Kuidas moodustuvad magnetid?

Peaaegu igaüks tunneb põhilist magnetit ja seda, mida see teeb või suudab. Väike laps tunneks selle kindla kiiresti ära, kui talle antakse mõni mänguhetk ja õige materjalide segu mitmesuguseid asju (mida laps hiljem metallidena identifitseerib) tõmmatakse magneti poole, samal ajal kui teisi see ei mõjuta selle järgi. Ja kui lapsele antakse mängimiseks rohkem kui üks magnet, muutuvad katsed kiiresti veelgi huvitavamaks.

Magnetism on sõna, mis hõlmab paljusid teadaolevaid vastastikmõjusid füüsilises maailmas, mis pole inimsilmale nähtavad. Kaks peamist tüüpi magnetid on ferromagnetid, mis tekitavad enda ümber püsivaid magnetvälju ja elektromagnetid, mis on materjalid, milles magnetvälja saab ajutiselt tekitada, kui need asetatakse elektrivälja, näiteks voolu kandva traadi mähise tekitatud materjal.

Kui keegi küsib teilt Jeopardiastiilis küsimus "Millisest materjalist koosneb magnet?" siis võid kindel olla, et ühest vastust pole - ja sellega relvastatud käes oleva teabe abil saate isegi küsijale selgitada kõiki kasulikke üksikasju, sealhulgas seda, kuidas magnet on moodustatud.

Nagu nii palju füüsikas - näiteks gravitatsioon, heli ja valgus -, on magnetism alati "olemas" olnud, kuid inimkonna võime kirjeldada seda ja teha selle kohta prognoose, tuginedes katsetele ning sellest tulenevad mudelid ja raamistikud on kogu programmi jooksul edasi arenenud sajandeid. Sellega seotud elektri ja magnetismi mõistete ümber on tekkinud terve füüsika haru, mida tavaliselt nimetatakse elektromagnetikaks.

Vanad kultuurid olid teadlikud, et lodestone, haruldane rauda ja hapnikku sisaldava mineraalse magnetiidi tüüp (keemiline valem: Fe₃O₄), võiks meelitada metallitükke. 11. sajandiks olid hiinlased õppinud, et selline pikk ja õhuke kivi orienteerub õhus hõljudes piki põhja-lõuna telge, sillutades teed kompass.

Kompassi kasutanud Euroopa reisijad märkasid, et põhja suunas osutav suund varieerus Atlandi-üleste teekondade jooksul veidi. See viis arusaamani, et Maa ise on sisuliselt tohutu magnet, kusjuures "magnetiline põhi" ja "tõeline põhi" on veidi erinevad ja erinevad kogu maailmas erineva hulga poolest. (Sama kehtib tõelise ja magnetilise lõuna kohta.)

Piiratud arv materjale, sealhulgas raud, koobalt, nikkel ja gadoliinium, avaldavad iseenesest tugevat magnetilist mõju. Kõik magnetväljad tulenevad üksteise suhtes liikuvatest elektrilaengutest. Magnetismi induktsioon elektromagnetis, asetades selle voolu kandva traadi mähise lähedale, on olnud mainitud, kuid isegi ferromagnetitel on magnetism ainult aatomil tekkivate pisikeste voolude tõttu tasemel.

Kui ferromagnetilise materjali lähedale tuuakse püsimagnet, tuleks raua, koobalti või muu materjali üksikute aatomite komponente on joondunud selle magnetilise kujuteldava mõjuliiniga, mis fännab välja selle põhja- ja lõunapoolusest, mida nimetatakse magnetiks valdkonnas. Kui ainet kuumutatakse ja jahutatakse, saab magnetiseerimise muuta püsivaks, kuigi see võib toimuda ka spontaanselt; seda magnetiseerumist saab muuta ülisuure kuumuse või füüsiliste häiretega.

Magnetmonopoli pole olemas; see tähendab, et pole olemas punktmagnetit, nagu juhtub elektriliste elektrilaengute korral. Selle asemel on magnetitel magnetdipoolid ja nende magnetväljajooned pärinevad põhjapooluspoolusest ja ventilaatorist väljapoole, enne kui naasevad lõunapoolusele. Pidage meeles, et need "jooned" on lihtsalt vahendid, mida kasutatakse aatomite ja osakeste käitumise kirjeldamiseks!

Nagu varem rõhutatud, tekitavad magnetvälju voolud. Püsimagnetites tekivad pisikesed voolud nende magnetite aatomite elektronide kahte liiki liikumisel: nende orbiit aatomi keskprootoni ümber ja nende pöörlemine või pöörlema.

Enamikus materjalides väike magnetmomendid mis on loodud antud aatomi üksikute elektronide liikumisel, tühistavad üksteise. Kui nad seda ei tee, toimib aatom ise nagu väike magnet. Ferromagnetilistes materjalides magnetmomendid mitte ainult ei kustu, vaid ka joonduvad samas suunas ja nihutada nii, et see oleks joondatud rakendatud välise magneti joontega samas suunas valdkonnas.

Mõnes materjalis on aatomeid, mis käituvad nii, et neid saab rakendatud magnetvälja abil erineval määral magnetiseerida. (Pidage meeles, et magnetvälja kohalolekuks pole alati vaja magnetit; piisavalt suur elektrivool teeb asja ära.) Nagu näete, ei soovi mõned neist materjalidest magnetismi püsivat osa, teised aga käituvad haledamalt.

Magnetmaterjalide loend, mis annab ainult magnetismi avaldavate metallide nimed, ei oleks kaugeltki nii kasulik kui a loetelu magnetilistest materjalidest, mis on järjestatud nende magnetväljade käitumise järgi ja kuidas asjad mikroskoopil toimivad tasemel. Selline klassifitseerimissüsteem on olemas ja see eraldab magnetkäitumise viide tüüpi.

• Diamagnetism: Enamikul materjalidel on see omadus, mille korral välisse magnetvälja paigutatud aatomite magnetmomendid joonduvad rakendatava välja vastassuunas. Sellest tulenevalt vastandub saadud magnetväli rakendatud väljale. See "reaktiivne" väli on aga väga nõrk. Kuna selle omadusega materjalid ei ole mingis tähenduslikus mõttes magnetilised, ei sõltu magnetismi tugevus temperatuurist.
  
• Paragnetism: Selle omadusega materjalidel, näiteks alumiiniumil, on individuaalsed aatomid positiivsete netodipoolmomentidega. Naaber aatomite dipoolmomendid aga tavaliselt tühistavad üksteise, jättes materjali tervikuna magnetiseerimata. Kui rakendatakse magnetvälja, selle asemel, et väljale otse vastanduda, on magnetdipoolid aatomid joonduvad rakendatava väljaga mittetäielikult, mille tulemuseks on nõrgalt magnetiseeritud materjal.
  
• Ferromagnetism: Sellistel materjalidel nagu raud, nikkel ja magnetiit (lodestone) on see tugev omadus. Nagu juba puudutatud, joonduvad naaber aatomite dipoolmomendid ka magnetvälja puudumisel. Nende koostoime tulemusel võib magnetväli ulatuda 1000-ni tesla, või T (magnetvälja tugevuse SI ühik; mitte jõud, vaid midagi sarnast). Võrdluseks: Maa enda magnetväli on 100 miljonit korda nõrgem!
  
• Ferrimagnetism: Pange tähele ühe hääliku erinevust eelmisest materjalide klassist. Need materjalid on tavaliselt oksiidid ja nende ainulaadsed magnetilised vastasmõjud tulenevad asjaolust, et nende oksiidide aatomid on paigutatud kristalli "võre" struktuuri. Ferrimagnetiliste materjalide käitumine sarnaneb suuresti ferromagnetiliste materjalide käitumisega, kuid nende järjestus magnetilised elemendid ruumis on erinevad, mis põhjustab temperatuuri tundlikkuse erinevat taset ja muud eristused.
  
• Antiferromagnetism: Seda materjalide klassi iseloomustab omapärane temperatuuritundlikkus. Üle etteantud temperatuuri, mida nimetatakse Neeli temperatuur või T_N, materjal käitub sarnaselt paramagnetilise materjaliga. Üks näide sellisest materjalist on hematiit. Need materjalid on ka kristallid, kuid nagu nende nimigi ütleb, on võred korraldatud selliselt et magnetilise dipooli vastasmõjud tühistuvad täielikult, kui välist magnetvälja pole kohal.