Τι κάνει τους μαγνήτες ισχυρούς;

Ο μαγνητισμός είναι το όνομα του πεδίου δύναμης που παράγεται από μαγνήτες. Μέσα από αυτό οι μαγνήτες προσελκύουν ορισμένα μέταλλα από απόσταση, καθιστώντας τα πιο κοντά χωρίς καμία προφανή αιτία. Είναι επίσης το μέσο με το οποίο οι μαγνήτες αλληλοεπηρεάζονται. Όλοι οι μαγνήτες έχουν δύο πόλους, που ονομάζονται πόλοι «βόρεια» και «νότος». Όπως οι μαγνητικοί πόλοι προσελκύουν ο ένας τον άλλον, ενώ σε αντίθεση με τους μαγνητικούς πόλους ωθούν ο ένας τον άλλον μακριά. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά είδη μαγνητών με μεγάλη ποικιλία επιπέδων δύναμης. Ορισμένοι μαγνήτες είναι μόλις αρκετά ισχυροί ώστε να συγκρατούν χαρτί στο ψυγείο. Άλλοι είναι αρκετά δυνατοί για να ανυψώσουν αυτοκίνητα.

Για να καταλάβετε τι κάνει τους μαγνήτες ισχυρούς πρέπει να καταλάβετε κάτι για την ιστορία της επιστήμης του μαγνητισμού. Στις αρχές του 19ου αιώνα, η ύπαρξη μαγνητισμού ήταν γνωστή, όπως και η ύπαρξη ηλεκτρισμού. Αυτά θεωρήθηκαν γενικά ως δύο εντελώς ξεχωριστά φαινόμενα. Ωστόσο, το 1820, ο φυσικός Hans Christian Oersted απέδειξε ότι τα ηλεκτρικά ρεύματα παράγουν μαγνητικά πεδία. Λίγο αργότερα, το 1855, ένας άλλος φυσικός, Michael Faraday, απέδειξε ότι η αλλαγή μαγνητικών πεδίων θα μπορούσε να δημιουργήσει ηλεκτρικά ρεύματα. Έτσι αποδείχθηκε ότι η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός είναι μέρος του ίδιου φαινομένου.

Όλη η ύλη αποτελείται από άτομα, και όλα τα άτομα είναι κατασκευασμένα από μικροσκοπικά ηλεκτρικά φορτία. Στο κέντρο κάθε ατόμου βρίσκεται ο πυρήνας, μια μικρή πυκνή συστάδα ύλης με θετικό ηλεκτρικό φορτίο. Γύρω από κάθε πυρήνα υπάρχει ένα ελαφρώς μεγαλύτερο νέφος αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων, που συγκρατείται στη θέση του από την ηλεκτρική έλξη του πυρήνα του ατόμου.

Τα ηλεκτρόνια κινούνται συνεχώς. Περιστρέφονται καθώς κινούνται γύρω από τα άτομα στα οποία ανήκουν και μερικά ηλεκτρόνια μετακινούνται ακόμη και από το ένα άτομο στο άλλο. Κάθε κινούμενο ηλεκτρόνιο είναι ένα μικρό ηλεκτρικό ρεύμα, επειδή ένα ηλεκτρικό ρεύμα είναι απλώς ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο. Επομένως, όπως έδειξε ο Oersted, κάθε ηλεκτρόνιο σε κάθε άτομο παράγει το δικό του μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο.

Στα περισσότερα υλικά αυτά τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία δείχνουν προς πολλές διαφορετικές κατευθύνσεις και συνεπώς ακυρώνουν το ένα το άλλο, σύμφωνα με την Kristen Coyne του Εθνικού Εργαστηρίου Μαγνητικού Πεδίου. Οι βόρειοι πόλοι είναι δίπλα στους νότιους πόλους τόσο συχνά όσο και το καθαρό μαγνητικό πεδίο ολόκληρου του αντικειμένου είναι κοντά στο μηδέν.

Όταν ορισμένα υλικά εκτίθενται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, αυτή η εικόνα αλλάζει. Το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αναγκάζει όλα αυτά τα μικρά μαγνητικά πεδία να ευθυγραμμιστούν. Ο βόρειος πόλος του ωθεί όλους τους μικρούς βόρειους πόλους προς την ίδια κατεύθυνση: μακριά από αυτόν. Τραβά προς όλους τους μικρούς μαγνητικούς νότιους πόλους. Αυτό κάνει τα μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία μέσα στο υλικό να προσθέσουν τα αποτελέσματά τους μαζί. Το αποτέλεσμα είναι ένα ισχυρό καθαρό μαγνητικό πεδίο στο αντικείμενο ως σύνολο.

Όσο πιο ισχυρό είναι το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο που εφαρμόζεται, τόσο μεγαλύτερος είναι ο μαγνητισμός που προκύπτει. Αυτός είναι ο πρώτος από τους παράγοντες που καθορίζουν πόσο ισχυρός γίνεται ένας μαγνήτης. Το δεύτερο είναι ο τύπος υλικού από τον οποίο κατασκευάζεται ο μαγνήτης. Διαφορετικά υλικά παράγουν μαγνήτες διαφορετικών δυνατοτήτων. Εκείνοι με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα (που είναι μια μέτρηση του πόσο ανταποκρίνονται στα μαγνητικά πεδία) κάνουν τους ισχυρότερους μαγνήτες. Για το λόγο αυτό, ο καθαρός σίδηρος χρησιμοποιείται για την παραγωγή μερικών από τους ισχυρότερους μαγνήτες.