Kaip formuojami magnetai?

Beveik visi yra susipažinę su pagrindiniu magnetu ir tuo, ką jis daro ar gali. Mažas vaikas, jei tam tikros žaidimo akimirkos ir tinkamas medžiagų derinys greitai tai atpažintų įvairūs dalykai (kuriuos vaikas vėliau atpažins kaip metalus) yra traukiami link magneto, o kiti neturi įtakos juo. Ir jei vaikui bus suteikta daugiau nei vienas magnetas žaisti, eksperimentai greitai taps dar įdomesni.

Magnetizmas yra žodis, apimantis daugybę žinomų sąveikų fiziniame pasaulyje, kurių nematyti nepastebėta žmogaus akis. Du pagrindiniai magnetų tipai yra feromagnetikai, kurie aplink save sukuria nuolatinius magnetinius laukus, ir elektromagnetai, kurios yra medžiagos, kuriose magnetizmas gali būti laikinai sukeltas, kai jos yra elektriniame lauke, pavyzdžiui, tos, kurias sukuria srovės laido ritė.

Jei kas nors jūsų paklaus Pavojusstiliaus klausimas "Kokią medžiagą sudaro magnetas?" tada galite būti tikri, kad nėra vieno atsakymo - ir apsiginklavę turimą informaciją, jūs netgi galėsite savo klausėjui paaiškinti visą naudingą informaciją, įskaitant tai, koks yra magnetas susiformavo.

Kaip ir tiek daug fizikos srityje, pavyzdžiui, gravitacijos, garso ir šviesos, magnetizmas visada „buvo“, tačiau žmonijos sugebėjimas aprašykite jį ir prognozuokite apie tai, remdamiesi eksperimentais, o jų modeliai ir sistemos buvo pažengta per visą programą amžius. Aplink susijusias elektros ir magnetizmo sąvokas, paprastai vadinamas elektromagnetika, atsirado visa fizikos šaka.

Senovės kultūros žinojo, kad loestone, retas geležies ir deguonies turinčio mineralinio magnetito tipas (cheminė formulė: Fe₃O₄), galėtų pritraukti metalo gabalus. XI amžiuje kinai sužinojo, kad toks ilgas ir plonas akmuo, pakibęs ore, orientuosis šiaurės – pietų ašimi, atverdamas kelią kompasas.

Europos keleiviai, naudodamiesi kompasu, pastebėjo, kad šiaurinė kryptis transatlantinių kelionių metu šiek tiek skiriasi. Tai leido suprasti, kad pati Žemė iš esmės yra didžiulis magnetas, o „magnetinė šiaurė“ ir „tikroji šiaurė“ yra šiek tiek kitokios ir skiriasi skirtingais kiekiais visame pasaulyje. (Tas pats pasakytina apie tikrus ir magnetinius pietus.)

Ribotas medžiagų skaičius, įskaitant geležį, kobaltą, nikelį ir gadoliniumą, savaime pasireiškia stipriu magnetiniu poveikiu. Visi magnetiniai laukai atsiranda dėl to, kad elektriniai krūviai juda vienas kito atžvilgiu. Magnetizmo indukcija elektromagnete, padedant jį šalia srovės laido ritės, buvo minėta, tačiau net feromagnetai turi magnetizmo tik dėl mažų srovių, susidarančių atome lygiu.

Jei prie feromagnetinės medžiagos priartėja nuolatinis magnetas, atskirų geležies, kobalto ar bet kurios medžiagos atomų komponentai yra susilyginę su įsivaizduojamomis magneto, einančio iš šiaurės ir pietų ašigalio, vadinamosiomis magnetinėmis, įtakos linijomis srityje. Jei medžiaga kaitinama ir atvėsinama, įmagnetinimas gali būti nuolatinis, nors jis gali įvykti ir savaime; šį įmagnetinimą gali pakeisti didelis karštis arba fiziniai sutrikimai.

Neegzistuoja magnetinis monopolis; tai yra, nėra „taškinio magneto“, kuris įvyktų naudojant taškinius elektrinius krūvius. Vietoj to, magnetai turi magnetinius dipolius, o jų magnetinio lauko linijos kyla iš šiaurinio magnetinio poliaus ir ventiliatoriaus į išorę, kol grįžta į pietinį ašigalį. Atminkite, kad šios „linijos“ yra tik priemonės, naudojamos atomų ir dalelių elgesiui apibūdinti!

Kaip pabrėžta anksčiau, magnetinius laukus sukuria srovės. Nuolatiniuose magnetuose mažas sroves sukuria dviejų tipų šių magnetų atomų elektronų judėjimas: jų orbita apie atomo centrinį protoną ir jų sukimasis arba suktis.

Daugumoje medžiagų - mažos magnetiniai momentai sukurtas duoto atomo atskirų elektronų judesiu, panaikina vienas kitą. Kai to nepadaro, pats atomas veikia kaip mažytis magnetas. Feromagnetinėse medžiagose magnetiniai momentai ne tik neišnyksta, bet ir susilygina ta pačia kryptimi ir pasislenka taip, kad būtų išlyginta ta pačia kryptimi kaip ir pritaikyto išorinio magneto linijos srityje.

Kai kurios medžiagos turi atomus, kurie elgiasi taip, kad leistų juos įvairiu mastu įmagnetinti taikomu magnetiniu lauku. (Atminkite, kad ne visada reikia magneto, kad atsirastų magnetinis laukas; pakankamai didelę elektros srovę pavyks padaryti.) Kaip pamatysite, kai kurios iš šių medžiagų nenori ilgalaikės magnetizmo dalies, o kitos elgiasi niūriau.

Magnetinių medžiagų sąrašas, kuriame nurodomi tik magnetizuojančių metalų pavadinimai, nebūtų beveik toks pat naudingas kaip a sąrašas magnetinių medžiagų, išdėstytų pagal jų magnetinių laukų elgesį ir tai, kaip viskas veikia mikroskopu lygiu. Tokia klasifikavimo sistema egzistuoja ir ji išskiria magnetinį elgesį į penkis tipus.

• Diamagnetizmas: Dauguma medžiagų pasižymi šia savybe, kai į išorinį magnetinį lauką įdėtų atomų magnetiniai momentai išsilygina priešinga taikomo lauko kryptimi. Atitinkamai gautas magnetinis laukas priešinasi taikomam laukui. Tačiau šis „reaktyvusis“ laukas yra labai silpnas. Kadangi šios savybės turinčios medžiagos nėra magnetinės jokia prasminga prasme, magnetizmo stiprumas nepriklauso nuo temperatūros.
  
• Paragnetizmas: Medžiagos, turinčios šią savybę, pavyzdžiui, aliuminis, turi atskirus atomus su teigiamais neto dipolio momentais. Tačiau kaimyninių atomų dipoliniai momentai paprastai vienas kitą panaikina, o visa medžiaga lieka nemagnetinta. Taikant magnetinį lauką, o ne priešinant lauką tiesiai, magnetiniai dipoliai atomai nevisiškai susilygina su taikomu lauku, todėl silpnai įmagnetinamas medžiaga.
  
• Feromagnetizmas: Tokios medžiagos kaip geležis, nikelis ir magnetitas (lodestone) turi šią stiprią savybę. Kaip jau buvo paliesta, kaimyninių atomų dipolio momentai susilygina net ir be magnetinio lauko. Dėl jų sąveikos magnetinis laukas gali siekti 1000 tesla, arba T (magnetinio lauko stiprumo SI vienetas; ne jėga, o kažkas panašaus). Palyginimui, pačios Žemės magnetinis laukas yra 100 milijonų kartų silpnesnis!
  
• Ferrimagnetizmas: Atkreipkite dėmesį į vieno balsio skirtumą nuo ankstesnės medžiagų klasės. Šios medžiagos paprastai yra oksidai, o jų unikali magnetinė sąveika kyla iš to, kad šiuose oksiduose esantys atomai yra išdėstyti kristalo „grotelių“ struktūroje. Ferrimagnetinių medžiagų elgesys labai panašus į feromagnetinių medžiagų elgesį, tačiau jų išdėstymas magnetiniai elementai kosmose yra skirtingi, lemiantys skirtingus jautrumo temperatūrai ir kt skirtumai.
  
• Antiferromagnetizmas: Šiai medžiagų klasei būdingas savitas temperatūros jautrumas. Virš tam tikros temperatūros, vadinamos Neelio temperatūra arba T._N, medžiaga elgiasi panašiai kaip paramagnetinė medžiaga. Vienas tokios medžiagos pavyzdžių yra hematitas. Šios medžiagos taip pat yra kristalai, tačiau, kaip rodo jų pavadinimas, grotelės yra išdėstytos taip kad magnetinio dipolio sąveika visiškai nutrūksta, kai nėra išorinio magnetinio lauko pateikti.