisme: Materialer som jern, nikkel og magnetit (lodestone) har denne potente egenskab. Som allerede berørt, justerer dipolmomenterne i nærliggende atomer sig selv i fravær af et magnetfelt. Deres interaktioner kan resultere i et magnetfelt i størrelsesorden, der når 1000 tesla, eller T (SI-enheden med magnetfeltstyrke; ikke en styrke, men noget i retning af en). Til sammenligning er jordens magnetfelt 100 millioner gange svagere!
  
• Ferrimagnetisme: Læg mærke til forskellen på en enkelt vokal fra den foregående klasse af materialer. Disse materialer er normalt oxider, og deres unikke magnetiske interaktioner stammer fra det faktum, at atomer i disse oxider er arrangeret i en krystal "gitterstruktur". Opførelsen af ​​ferrimagnetiske materialer ligner meget ferromagnetiske materialer, men rækkefølgen af magnetiske elementer i rummet er forskellige, hvilket fører til forskellige niveauer af temperaturfølsomhed og andet forskelle.
  
• Antiferromagnetisme: Denne klasse af materialer er kendetegnet ved en speciel temperaturfølsomhed. Over en given temperatur, kaldet Næl temperatur eller T_Nopfører materialet sig meget som et paramagnetisk materiale. Et eksempel på et sådant materiale er hæmatit. Disse materialer er også krystaller, men som navnet antyder, er gitterene organiseret på en sådan måde at de magnetiske dipolinteraktioner helt annulleres, når der ikke er noget eksternt magnetfelt til stede.