Πώς σχηματίζονται οι μαγνήτες;

Σχεδόν όλοι είναι εξοικειωμένοι με έναν βασικό μαγνήτη και τι κάνει ή μπορεί να κάνει. Ένα μικρό παιδί, εάν δοθεί λίγες στιγμές παιχνιδιού και ο σωστός συνδυασμός υλικών, θα το αναγνώριζε γρήγορα είδη πραγμάτων (τα οποία το παιδί θα αναγνωρίσει αργότερα ως μέταλλα) τραβιέται προς τον μαγνήτη, ενώ άλλα δεν επηρεάζονται από αυτό. Και αν στο παιδί δοθούν περισσότεροι από ένας μαγνήτες για να παίξει, τα πειράματα θα γίνουν γρήγορα ακόμη πιο ενδιαφέροντα.

Ο μαγνητισμός είναι μια λέξη που περιλαμβάνει διάφορες γνωστές αλληλεπιδράσεις στον φυσικό κόσμο που δεν είναι ορατές στο ανθρώπινο μάτι. Οι δύο βασικοί τύποι μαγνητών είναι σιδηρομαγνήτες, που δημιουργούν μόνιμα μαγνητικά πεδία γύρω τους, και ηλεκτρομαγνήτες, τα οποία είναι υλικά στα οποία ο μαγνητισμός μπορεί να προκληθεί προσωρινά όταν τοποθετούνται σε ηλεκτρικό πεδίο, όπως αυτό που δημιουργείται από ένα πηνίο σύρματος μεταφοράς ρεύματος.

Εάν κάποιος σας ρωτήσει το Διακινδύνευσηερώτηση στυλ "Ένας μαγνήτης αποτελείται από ποιο υλικό;" τότε μπορείτε να είστε σίγουροι ότι δεν υπάρχει καμία απάντηση - και να οπλιστείτε με τις διαθέσιμες πληροφορίες, θα μπορείτε ακόμη και να εξηγήσετε στον ερωτητή σας όλες τις χρήσιμες λεπτομέρειες, συμπεριλαμβανομένου του πώς είναι ένας μαγνήτης σχηματίστηκε.

Όπως συμβαίνει τόσο στη φυσική - για παράδειγμα, η βαρύτητα, ο ήχος και το φως - ο μαγνητισμός ήταν πάντα "εκεί", αλλά η ικανότητα της ανθρωπότητας να περιγράψτε το και κάντε προβλέψεις σχετικά με αυτό βάσει πειραμάτων και τα μοντέλα και τα πλαίσια που προέκυψαν έχουν προχωρήσει καθ 'όλη τη διάρκεια του αιώνες. Ένας ολόκληρος κλάδος της φυσικής ξεπήδησε γύρω από τις σχετικές έννοιες της ηλεκτρικής ενέργειας και του μαγνητισμού, που συνήθως ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική.

Οι αρχαίοι πολιτισμοί γνώριζαν ότι το μαγνήτης, έναν σπάνιο τύπο ορυκτού μαγνητίτη που περιέχει σίδηρο και οξυγόνο (χημικός τύπος: Fe₃Ο₄), θα μπορούσε να προσελκύσει κομμάτια μετάλλου. Μέχρι τον 11ο αιώνα, οι Κινέζοι είχαν μάθει ότι μια τέτοια πέτρα που έμοιαζε μακρά και λεπτή, θα προσανατολιστεί κατά μήκος ενός άξονα Βορρά-Νότου εάν ανασταλεί στον αέρα, ανοίγοντας το δρόμο για την πυξίδα.

Ευρωπαίοι ταξιδιώτες που κάνουν χρήση της πυξίδας παρατήρησαν ότι η κατεύθυνση που δείχνει το Βορρά διέφερε ελαφρώς στα διατλαντικά ταξίδια. Αυτό οδήγησε στη συνειδητοποίηση ότι η ίδια η Γη είναι ουσιαστικά ένας τεράστιος μαγνήτης, με το «μαγνητικό βορρά» και το «αληθινό βορρά» να είναι ελαφρώς διαφορετικό και διαφορετικό από διάφορα ποσά σε ολόκληρο τον κόσμο. (Το ίδιο ισχύει για τον πραγματικό και μαγνητικό νότο.)

Ένας περιορισμένος αριθμός υλικών, όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο και το γαδολίνιο, εμφανίζουν από μόνα τους ισχυρά μαγνητικά αποτελέσματα. Όλα τα μαγνητικά πεδία προκύπτουν από ηλεκτρικά φορτία που κινούνται το ένα στο άλλο. Η επαγωγή του μαγνητισμού σε έναν ηλεκτρομαγνήτη τοποθετώντας τον κοντά σε ένα πηνίο σύρματος μεταφοράς ρεύματος ήταν αναφέρεται, αλλά ακόμη και οι σιδηρομαγνήτες διαθέτουν μαγνητισμό μόνο λόγω των μικροσκοπικών ρευμάτων που παράγονται στον ατομικό επίπεδο.

Εάν ένας μόνιμος μαγνήτης πλησιάζει ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, τα συστατικά των μεμονωμένων ατόμων του σιδήρου, του κοβαλτίου ή οποιουδήποτε άλλου υλικού ευθυγραμμίζονται με τις φανταστικές γραμμές επιρροής του μαγνήτη που εξαφανίζονται από τους βόρειους και νότιους πόλους του, που ονομάζονται μαγνητικοί πεδίο. Εάν η ουσία θερμανθεί και ψυχθεί, ο μαγνητισμός μπορεί να γίνει μόνιμος, αν και μπορεί επίσης να συμβεί αυθόρμητα. Αυτός ο μαγνητισμός μπορεί να αντιστραφεί από υπερβολική θερμότητα ή φυσική διαταραχή.

Δεν υπάρχει μαγνητικό μονόπολο. Δηλαδή, δεν υπάρχει «σημείο μαγνήτης», όπως συμβαίνει με τα ηλεκτρικά φορτία σημείου. Αντ 'αυτού, οι μαγνήτες έχουν μαγνητικά δίπολα και οι γραμμές μαγνητικού πεδίου τους προέρχονται από τον βόρειο μαγνητικό πόλο και τον ανεμιστήρα προς τα έξω πριν επιστρέψουν στον νότιο πόλο. Θυμηθείτε, αυτές οι «γραμμές» είναι απλά εργαλεία που χρησιμοποιούνται για να περιγράψουν τη συμπεριφορά των ατόμων και των σωματιδίων!

Όπως τονίστηκε προηγουμένως, τα μαγνητικά πεδία παράγονται από ρεύματα. Σε μόνιμους μαγνήτες, μικροσκοπικά ρεύματα παράγονται από τους δύο τύπους κίνησης των ηλεκτρονίων σε αυτά τα άτομα μαγνητών: Η τροχιά τους για το κεντρικό πρωτόνιο του ατόμου και την περιστροφή τους, ή γνέθω.

Στα περισσότερα υλικά, το μικρό μαγνητικές στιγμές που δημιουργείται από την κίνηση των μεμονωμένων ηλεκτρονίων ενός δεδομένου ατόμου ακυρώνουν το ένα το άλλο. Όταν δεν το κάνουν, το ίδιο το άτομο ενεργεί σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, οι μαγνητικές ροπές όχι μόνο δεν ακυρώνονται, αλλά ευθυγραμμίζονται επίσης στο ίδια κατεύθυνση και μετατόπιση ώστε να ευθυγραμμιστεί προς την ίδια κατεύθυνση με τις γραμμές ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίο.

Ορισμένα υλικά έχουν άτομα που συμπεριφέρονται με τέτοιο τρόπο ώστε να τους επιτρέπουν να μαγνητίζονται σε διάφορους βαθμούς από ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. (Θυμηθείτε, δεν χρειάζεστε πάντα μαγνήτη για να υπάρχει μαγνητικό πεδίο. ένα αρκετά μεγάλο ηλεκτρικό ρεύμα θα κάνει το τέχνασμα.) Όπως θα δείτε, μερικά από αυτά τα υλικά δεν θέλουν κανένα διαρκές μέρος του μαγνητισμού, ενώ άλλα συμπεριφέρονται με πιο τρελό τρόπο.

Μια λίστα μαγνητικών υλικών που δίνει μόνο τα ονόματα των μετάλλων που εμφανίζουν μαγνητισμό δεν θα ήταν σχεδόν τόσο χρήσιμη όσο το κατάλογος των μαγνητικών υλικών που ταξινομούνται από τη συμπεριφορά των μαγνητικών πεδίων τους και πώς λειτουργούν τα πράγματα στο μικροσκοπικό επίπεδο. Υπάρχει ένα τέτοιο σύστημα ταξινόμησης και διαχωρίζει τη μαγνητική συμπεριφορά σε πέντε τύπους.

• Διαμαγνητισμός: Τα περισσότερα υλικά εμφανίζουν αυτήν την ιδιότητα, στην οποία οι μαγνητικές ροπές ατόμων που τοποθετούνται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζονται σε μια αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη του εφαρμοζόμενου πεδίου. Κατά συνέπεια, το προκύπτον μαγνητικό πεδίο αντιτίθεται στο εφαρμοζόμενο πεδίο. Αυτό το "αντιδραστικό" πεδίο, ωστόσο, είναι πολύ αδύναμο. Επειδή τα υλικά με αυτήν την ιδιότητα δεν είναι μαγνητικά με καμία έννοια, η ισχύς του μαγνητισμού δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία.
  
• Παραμαγνητισμός: Τα υλικά με αυτήν την ιδιότητα, όπως το αλουμίνιο, έχουν μεμονωμένα άτομα με θετικές καθαρές διπολικές ροπές. Οι διπολικές στιγμές των γειτονικών ατόμων, ωστόσο, συνήθως ακυρώνουν το ένα το άλλο, αφήνοντας το υλικό στο σύνολό του μη μαγνητισμένο. Όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο, αντί να αντιτίθεται το πεδίο εντελώς, τα μαγνητικά δίπολα του τα άτομα ευθυγραμμίζονται ατελή με το εφαρμοζόμενο πεδίο, με αποτέλεσμα ένα ασθενώς μαγνητισμένο υλικό.
  
• Φερομαγνητισμός: Υλικά όπως ο σίδηρος, το νικέλιο και ο μαγνητίτης (αποθήκη) έχουν αυτήν την ισχυρή ιδιότητα. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι διπολικές στιγμές των γειτονικών ατόμων ευθυγραμμίζονται ακόμη και απουσία μαγνητικού πεδίου. Οι αλληλεπιδράσεις τους μπορούν να οδηγήσουν σε μαγνητικό πεδίο μεγέθους που φτάνει τα 1.000 Τέσλα, ή T (η μονάδα SI ισχύος μαγνητικού πεδίου · όχι μια δύναμη αλλά κάτι σαν ένα). Συγκριτικά, το μαγνητικό πεδίο της ίδιας της Γης είναι 100 εκατομμύρια φορές πιο αδύναμο!
  
• Φεριμαγνητισμός: Σημειώστε τη διαφορά ενός φωνήεντος από την προηγούμενη κατηγορία υλικών. Αυτά τα υλικά είναι συνήθως οξείδια και οι μοναδικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις τους προέρχονται από το γεγονός ότι τα άτομα σε αυτά τα οξείδια είναι διατεταγμένα σε κρυσταλλική δομή "πλέγματος". Η συμπεριφορά των σιδηρομαγνητικών υλικών μοιάζει πολύ με εκείνη των σιδηρομαγνητικών υλικών, αλλά η σειρά των μαγνητικά στοιχεία στο διάστημα είναι διαφορετικά, οδηγώντας σε διαφορετικά επίπεδα ευαισθησίας θερμοκρασίας και άλλα διακρίσεις.
  
• Αντιμυρωμαγνητισμός: Αυτή η κατηγορία υλικών χαρακτηρίζεται από μια ιδιαίτερη ευαισθησία θερμοκρασίας. Πάνω από μια δεδομένη θερμοκρασία, που ονομάζεται Θερμοκρασία Νέελ ή Τ_Ν, το υλικό συμπεριφέρεται σαν παραμαγνητικό υλικό. Ένα παράδειγμα τέτοιου υλικού είναι ο αιματίτης. Αυτά τα υλικά είναι επίσης κρύσταλλα, αλλά όπως υποδηλώνει το όνομά τους, τα πλέγματα είναι οργανωμένα με τέτοιο τρόπο ότι οι αλληλεπιδράσεις μαγνητικού διπόλου ακυρώνονται εντελώς όταν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο παρόν.