Kā tiek veidoti magnēti?

Gandrīz visi ir iepazinušies ar pamata magnētu un to, ko tas dara vai var darīt. Mazs bērns, ja dotu dažus spēles mirkļus un pareizo materiālu sajaukumu, ātri to atpazītu dažāda veida lietas (kuras bērns vēlāk identificēs kā metālus) velk pretī magnētam, kamēr citas neietekmē ar to. Un, ja bērnam tiek dots vairāk nekā viens magnēts, ar kuru spēlēt, eksperimenti ātri kļūs vēl interesantāki.

Magnētisms ir vārds, kas aptver vairākas zināmas mijiedarbības fiziskajā pasaulē, kuras nav redzamas cilvēka acīs. Divi magnētu veidi ir feromagneti, kas ap sevi rada pastāvīgus magnētiskos laukus, un elektromagnēti, kas ir materiāli, kuros magnētismu var īslaicīgi izraisīt, kad tos ievieto elektriskajā laukā, piemēram, tādus, kurus rada strāvu vadošas stieples spole.

Ja kāds jums jautā Džeopardijastila jautājums "Kuru materiālu veido magnēts?" tad jūs varat būt pārliecināts, ka nav vienas atbildes - un bruņota ar pieejamo informāciju, jūs pat varēsiet izskaidrot savam jautātājam visu noderīgo informāciju, ieskaitot to, kā ir magnēts veidojas.

Tāpat kā tik daudz fizikā - piemēram, gravitācija, skaņa un gaisma - magnētisms vienmēr ir bijis "klāt", bet cilvēces spēja aprakstīt to un izteikt prognozes par to, pamatojoties uz eksperimentiem, un iegūtie modeļi un ietvarstruktūras ir progresējušas visā gadsimtiem. Ap saistītajiem elektrības un magnētisma jēdzieniem, ko parasti sauc par elektromagnētiku, ir izveidojusies vesela fizikas nozare.

Senās kultūras apzinājās, ka mājvieta, reta veida dzelzi un skābekli saturošs minerālmagnetīts (ķīmiskā formula: Fe₃O₄), varētu piesaistīt metāla gabalus. Līdz 11. gadsimtam ķīnieši bija iemācījušies, ka šāds akmens, kas, iespējams, bija garš un plāns, orientēsies pa ziemeļu-dienvidu asi, ja tas pakļausies gaisam, paverot ceļu kompass.

Eiropas ceļotāji, kas izmantoja kompasu, pamanīja, ka virziens, kas norāda uz ziemeļiem, transatlantisko braucienu laikā nedaudz mainījās. Tas ļāva saprast, ka pati Zeme būtībā ir masīvs magnēts, un "magnētiskie ziemeļi" un "patiesie ziemeļi" ir nedaudz atšķirīgi un atšķirīgi, mainoties daudzumam visā pasaulē. (Tas pats attiecas uz patiesajiem un magnētiskajiem dienvidiem.)

Ierobežots skaits materiālu, ieskaitot dzelzi, kobaltu, niķeli un gadolīniju, paši par sevi izjūt spēcīgu magnētisko efektu. Visi magnētiskie lauki rodas elektrisko lādiņu kustības dēļ. Elektromagnēta magnētisma indukcija, novietojot to pie strāvas vadu spoles, ir bijusi pieminēts, bet pat feromagnetiem piemīt magnētisms tikai sīko strāvu dēļ, kas rodas pie atoma līmenī.

Ja feromagnētiskā materiāla tuvumā atrodas pastāvīgs magnēts, atsevišķu dzelzs, kobalta vai jebkura cita atoma sastāvdaļas ir izlīdzināti ar iedomātajām magnēta ietekmes līnijām, kas izplūst no tā ziemeļu un dienvidu pola, ko sauc par magnētisko laukā. Ja vielu karsē un atdzesē, magnetizāciju var padarīt pastāvīgu, lai gan tā var notikt arī spontāni; šo magnētismu var mainīt ar lielu karstumu vai fiziskiem traucējumiem.

Nav magnētiskā monopola; tas ir, nav tāda punkta "magnēta", kāds notiek ar punktveida elektriskajiem lādiņiem. Tā vietā magnētiem ir magnētiski dipoli, un to magnētiskā lauka līnijas sākas no ziemeļu magnētiskā pola un ventilatori uz āru, pirms atgriežas dienvidu polā. Atcerieties, ka šīs "līnijas" ir tikai instrumenti, ko izmanto, lai aprakstītu atomu un daļiņu uzvedību!

Kā uzsvērts iepriekš, magnētiskos laukus rada strāvas. Pastāvīgos magnētos sīkas strāvas rada divu veidu magnētu elektronu kustība šajos magnētu atomos: to orbīta ap atoma centrālo protonu un to rotācija vai griezties.

Lielākajā daļā materiālu mazie magnētiskie momenti ko rada atsevišķa atoma atsevišķu elektronu kustība, viens otru atceļ. Ja tā nav, pats atoms darbojas kā niecīgs magnēts. Ferromagnētiskajos materiālos magnētiskie momenti ne tikai neizdzēš, bet arī izlīdzinās tajā pašā virzienā un nobīdiet tā, lai tie būtu izlīdzināti tajā pašā virzienā kā pielietotā ārējā magnēta līnijas laukā.

Dažos materiālos ir atomi, kas izturas tā, lai ļautu tos dažādos līmeņos magnetizēt ar pielietotu magnētisko lauku. (Atcerieties, ka ne vienmēr ir nepieciešams magnēts, lai magnētiskais lauks būtu klāt; pietiekami liela elektriskā strāva to darīs.) Kā redzēsit, daži no šiem materiāliem nevēlas ilgstošu magnētisma daļu, turpretī citi izturas savādāk.

Magnētisko materiālu saraksts, kurā norādīti tikai to metālu nosaukumi, kuriem piemīt magnētisms, nebūt nebūtu tikpat noderīgs kā a to magnētisko materiālu saraksts, kas sakārtoti pēc to magnētisko lauku uzvedības un tā, kā lietas darbojas mikroskopā līmenī. Šāda klasifikācijas sistēma pastāv, un tā sadala magnētisko uzvedību piecos veidos.

• Diamagnetisms: Lielākajai daļai materiālu piemīt šī īpašība, kurā ārējā magnētiskajā laukā ievietoto atomu magnētiskie momenti izlīdzinās pretējā virzienā no pielietotā lauka. Attiecīgi iegūtais magnētiskais lauks iebilst pret pielietoto lauku. Šis "reaktīvais" lauks tomēr ir ļoti vājš. Tā kā materiāli ar šo īpašību nekādā jēgpilnā nozīmē nav magnētiski, magnētisma stiprums nav atkarīgs no temperatūras.
  
• Paramagnētisms: Materiāliem ar šo īpašību, piemēram, alumīnijam, ir atsevišķi atomi ar pozitīviem neto dipola momentiem. Kaimiņu atomu dipola momenti tomēr parasti viens otru novērš, atstājot materiālu kopumā nemagnetizētu. Ja tiek pielietots magnētiskais lauks, nevis tieši pretstatāms laukam, magnētiskie dipoli atomi nepilnīgi izlīdzinās ar pielietoto lauku, kā rezultātā veidojas vāji magnetizēts materiāls.
  
• Ferromagnētisms: Tādiem materiāliem kā dzelzs, niķelis un magnetīts (lodestone) ir šī spēcīgā īpašība. Kā jau tika skarts, kaimiņu atomu dipola momenti izlīdzinās pat tad, ja nav magnētiskā lauka. To mijiedarbības rezultātā magnētiskais lauks var sasniegt 1000 tesla, vai T (SI magnētiskā lauka stipruma vienība; nevis spēks, bet kaut kas līdzīgs). Salīdzinājumam - pašas Zemes magnētiskais lauks ir 100 miljonus reižu vājāks!
  
• Ferrimagnētisms: Ievērojiet viena patskaņa atšķirību no iepriekšējās materiālu klases. Šie materiāli parasti ir oksīdi, un to unikālā magnētiskā mijiedarbība izriet no fakta, ka atomi šajos oksīdos ir izvietoti kristāla "režģa" struktūrā. Ferrimagnētisko materiālu uzvedība ir ļoti līdzīga feromagnētisko materiālu uzvedībai, taču to kārtība magnētiskie elementi kosmosā ir atšķirīgi, kas noved pie dažādiem temperatūras jutības līmeņiem un citiem atšķirības.
  
• Antiferromagnētisms: Šai materiālu klasei raksturīga savdabīga temperatūras jutība. Virs noteiktas temperatūras, ko sauc par Neela temperatūra vai T._N, materiāls izturas līdzīgi kā paramagnētisks materiāls. Viens šāda materiāla piemērs ir hematīts. Šie materiāli ir arī kristāli, bet, kā norāda to nosaukums, režģi ir sakārtoti tādā veidā ka magnētiskā dipola mijiedarbība pilnībā atceļas, ja nav ārējā magnētiskā lauka klāt.