Μαγνητισμός: Ορισμός, Τύποι, Ιδιότητες & Πώς λειτουργούν (με παραδείγματα)

Μαγνήτες. Τα έχετε στο ψυγείο σας, έχετε παίξει μαζί τους ως παιδί, έχετε κρατήσει ακόμη και μια πυξίδα στο χέρι σας, καθώς η βελόνα πυξίδας έδειξε τον μαγνητικό βόρειο πόλο της Γης. Αλλά πώς λειτουργούν; Ποιο είναι αυτό το φαινόμενο του μαγνητισμού;

Ο μαγνητισμός είναι μια πτυχή της θεμελιώδους ηλεκτρομαγνητικής δύναμης. Περιγράφει φαινόμενα και δυνάμεις που σχετίζονται με μαγνήτες ή μαγνητικά αντικείμενα.

Όλα τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται με μετακίνηση φορτίου ή αλλαγή ηλεκτρικών πεδίων. Γι 'αυτό τα φαινόμενα της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού αναφέρονται συλλογικά ως ηλεκτρομαγνητισμός. Είναι πραγματικά ένα και το ίδιο!

Σε όλα τα υλικά, τα άτομα περιέχουν ηλεκτρόνια και αυτά τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ένα σύννεφο γύρω από τον ατομικό πυρήνα, με τη συνολική τους κίνηση να δημιουργεί ένα μικροσκοπικό μαγνητικό δίπολο. Στα περισσότερα υλικά, ωστόσο, η τυχαία κατανομή των προσανατολισμών αυτών των μίνι μαγνητών προκαλεί την ακύρωση των πεδίων. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά είναι η εξαίρεση.

Πολλά υλικά παρουσιάζουν μαγνητικά φαινόμενα, όπως σίδηρο, μαγγάνιο, μαγνητίτη και κοβάλτιο. Αυτοί μπορεί να υπάρχουν ως μόνιμοι μαγνήτες ή μπορεί να είναι παραμαγνητικοί (δηλαδή, προσελκύονται από μαγνητικά υλικά αλλά δεν διατηρούν τον ίδιο τον μόνιμο μαγνητισμό). Οι ηλεκτρομαγνήτες δημιουργούνται περνώντας ηλεκτρικό ρεύμα μέσω ενός καλωδίου που τυλίγεται γύρω από ένα υλικό όπως το σίδερο (ή από οποιαδήποτε κατάσταση στην οποία κινείται ηλεκτρικό φορτίο).

Τα μαγνητικά υλικά μπορούν είτε να προσελκύσουν το ένα το άλλο είτε να απωθήσουν το ένα το άλλο, ανάλογα με το ποια μέρη αυτών των υλικών συγκεντρώνονται.

Όπως και με την ηλεκτρική δύναμη και τη βαρυτική δύναμη, τα αντικείμενα που ασκούν μαγνητικές δυνάμεις το ένα στο άλλο δημιουργούν ένα πεδίο γύρω τους. Ένας μαγνήτης ράβδου, για παράδειγμα, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στο χώρο γύρω από αυτό, προκαλώντας σε όλους τους άλλους μαγνήτες ή σιδηρομαγνητικά υλικά να εισέλθουν σε αυτό το πεδίο ως αποτέλεσμα.

Ένας τρόπος για να οπτικοποιήσετε το μαγνητικό πεδίο είναι να χρησιμοποιήσετε σίδηρο. Τα νήματα σιδήρου είναι μικρά κομμάτια σιδήρου που, όταν πασπαλίζονται γύρω από έναν μαγνήτη, θα ευθυγραμμίζονται με τις γραμμές εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, επιτρέποντάς σας να τις απεικονίσετε.

Η μονάδα SI που σχετίζεται με την ισχύ του μαγνητικού πεδίου είναι η tesla.

Μια άλλη κοινή μονάδα που σχετίζεται με την ισχύ του μαγνητικού πεδίου είναι το gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 Τ

Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι μαγνητισμού:

​Παραμαγνητισμόςπεριγράφει ορισμένα υλικά που μπορεί να προσελκύονται ασθενώς στους μαγνήτες αλλά που δεν συγκρατούν το ίδιο ένα μόνιμο μαγνητικό πεδίο. Παρουσία εξωτερικού πεδίου, θα σχηματίσουν εσωτερικά, επαγόμενα μαγνητικά πεδία που ευθυγραμμίζονται. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε προσωρινή ενίσχυση του μαγνητικού πεδίου συνολικά. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι παραμαγνητικών υλικών, ακόμη και μερικοί πολύτιμοι λίθοι.

​Διαμαγνητισμόςείναι μια ιδιότητα που εκτίθεται από όλα τα υλικά, αλλά η οποία είναι συνήθως πιο προφανής σε υλικά που θεωρούμε ως μη μαγνητικά. Τα διαγνωστικά υλικά απωθούνται πολύ ασθενώς από μαγνητικά πεδία. Σε μόνιμους μαγνήτες και παραμαγνητικά υλικά, τα αποτελέσματα του διαμαγνητισμού είναι αμελητέα.

​Ηλεκτρομαγνητισμόςσυμβαίνει όταν το ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται μέσω καλωδίου. Αυτό το σύρμα μπορεί να τυλίγεται γύρω από μια ράβδο σιδήρου για να ενισχύσει το αποτέλεσμα καθώς το σίδερο θα δημιουργήσει το δικό του μαγνητικό πεδίο που ευθυγραμμίζεται με το εξωτερικό πεδίο. Αυτή η μορφή μαγνητισμού είναι ένα άμεσο αποτέλεσμα του γεγονότος ότι η κίνηση των ηλεκτρονίων δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο. (Και πάλι, ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι δύο πλευρές της ίδιας θεμελιώδους φυσικής ιδιότητας!)

​Φερομαγνητισμόςπεριγράφει πώς ορισμένα υλικά - που ονομάζονται σιδηρομαγνητικά υλικά - σχηματίζουν μόνιμους μαγνήτες, οι οποίοι συζητούνται λεπτομερέστερα στην επόμενη ενότητα.

Τα υλικά που προσελκύονται έντονα στους μαγνήτες ονομάζονται σιδηρομαγνητικά. Ο σίδηρος είναι το πιο κοινό υλικό αυτού του τύπου. (Δεν προκαλεί έκπληξη από το λατινικό πρόθεμασίδερο- σημαίνει "σίδερο".)

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν αυτά που ονομάζονται μαγνητικά πεδία. Δηλαδή, περιοχές μέσα σε αυτές που μοιάζουν με μαγνήτες, αλλά προσανατολίζονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις έτσι ώστε το συνολικό αποτέλεσμα να ακυρώνεται και γενικά δεν ενεργούν σαν μαγνήτες. Εάν, ωστόσο, αυτά τα υλικά τοποθετηθούν σε μαγνητικά πεδία, αυτό μπορεί να προκαλέσει ευθυγράμμιση των περιοχών έτσι ότι είναι όλα ευθυγραμμισμένα στην ίδια κατεύθυνση, και ως εκ τούτου γίνονται (συχνά προσωρινά) σαν μαγνήτες τους εαυτούς τους.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν οροφή, σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο και διάφορα υλικά σπάνιων γαιών, συμπεριλαμβανομένου του νεοδυμίου.

Ένας μαγνήτης ράβδων είναι μια ορθογώνια ή κυλινδρική ράβδος μαγνητικού υλικού. Τα άκρα ενός μαγνήτη ράβδου είναι βόρειοι και νότιοι πόλοι. Αυτοί είναι οι δύο τύποι μαγνητικών πόλων και αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω μαγνητικής δύναμης με τρόπο παρόμοιο με το πώς αλληλεπιδρούν θετικά και αρνητικά φορτία μέσω της ηλεκτρικής δύναμης.

Οι μαγνήτες ράβδων είναι μαγνητικά δίπολα. Έχουν αντίθετους πόλους που χωρίζονται από απόσταση, παρόμοια με ένα ηλεκτρικό δίπολο. Μια κύρια διαφορά, ωστόσο, είναι ότι με τους μαγνήτες, δεν μπορείτε να έχετε ένα μονόπολο (έναν απομονωμένο πόλο) όπως μπορείτε να έχετε με φορτία. Ένας μαγνήτης υπάρχει πάντα ως δίπολο και ποτέ ως βόρειος πόλος από μόνος του ή νότιος πόλος από μόνος του. (Αν κόψετε ένα μαγνήτη ράβδου στο μισό για να προσπαθήσετε να διαχωρίσετε τους πόλους, θα καταλήξετε απλά με δύο μικρότερους διπολικούς μαγνήτες!)

Όπως ίσως γνωρίζετε, η Γη έχει μαγνητικό πεδίο. Αυτό επιτρέπει στους ανθρώπους να χρησιμοποιούν πυξίδες για να καθορίσουν ποια κατεύθυνση αντιμετωπίζουν σε σχέση με τους πόλους. Μια μαγνητική πυξίδα αποτελείται από έναν μικρό μαγνήτη που μπορεί να κινηθεί ελεύθερα και να ευθυγραμμιστεί με οποιοδήποτε εξωτερικό πεδίο. Το κόκκινο άκρο της βελόνας πυξίδας δείχνει βόρεια. Το μαγνητικό πεδίο της Γης δρα σαν ένας τεράστιος μαγνήτης ράβδων. Αυτός ο φανταστικός μαγνήτης είναι προσανατολισμένος έτσι ώστε το βόρειο άκρο του μαγνήτη να βρίσκεται στο νότιο πόλο της Γης και το νότιο άκρο του μαγνήτη να βρίσκεται στο βόρειο πόλο της Γης.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης δεν είναι επίσης παράλληλο με την επιφάνεια της Γης στα περισσότερα μέρη. Μπορείτε να προσδιορίσετε την απόκλιση του μαγνητικού πεδίου της Γης χρησιμοποιώντας μια βελόνα εμβάπτισης. Πρώτα προσανατολίστε τη βελόνα οριζόντια και ευθυγραμμίστε την με το μαγνητικό βορρά της Γης. Στη συνέχεια γυρίστε το κάθετα και παρατηρήστε τη γωνία εμβάπτισης. Η γωνία είναι μεγαλύτερη όσο πιο κοντά είστε στους πόλους.

Το μαγνητικό πεδίο της Γης δημιουργεί μια περιοχή του διαστήματος που περιβάλλει τον πλανήτη που ονομάζεται μαγνητόσφαιρα. Η μαγνητόσφαιρα μοιάζει ουσιαστικά με το μαγνητικό πεδίο ενός πολύ μεγάλου μαγνήτη ράβδου ευθυγραμμισμένο κοντά στον άξονα της Γης, αν και η μαγνητόσφαιρα μπορεί να παραμορφωθεί καθώς αλληλεπιδρά με φορτισμένα σωματίδια.

Η μαγνητόσφαιρα μας προστατεύει από τον ηλιακό άνεμο, ο οποίος περιέχει φορτισμένα σωματίδια. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των σωματιδίων και των γραμμών του μαγνητικού πεδίου είναι αυτές που δημιουργούν αύρες.

Το φαινόμενο του μαγνητισμού χρησιμοποιείται σε κάθε είδους καθημερινές εφαρμογές.

Το φαινόμενο του ηλεκτρομαγνητισμού μας επιτρέπει να μετατρέψουμε τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια στις ηλεκτρικές γεννήτριες. Οι ηλεκτρικές γεννήτριες χρησιμοποιούν μηχανικά μέσα για να στρέψουν έναν στρόβιλο (φυσώντας άνεμος ή τρεχούμενο νερό) που αλλάζει ένα μαγνητικό πεδίο σε σχέση με τα πηνία καλωδίων, προκαλώντας ροή ρεύματος.

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες είναι ουσιαστικά το αντίθετο των ηλεκτρικών γεννητριών, χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητισμό για μετατροπή ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια, είτε πρόκειται να λειτουργήσει ένα τρυπάνι ισχύος, ένα μίξερ ή ένα ηλεκτρικό όχημα.

Οι βιομηχανικοί ηλεκτρομαγνήτες είναι γιγαντιαίοι μαγνήτες με πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία που τους επιτρέπουν να παραλαμβάνουν παλιά οχήματα στο πλυντήριο.

Τα μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας χρησιμοποιούν ισχυρά μαγνητικά πεδία για τη δημιουργία εικόνων από τα εσωτερικά σας μέρη και επιτρέπουν στους γιατρούς να διαγνώσουν ένα πλήθος ιατρικών παθήσεων.