Kako nastaju magneti?

Gotovo svi su upoznati s osnovnim magnetom i onim što on čini ili može. Malo dijete, ako mu se da nekoliko trenutaka igre i ako se napravi prava kombinacija materijala, to bi brzo prepoznalo vrste stvari (koje će dijete kasnije prepoznati kao metale) povlače se prema magnetu dok druge ne utječu po njemu. A ako se djetetu da više od jednog magneta da se igra, eksperimenti će brzo postati još zanimljiviji.

Magnetizam je riječ koja obuhvaća brojne poznate interakcije u fizičkom svijetu koje nisu vidljive bez pomoćnog ljudskog oka. Dvije su osnovne vrste magneta feromagneti, koji stvaraju trajna magnetska polja oko sebe, i elektromagneti, koji su materijali u kojima se privremeno može izazvati magnetizam kada se stave u električno polje, poput onog koje stvara zavojnica žice koja nosi struju.

Ako vas netko pita Opasnostpitanje u stilu "Od kojeg se materijala sastoji magnet?" tada možete biti sigurni da nema jedinstvenog odgovora - i naoružani informacije dostupne, čak ćete i svome ispitivaču moći objasniti sve korisne detalje, uključujući kako je magnet formirana.

Kao i u tolikoj mjeri u fizici - na primjer, gravitaciji, zvuku i svjetlosti - magnetizam je uvijek bio "tu", ali sposobnost čovječanstva da opisati ga i prognozirati na temelju eksperimenata, a rezultirajući modeli i okviri napredovali su tijekom cijele godine stoljeća. Čitava grana fizike nastala je oko srodnih koncepata elektriciteta i magnetizma, obično zvanih elektromagnetika.

Drevne su kulture bile svjesne da je magnet, rijetka vrsta mineralnog magnetita koji sadrži željezo i kisik (kemijska formula: Fe₃O₄), mogao bi privući komade metala. Do 11. stoljeća Kinezi su naučili da će se takav kamen, koji je bio dugačak i tanak, orijentirati duž osi sjever-jug ako se vješa u zrak, otvarajući put za kompas.

Europski putnici koji su koristili kompas primijetili su da se smjer koji ukazuje na sjever malo razlikovao tijekom transatlantskih putovanja. To je dovelo do spoznaje da je Zemlja sama po sebi masivan magnet, s time da se "magnetski sjever" i "pravi sjever" malo razlikuju i razlikuju se u različitim količinama širom svijeta. (Isto se odnosi na pravi i magnetski jug.)

Ograničeni broj materijala, uključujući željezo, kobalt, nikal i gadolinij, sami pokazuju snažne magnetske učinke. Sva magnetska polja nastaju uslijed električnog naboja koji se kreće jedan prema drugom. Indukcija magnetizma u elektromagnetu postavljanjem blizu svitka žice koja nosi struju bila je spomenuti, ali čak i feromagneti posjeduju magnetizam samo zbog sićušnih struja generiranih u atomu nivo.

Ako se trajni magnet približi feromagnetskom materijalu, komponente pojedinih atoma željeza, kobalta ili bilo kojeg drugog materijala se poravna sa zamišljenim linijama utjecaja magneta koji se vijori sa sjevernog i južnog pola, zvanim magnetni polje. Ako se tvar zagrije i ohladi, magnetizacija se može učiniti trajnom, premda se može dogoditi i spontano; ovo magnetiziranje može se poništiti ekstremnom toplinom ili fizičkim poremećajima.

Ne postoji magnetski monopol; to jest, ne postoji takva stvar kao što je "točkasti magnet", što se događa kod točkastih električnih naboja. Umjesto toga, magneti imaju magnetske dipole, a njihove linije magnetskog polja potječu od sjevernog magnetskog pola i ventiliraju se prema van prije nego što se vrate na južni pol. Zapamtite, ove "crte" su samo alati koji se koriste za opisivanje ponašanja atoma i čestica!

Kao što je prethodno naglašeno, magnetska polja proizvode struje. U trajnim magnetima malene struje proizvode dvije vrste gibanja elektrona u tim atomima magneta: njihova orbita oko središnjeg protona atoma i njihova rotacija, ili vrtjeti se.

U većini materijala, mali magnetski momenti stvoreni kretanjem pojedinačnih elektrona datog atoma međusobno se poništavaju. Kad to ne učine, sam atom djeluje poput majušnog magneta. U feromagnetskim materijalima magnetski momenti ne samo da se ne isključuju, već se i poravnavaju u u istom smjeru i pomaknite se tako da se poravnaju u istom smjeru kao i linije primijenjenog vanjskog magnetskog polje.

Neki materijali imaju atome koji se ponašaju tako da omogućuju da ih se magnetizira u različitom stupnju primijenjenim magnetskim poljem. (Zapamtite, nije vam uvijek potreban magnet da bi magnetsko polje bilo prisutno; dovoljno velika električna struja učinit će trik.) Kao što ćete vidjeti, neki od ovih materijala ne žele trajni dio magnetizma, dok se drugi ponašaju pametnije.

Popis magnetskih materijala koji daje samo imena metala koji pokazuju magnetizam ne bi bio ni približno toliko koristan kao popis magnetskih materijala poredanih prema ponašanju njihovih magnetskih polja i načinu na koji stvari djeluju mikroskopski nivo. Takav sustav klasifikacije postoji i on razdvaja magnetsko ponašanje u pet vrsta.

• Dijamagnetizam: Većina materijala pokazuje ovo svojstvo, u kojem se magnetski momenti atoma smješteni u vanjskom magnetskom polju poravnaju u smjeru suprotnom od primijenjenog polja. Sukladno tome, rezultirajuće magnetsko polje suprotstavlja se primijenjenom polju. Ovo je "reaktivno" polje, međutim, vrlo slabo. Budući da materijali s ovim svojstvom nisu magnetni u bilo kojem značajnom smislu, snaga magnetizma ne ovisi o temperaturi.
  
• Paramagnetizam: Materijali s ovim svojstvom, poput aluminija, imaju pojedinačne atome s pozitivnim neto dipolnim momentima. Dipolni momenti susjednih atoma, međutim, obično se međusobno poništavaju, ostavljajući materijal u cjelini nemagnetiziran. Kada se primijeni magnetsko polje, umjesto da se izravno suprotstavi polju, magnetski dipoli od atomi se nepotpuno poravnaju s primijenjenim poljem, što rezultira slabo magnetiziranjem materijal.
  
• Feromagnetizam: Materijali poput željeza, nikla i magnetita (lodestone) imaju ovo snažno svojstvo. Kao što smo već dotaknuli, dipolni momenti susjednih atoma poravnavaju se čak i u odsutnosti magnetskog polja. Njihove interakcije mogu rezultirati magnetskim poljem magnituda koji doseže 1.000 tesla, ili T (SI jedinica magnetskog polja; ne sila već nešto slično). Za usporedbu, magnetsko polje same Zemlje je 100 milijuna puta slabije!
  
• Ferrimagnetizam: Obratite pažnju na razliku pojedinog samoglasnika u odnosu na prethodnu klasu materijala. Ti su materijali obično oksidi, a njihova jedinstvena magnetska interakcija proizlazi iz činjenice da su atomi u tim oksidima raspoređeni u strukturi kristalne "rešetke". Ponašanje ferrimagnetskih materijala vrlo je slično ponašanju feromagnetskih materijala, ali poredak magnetski elementi u svemiru različiti su, što dovodi do različitih razina osjetljivosti na temperaturu i drugo razlike.
  
• Antiferromagnetizam: Ovu klasu materijala karakterizira osobita temperaturna osjetljivost. Iznad zadane temperature, nazvane Temperatura neela ili T_N, materijal se ponaša slično paramagnetskom materijalu. Jedan od primjera takvog materijala je hematit. Ti su materijali također kristali, ali kako im samo ime govori, rešetke su organizirane na takav način da se interakcije magnetskog dipola potpuno poništavaju kad nema vanjskog magnetskog polja predstaviti.