Hogyan alakulnak ki a mágnesek?

Szinte mindenki ismeri az alapvető mágnest és azt, hogy mit csinál vagy képes. Egy kisgyerek, ha adott egy pillanatnyi játék és megfelelő anyagkeverék, gyorsan felismeri ezt a bizonyosat különféle dolgokat (amelyeket a gyermek később fémként fog azonosítani) a mágnes felé húznak, míg másokat ez nem érinti valami által. És ha a gyermeknek több mágnest adnak játékra, akkor a kísérletek gyorsan még érdekesebbé válnak.

A mágnesesség egy olyan szó, amely a fizikai világ számos olyan kölcsönhatását öleli fel, amelyek a szabad emberi szemmel nem láthatók. A mágnesek két alapvető típusa ferromágnesek, amelyek állandó mágneses tereket hoznak létre maguk körül, és elektromágnesek, amelyek olyan anyagok, amelyekben a mágnesesség ideiglenesen kiváltható, ha elektromos mezőbe kerülnek, például az áramot vezető huzal tekercsével.

Ha valaki megkérdezi tőled a Jeopardystílusú kérdés "Melyik anyagból áll a mágnes?" akkor biztos lehet benne, hogy nincs egyetlen válasz - és felfegyverkezve a rendelkezésre álló információkat, még az összes hasznos részletet is meg tudja magyarázni kérdezőjének, beleértve a mágnes mibenlétét is alakított.

Mint a fizikában oly sok esetben - például a gravitációban, a hangban és a fényben -, a mágnesség mindig "ott volt", de az emberiség képes arra, hogy leírja és előrejelzéseket készít róla a kísérletek alapján, és az eredményül kapott modellek és keretrendszerek előrehaladtak a programban századokban. A fizika egész ága kialakult az elektromosság és a mágnesesség kapcsolódó fogalmai körül, amelyeket általában elektromágnesesnek hívnak.

Az ókori kultúrák tisztában voltak azzal, hogy a mágnes, a vas és oxigéntartalmú ásványi magnetit ritka típusa (kémiai képlete: Fe₃O₄) vonzhat fémdarabokat. A 11. századra a kínaiak megtudták, hogy egy ilyen hosszú és vékony kő észak-déli tengely mentén tájékozódik, ha levegőbe függeszkedik, és utat nyit a iránytű.

Az iránytűt használó európai utazók észrevették, hogy az észak felé mutató irány kismértékben változik a transzatlanti utak során. Ez arra a felismerésre vezetett, hogy maga a Föld lényegében hatalmas mágnes, a "mágneses észak" és az "igazi észak" kissé különbözik egymástól, és az egész világon változó mennyiségű. (Ugyanez vonatkozik a valódi és a mágneses délre.)

Korlátozott számú anyag, beleértve a vasat, a kobaltot, a nikkelt és a gadoliniumot, önmagában is erős mágneses hatást mutat. Minden mágneses mező abból adódik, hogy elektromos töltések mozognak egymáshoz képest. A mágnesesség indukciója egy elektromágnesben azáltal, hogy az áramot vezető huzaltekercs közelében van, már megtörtént említett, de még a ferromágnesek is csak az atomnál keletkező apró áramok miatt rendelkeznek mágnességgel szint.

Ha egy állandó mágnest egy ferromágneses anyag közelébe viszünk, akkor az egyes vas-, kobalt- vagy bármilyen atom-atomok alkotóelemei igazodnak az északi és déli pólusokból kiinduló mágnes képzeletbeli hatásvonalaihoz, az úgynevezett mágneseseknek terület. Ha az anyagot melegítik és hűtik, a mágnesezettség állandóvá tehető, bár spontán is előfordulhat; ezt a mágnesezést megfordíthatja szélsőséges hő vagy fizikai megzavarás.

Nincs mágneses monopólus; vagyis nincs olyan "pontmágnes", mint ami a pontszerű elektromos töltéseknél előfordul. Ehelyett a mágneseknek van mágneses dipólusuk, mágneses mezőjük az északi mágneses pólusból indul, és kifelé ventilátor, mielőtt visszatér a déli pólushoz. Ne feledje, hogy ezek a "vonalak" csupán eszközök az atomok és részecskék viselkedésének leírására!

Mint korábban hangsúlyoztuk, a mágneses mezőket áramok generálják. Az állandó mágnesekben apró áramokat hoz létre az e két mágnes atomjában lévő elektronok kétféle mozgása: az atom központi protonja körüli pályájuk és forgásuk, ill. forogni.

A legtöbb anyagban a kicsi mágneses momentumok amelyet egy adott atom egyes elektronjainak mozgása hoz létre, kioltják egymást. Ha nem, akkor maga az atom úgy viselkedik, mint egy apró mágnes. Ferromágneses anyagokban a mágneses momentumok nem csak nem szűnnek meg, hanem igazodnak is a ugyanabban az irányban, és tolja úgy, hogy egy alkalmazott külső mágnes vonalaival azonos irányba álljon terület.

Néhány anyagnak vannak olyan atomjai, amelyek úgy viselkednek, hogy lehetővé teszik, hogy egy alkalmazott mágneses tér különböző mértékben mágnesezhető legyen. (Ne feledje, hogy a mágneses mező jelenlétéhez nem mindig szükséges mágnes; elég nagy elektromos áram fogja megcsinálni a dolgot.) Amint látni fogja, ezek közül az anyagok egy része nem akarja a mágnesesség maradandó részét, míg mások kívánatosabban viselkednek.

Az a mágneses anyagok listája, amely csak a mágnesességet mutató fémek nevét adja meg, közel sem lenne olyan hasznos, mint a a mágneses anyagok listája a mágneses terük viselkedése és a dolgok mikroszkopikus működésének rendje szerint szint. Ilyen osztályozási rendszer létezik, amely öt típusra különíti el a mágneses viselkedést.

• Diamagnetizmus: A legtöbb anyag megmutatja ezt a tulajdonságot, amelyben a külső mágneses mezőbe helyezett atomok mágneses momentumai az alkalmazott területtel ellentétes irányba igazodnak. Ennek megfelelően a kapott mágneses mező ellentétes az alkalmazott térrel. Ez a "reaktív" mező azonban nagyon gyenge. Mivel az ilyen tulajdonságú anyagok semmilyen értelmes értelemben nem mágnesesek, a mágnesesség erőssége nem függ a hőmérséklettől.
  
• Paramágnesesség: Az ilyen tulajdonságú anyagok, például az alumínium, egyedi atomokkal rendelkeznek, pozitív nettó dipólus nyomatékkal. A szomszédos atomok dipólusmomentumai azonban általában kioltják egymást, így az anyag egésze mágnestelen marad. Ha mágneses mezőt alkalmazunk, ahelyett, hogy egyenesen szembeállítanánk a teret, a mágneses dipólusai az atomok hiányosan igazodnak az alkalmazott mezőhöz, ami gyengén mágneseződik anyag.
  
• Ferromágnesesség: Az olyan anyagok, mint a vas, a nikkel és a magnetit (lodestone), rendelkeznek ezzel a hatékony tulajdonsággal. Amint már érintettük, a szomszédos atomok dipólusmomentumai mágneses tér hiányában is egymáshoz igazodnak. Interakcióik eredményeként az nagyságrendű mágneses mező elérheti az 1000-et tesla, vagy T (a mágneses térerősség SI mértékegysége; nem erő, hanem valami hasonló). Ehhez képest maga a Föld mágneses tere 100 milliószor gyengébb!
  
• Ferrimágnesesség: Vegye figyelembe, hogy egy magánhangzó különbözik az előző anyagosztálytól. Ezek az anyagok általában oxidok, és egyedülálló mágneses kölcsönhatásaik abból a tényből fakadnak, hogy az ezekben az oxidokban lévő atomok kristályrácsszerkezetbe rendeződnek. A ferrimágneses anyagok viselkedése nagyon hasonlít a ferromágneses anyagok viselkedésére, de a sorrendje az űrben lévő mágneses elemek különböznek, ami különböző hőmérséklet-érzékenységi szintekhez és máshoz vezet megkülönböztetések.
  
• Antiferromágnesesség: Ezt az anyagosztályt sajátos hőmérséklet-érzékenység jellemzi. Adott hőmérséklet felett, az úgynevezett Neel hőmérséklete vagy T_N, az anyag úgy viselkedik, mint egy paramágneses anyag. Ilyen anyag egyik példája a hematit. Ezek az anyagok szintén kristályok, de ahogy a nevük is mutatja, a rácsok ilyen módon vannak elrendezve hogy a mágneses dipólus kölcsönhatások teljesen megszakadnak, ha nincs külső mágneses mező ajándék.