כיצד נוצרים מגנטים?

כמעט כולם מכירים מגנט בסיסי ומה הוא עושה, או יכול לעשות. ילד קטן, אם נתון כמה רגעים של משחק ותערובת חומרים נכונה, יזהה במהירות את הוודאות מיני דברים (שהילד יזהה אחר כך כמתכות) נמשכים לעבר המגנט בעוד שאחרים אינם מושפעים על ידי זה. ואם נותנים לילד יותר ממגנט אחד לשחק איתו, הניסויים יהפכו במהרה למעניינים עוד יותר.

מגנטיות היא מילה המקיפה מספר אינטראקציות ידועות בעולם הפיזי שאינן נראות לעין האנושית הבלתי נעזרת. שני סוגי המגנטים הבסיסיים הם פרומגנטים, שיוצרים שדות מגנטיים קבועים סביב עצמם, ו- אלקטרומגנטים, שהם חומרים בהם ניתן להפיק מגנטיות באופן זמני כאשר הם ממוקמים בשדה חשמלי, כמו זה שנוצר על ידי סליל של חוט נושא זרם.

אם מישהו שואל אותך את סַכָּנָהשאלה בסגנון "מגנט מורכב מאיזה חומר?" אז אתה יכול להיות בטוח שאין תשובה אחת - וחמוש ב המידע העומד לרשותך, תוכל אפילו להסביר לשואלך את כל הפרטים המועילים, כולל אופן המגנט נוצר.

כמו בכל כך הרבה בפיזיקה - למשל, כוח המשיכה, הצליל והאור - המגנטיות תמיד "הייתה שם", אך היכולת של האנושות לתאר אותו ולנבא עליו תחזיות על סמך ניסויים והמודלים והמסגרות שהתקבלו התקדמו לאורך כל השנה מאות שנים. ענף שלם של הפיזיקה צמח סביב המושגים הקשורים לחשמל ומגנטיות, המכונים בדרך כלל אלקטרומגנטיקה.

תרבויות עתיקות היו מודעות לכך שה- אֶבֶן שׁוֹאֶבֶת, סוג נדיר של המגנטיט המינרלי המכיל ברזל וחמצן (נוסחה כימית: Fe₃או₄), יכול למשוך פיסות מתכת. במאה ה -11 נודע לסינים כי אבן כזאת שארכה ודקה במקרה הייתה מכוונת את עצמה לאורך ציר צפון-דרום אם היא תלויה באוויר ותסלל את הדרך מצפן.

מסעות אירופאים המשתמשים במצפן הבחינו כי הכיוון המציין צפונה משתנה מעט לאורך כל המסעות הטרנס-אטלנטיים. זה הוביל להכרה שכדור הארץ עצמו הוא בעצם מגנט מסיבי, כאשר "הצפון המגנטי" וה"צפון האמיתי "שונים במקצת, ושונים בכמויות שונות ברחבי העולם. (כנ"ל לגבי דרום אמיתי ומגנטי.)

מספר מוגבל של חומרים, כולל ברזל, קובלט, ניקל וגדוליניום, מגלים השפעות מגנטיות חזקות בפני עצמם. כל השדות המגנטיים נובעים ממטענים חשמליים הנעים זה לזה. אינדוקציה של מגנטיות באלקטרומגנט על ידי הצבתו ליד סליל של חוט נושא זרם הייתה הוזכר, אך אפילו פרומגנטים מחזיקים מגנטיות רק בגלל זרמים זעירים הנוצרים באטום רָמָה.

אם מגנט קבוע מתקרב לחומר פרומגנטי, רכיבי האטומים הבודדים של ברזל, קובלט או כל חומר אחר. מיישרים קו עם קווי ההשפעה הדמיוניים של המגנט המאוורר מקוטבי הצפון והדרום שלו, המכונים המגנטי שדה. אם החומר מחומם ומקרר, המגנטיזציה יכולה להיות קבועה, אם כי היא יכולה להתרחש גם באופן ספונטני; מגנטיזציה זו יכולה להפוך על ידי חום קיצוני או הפרעה פיזית.

אין מונופול מגנטי קיים; כלומר, אין דבר כזה "מגנט נקודה", כפי שקורה במטענים חשמליים נקודתיים. במקום זאת, למגנטים יש דיפולות מגנטיות, וקווי השדה המגנטי שלהם מקורם בקוטב המגנטי הצפוני ומאוורר כלפי חוץ לפני שהם חוזרים לקוטב הדרומי. זכרו, "קווים" אלה הם רק כלים המשמשים לתיאור התנהגותם של אטומים וחלקיקים!

כפי שהודגש בעבר, שדות מגנטיים מיוצרים על ידי זרמים. במגנטים קבועים נוצרים זרמים זעירים על ידי שני סוגי התנועה של האלקטרונים באטומי המגנטים הללו: מסלולם סביב הפרוטון המרכזי של האטום וסיבובם, או סיבוב.

ברוב החומרים, הקטנים רגעים מגנטיים נוצר על ידי תנועת האלקטרונים הבודדים של אטום נתון מבטל זה את זה. כאשר הם לא עושים זאת, האטום עצמו מתנהג כמו מגנט זעיר. בחומרים פרומגנטיים, הרגעים המגנטיים לא רק שאינם מתבטלים, אלא הם גם מיישרים את עצמם בתוך באותו כיוון, והזזה כך שתתיישר באותו כיוון כמו הקווים של מגנט חיצוני מוחל שדה.

לחומרים מסוימים יש אטומים המתנהגים באופן שיאפשרו להם להתמגנט בדרגות שונות על ידי שדה מגנטי מיושם. (זכור, לא תמיד אתה זקוק למגנט כדי שדה מגנטי יהיה נוכח; זרם חשמלי מספיק גדול יעשה את הטריק.) כפי שתראו, חלק מהחומרים הללו אינם רוצים שום חלק מתמשך במגנטיות, ואילו אחרים מתנהגים בצורה עגומה יותר.

רשימת חומרים מגנטיים המספקת רק את שמות המתכות המציגות מגנטיות לא תהיה שימושית כמעט כמו רשימת חומרים מגנטיים המסודרים על פי התנהגות השדות המגנטיים שלהם וכיצד הדברים פועלים במיקרוסקופ רָמָה. מערכת סיווג כזו קיימת והיא מפרידה בין התנהגות מגנטית לחמישה סוגים.

• דיאמגנטיות: מרבית החומרים מציגים מאפיין זה, בו הרגעים המגנטיים של אטומים המונחים בשדה מגנטי חיצוני מיישרים עצמם לכיוון ההפוך לזה של השדה המיושם. בהתאם, השדה המגנטי שנוצר מתנגד לשדה המופעל. אולם שדה "תגובתי" זה חלש מאוד. מכיוון שחומרים בעלי תכונה זו אינם מגנטיים במובן משמעותי כלשהו, ​​עוצמת המגנטיות אינה תלויה בטמפרטורה.
  
• פרמגנטיות: לחומרים בעלי תכונה זו, כגון אלומיניום, ישנם אטומים בודדים עם רגעי דיפול נטו חיוביים. אולם רגעי הדיפול של האטומים השכנים בדרך כלל מבטלים זה את זה ומשאירים את החומר בכללותו ללא מגנט. כאשר מוחל שדה מגנטי, במקום להתנגד לשדה באופן מוחלט, הדיפולות המגנטיות של האטומים מיישרים עצמם באופן מלא עם השדה המיושם, וכתוצאה מכך מתמגנט חלש חוֹמֶר.
  
• פרומגנטיות: לחומרים כמו ברזל, ניקל ומגנטיט (לודסטון) יש תכונה חזקה זו. כפי שכבר נגע, רגעי הדיפול של האטומים הסמוכים מיישרים עצמם גם בהיעדר שדה מגנטי. האינטראקציות שלהם יכולות לגרום לשדה מגנטי בסדר גודל של 1,000 טסלה, או T (יחידת SI בעלת עוצמת השדה המגנטי; לא כוח אלא משהו כמו אחד). לשם השוואה, השדה המגנטי של כדור הארץ עצמו חלש פי 100 מיליון!
  
• Ferrimagnetism: שימו לב להבדל של תנועה יחידה מהסוג הקודם של החומרים. חומרים אלה הם בדרך כלל תחמוצות, והאינטראקציות המגנטיות הייחודיות שלהם נובעות מכך שהאטומים שבתחמוצות אלה מסודרים במבנה "סריג" קריסטלי. ההתנהגות של חומרים פרי-מגנטיים דומה מאוד להתנהלות של חומרים פרומגנטיים, אך הסדר של אלמנטים מגנטיים בחלל שונים, מה שמוביל לרמות שונות של רגישות לטמפרטורה ואחרות הבחנות.
  
• אנטיפרומגנטיות: סוג זה של חומרים מאופיין ברגישות מיוחדת לטמפרטורה. מעל לטמפרטורה נתונה, הנקראת טמפרטורת ניל או ת_נ, החומר מתנהג כמו חומר פרמגנטי. דוגמה אחת לחומר כזה היא המטיט. גם חומרים אלה הם גבישים, אך כשמם כן, הסריגים מסודרים באופן כזה כי האינטראקציות הדיפוליות המגנטיות מתבטלות לחלוטין כאשר אין שדה מגנטי חיצוני מתנה.