Kuinka magneetit muodostuvat?

Lähes jokainen tuntee perusmagneetin ja sen toiminnot. Pieni lapsi, jos tietyn hetken leikkiä ja oikea materiaalivalikoima, tunnistaisi sen nopeasti erilaisia ​​asioita (jotka lapsi myöhemmin tunnistaa metalleiksi) vedetään kohti magneettia, kun taas muut eivät vaikuta sen mukaan. Ja jos lapselle annetaan useampi kuin yksi magneetti leikkiä, kokeista tulee nopeasti vieläkin mielenkiintoisempia.

Magnetismi on sana, joka sisältää useita tunnettuja vuorovaikutuksia fyysisessä maailmassa, jotka eivät ole näkyvissä ihmissilmällä. Kaksi magneettityyppiä ovat ferromagneetteja, jotka luovat pysyviä magneettikenttiä ympärilleen, ja sähkömagneetteja, jotka ovat materiaaleja, joissa magneettisuutta voidaan väliaikaisesti indusoida, kun ne sijoitetaan sähkökenttään, kuten virtajohtokäämin tuottama.

Jos joku kysyy sinulta Jeopardia-tyyppinen kysymys "Mistä materiaalista koostuu magneetti?" niin voit olla varma, ettei ole olemassa yhtä vastausta - ja aseistettu käsillä olevien tietojen avulla pystyt jopa selittämään kysyjällesi kaikki hyödylliset yksityiskohdat, mukaan lukien magneetin muodostettu.

Kuten niin paljon fysiikassa - esimerkiksi painovoima, ääni ja valo - magnetismi on aina ollut "olemassa", mutta ihmiskunnan kyky kuvaile sitä ja tee siitä ennusteita kokeiden perusteella ja tuloksena olevat mallit ja kehykset ovat edenneet koko vuosisadat. Koko fysiikan haara on syntynyt siihen liittyvien sähkön ja magnetismin käsitteiden ympärille, joita yleensä kutsutaan sähkömagneettisiksi.

Muinaiset kulttuurit olivat tietoisia siitä, että magneetti, harvinainen rauta- ja happipitoinen mineraalimagnetiti (kemiallinen kaava: Fe₃O₄), voisi houkutella metalliosia. 11. vuosisadalle mennessä kiinalaiset olivat oppineet, että sellainen kivi, joka sattui olemaan pitkä ja ohut, suuntautuisi pohjois-etelä-akselia pitkin, jos se ripustetaan ilmassa, mikä tasoitti tietä kompassi.

Eurooppalaiset kompassia käyttävät matkalaiset huomasivat, että pohjoiseen osoittava suunta vaihteli hieman koko Atlantin ylittävillä matkoilla. Tämä johti oivallukseen, että maapallo itsessään on olennaisesti massiivinen magneetti, jossa "magneettinen pohjoinen" ja "todellinen pohjoinen" ovat hieman erilaisia ​​ja erilaisia ​​vaihtelevilla määrillä eri puolilla maailmaa. (Sama koskee todellista ja magneettista etelää.)

Rajoitettu määrä materiaaleja, mukaan lukien rauta, koboltti, nikkeli ja gadolinium, osoittavat itsessään voimakkaita magneettisia vaikutuksia. Kaikki magneettikentät johtuvat sähkövarausten liikkumisesta toistensa suhteen. Magnetismin induktio sähkömagneetissa asettamalla se lähelle virtaa johtavan lankan kelaa on ollut mainittu, mutta jopa ferromagneeteilla on magnetismia vain atomissa syntyvien pienten virtojen takia taso.

Jos kestomagneetti tuodaan ferromagneettisen materiaalin lähelle, yksittäisten rautan, koboltin tai minkä tahansa materiaalin atomien komponentit ovat linjassa itsensä magneettien kuvitteellisten vaikutuslinjojen kanssa, jotka tuulettuvat sen pohjoisesta ja etelästä ala. Jos ainetta kuumennetaan ja jäähdytetään, magnetointi voidaan tehdä pysyväksi, vaikka se voi tapahtua myös spontaanisti; tämä magnetointi voidaan kääntää äärimmäisen kuumuuden tai fyysisten häiriöiden vuoksi.

Magneettista monopolia ei ole olemassa; toisin sanoen ei ole olemassa "pistemagneettia", kuten tapahtuu pistesähkövarauksilla. Sen sijaan magneeteilla on magneettisia dipoleja, ja niiden magneettikentän linjat alkavat pohjoisesta magneettinavasta ja tuulettimen ulospäin ennen paluuta etelänavalle. Muista, että nämä "viivat" ovat vain työkaluja, joita käytetään atomien ja hiukkasten käyttäytymisen kuvaamiseen!

Kuten aiemmin korostettiin, magneettikentät syntyvät virroista. Pysyvissä magneeteissa pieniä virtoja tuottavat näiden magneettiatomien elektronien kahden tyyppiset liikkeet: Niiden kiertorata atomin keskiprotonin ympärillä ja niiden pyöriminen tai pyöritä.

Useimmissa materiaaleissa pieni magneettiset hetket tietyn atomin yksittäisten elektronien liikkeellä luoma kumoaa toisensa. Kun niitä ei ole, atomi itse toimii kuin pieni magneetti. Ferromagneettisissa materiaaleissa magneettimomentit eivät vain poistu, vaan ne myös kohdistuvat itseensä samaan suuntaan ja siirtyä siten, että se kohdistuu samaan suuntaan kuin käytetyn ulkoisen magneetin linjat ala.

Joissakin materiaaleissa on atomeja, jotka käyttäytyvät tavalla, joka antaa niiden magnetoitua vaihtelevassa määrin sovelletulla magneettikentällä. (Muista, et aina tarvitse magneettia, jotta magneettikenttä on läsnä; riittävän suuri sähkövirta tekee temppu.) Kuten näette, jotkut näistä materiaaleista eivät halua pysyvää osaa magneettisesta toiminnasta, kun taas toiset käyttäytyvät pahemmin.

Magneettisten materiaalien luettelo, joka antaa vain magnetismia osoittavien metallien nimet, ei olisi läheskään yhtä hyödyllinen kuin a luettelo magneettisista materiaaleista, jotka on järjestetty niiden magneettikenttien käyttäytymisen mukaan ja miten asiat toimivat mikroskoopilla taso. Tällainen luokitusjärjestelmä on olemassa, ja se erottaa magneettisen käyttäytymisen viiteen tyyppiin.

• Diamagnetismi: Suurimmalla osalla materiaaleista on tämä ominaisuus, jossa ulkoiseen magneettikenttään sijoitettujen atomien magneettiset momentit kohdistuvat toisiinsa vastakkaiseen suuntaan kuin sovellettu kenttä. Näin ollen syntynyt magneettikenttä vastustaa sovellettua kenttää. Tämä "reaktiivinen" kenttä on kuitenkin hyvin heikko. Koska tällä ominaisuudella varustetut materiaalit eivät ole missään merkityksellisessä mielessä magneettisia, magnetismin vahvuus ei riipu lämpötilasta.
  
• Paramagnetismi: Tämän ominaisuuden omaavilla materiaaleilla, kuten alumiinilla, on yksittäisiä atomeja, joilla on positiiviset nettodipolimomentit. Naapuriatomien dipolimomentit kuitenkin yleensä kumoavat toisensa, jättäen materiaalin kokonaisuudessaan magneetittomaksi. Kun magneettikenttä kohdistuu pikemminkin kuin vastustaa kenttää suoraan, sen magneettiset dipolit atomit kohdistuvat epätäydellisesti sovellettuun kenttään, mikä johtaa heikosti magnetoituneeseen materiaalia.
  
• Ferromagneetti: Materiaaleilla, kuten raudalla, nikkelillä ja magnetiitilla (lodestone), on tämä voimakas ominaisuus. Kuten jo kosketettiin, naapuriatomien dipolimomentit kohdistuvat toisiinsa jopa ilman magneettikenttää. Niiden vuorovaikutus voi johtaa magneettikentän saavuttamiseen 1000 tesla, tai T (magneettikentän voimakkuuden SI-yksikkö; ei voima vaan jotain sellaista). Vertailun vuoksi maan itsensä magneettikenttä on 100 miljoonaa kertaa heikompi!
  
• Ferrimagneetti: Huomaa yksittäisen vokaalin ero edellisestä materiaaliluokasta. Nämä materiaalit ovat yleensä oksideja, ja niiden ainutlaatuinen magneettinen vuorovaikutus johtuu siitä, että näiden oksidien atomit ovat järjestetty kide "ristikkorakenteeseen". Ferrimagneettisten materiaalien käyttäytyminen muistuttaa paljolti ferromagneettisten materiaalien käyttäytymistä, mutta niiden järjestys magneettiset elementit avaruudessa ovat erilaisia, mikä johtaa erilaisiin lämpötilaherkkyystasoihin ja muuhun erot.
  
• Antiferromagnetismi: Tälle materiaaliluokalle on ominaista erikoinen lämpötilaherkkyys. Tietyn lämpötilan yläpuolella, nimeltään Neelin lämpötila tai T_N, materiaali käyttäytyy paljon kuin paramagneettinen materiaali. Yksi esimerkki tällaisesta materiaalista on hematiitti. Nämä materiaalit ovat myös kiteitä, mutta niiden nimien mukaan ristikot on järjestetty samalla tavalla että magneettinen dipolivuorovaikutus peruuntuu kokonaan, kun ulkoista magneettikenttää ei ole esittää.