Hoe worden magneten gevormd?

Bijna iedereen is bekend met een basismagneet en wat deze doet of kan. Een klein kind, als het een paar speelmomenten en de juiste mix van materialen krijgt, zou dat snel herkennen allerlei dingen (die het kind later als metalen zal identificeren) worden naar de magneet getrokken, terwijl andere onaangetast zijn erdoor. En als het kind meer dan één magneet krijgt om mee te spelen, worden de experimenten al snel nog interessanter.

Magnetisme is een woord dat een aantal bekende interacties in de fysieke wereld omvat die niet zichtbaar zijn voor het blote menselijk oog. De twee basistypen magneten zijn: ferromagneten, die permanente magnetische velden om zich heen creëren, en elektromagneten, dit zijn materialen waarin magnetisme tijdelijk kan worden geïnduceerd wanneer ze in een elektrisch veld worden geplaatst, zoals dat wordt gegenereerd door een spoel van stroomvoerende draad.

Als iemand je vraagt ​​om de Gevaar-stijlvraag "Uit welk materiaal bestaat een magneet?" dan kunt u erop vertrouwen dat er niet één antwoord is – en gewapend met de informatie bij de hand hebt, kunt u zelfs aan uw vraagsteller alle nuttige details uitleggen, inclusief hoe een magneet werkt gevormd.

Zoals met zoveel in de natuurkunde – bijvoorbeeld zwaartekracht, geluid en licht – is magnetisme er altijd geweest, maar het vermogen van de mensheid om beschrijven en er voorspellingen over doen op basis van experimenten en de resulterende modellen en kaders zijn door de jaren heen gevorderd eeuwen. Er is een hele tak van de natuurkunde ontstaan ​​rond de verwante concepten elektriciteit en magnetisme, gewoonlijk elektromagnetisme genoemd.

Oude culturen wisten dat de magneet, een zeldzaam type van het ijzer- en zuurstofhoudende mineraal magnetiet (chemische formule: Fe:₃O₄), kunnen stukjes metaal aantrekken. Tegen de 11e eeuw hadden de Chinezen geleerd dat zo'n steen die toevallig lang en dun was, zich langs een noord-zuid-as zou oriënteren als hij in de lucht zou hangen, de weg vrijmakend voor de kompas.

Europese reizigers die het kompas gebruikten, merkten dat de richting die het noorden aanduidde tijdens trans-Atlantische reizen enigszins varieerde. Dit leidde tot het besef dat de aarde zelf in wezen een enorme magneet is, waarbij het "magnetische noorden" en het "echte noorden" enigszins van elkaar verschillen, en verschillend door verschillende hoeveelheden over de hele wereld. (Hetzelfde geldt voor het ware en magnetische zuiden.)

Een beperkt aantal materialen, waaronder ijzer, kobalt, nikkel en gadolinium, vertonen op zichzelf sterke magnetische effecten. Alle magnetische velden zijn het gevolg van elektrische ladingen die ten opzichte van elkaar bewegen. De inductie van magnetisme in een elektromagneet door deze in de buurt van een spoel van stroomvoerende draad te plaatsen, is genoemd, maar zelfs ferromagneten bezitten alleen magnetisme vanwege minuscule stromen die worden gegenereerd bij de atoom niveau.

Als een permanente magneet in de buurt van een ferromagnetisch materiaal wordt gebracht, worden de componenten van individuele atomen van ijzer, kobalt of wat voor materiaal dan ook is uitgelijnd met de denkbeeldige invloedslijnen van de magneet die uitwaaiert vanaf zijn noord- en zuidpool, de magnetische veld. Als de stof wordt verwarmd en afgekoeld, kan de magnetisatie permanent worden gemaakt, maar het kan ook spontaan plaatsvinden; deze magnetisatie kan worden omgekeerd door extreme hitte of fysieke verstoring.

Er bestaat geen magnetische monopool; dat wil zeggen, er bestaat niet zoiets als een "puntmagneet", zoals gebeurt met puntladingen. In plaats daarvan hebben magneten magnetische dipolen en hun magnetische veldlijnen beginnen bij de magnetische noordpool en waaieren uit voordat ze terugkeren naar de zuidpool. Onthoud dat deze "lijnen" slechts hulpmiddelen zijn die worden gebruikt om het gedrag van atomen en deeltjes te beschrijven!

Zoals eerder benadrukt, worden magnetische velden geproduceerd door stromen. In permanente magneten worden kleine stroompjes geproduceerd door de twee soorten beweging van de elektronen in deze magneetatomen: hun baan om het centrale proton van het atoom en hun rotatie, of draaien.

In de meeste materialen, de kleine magnetische momenten gecreëerd door de beweging van de individuele elektronen van een bepaald atoom heffen elkaar op. Als ze dat niet doen, werkt het atoom zelf als een kleine magneet. In ferromagnetische materialen heffen de magnetische momenten niet alleen niet op, maar stemmen ze zichzelf ook uit in de dezelfde richting, en verschuiven om te worden uitgelijnd in dezelfde richting als de lijnen van een toegepaste externe magnetische veld.

Sommige materialen hebben atomen die zich zo gedragen dat ze in verschillende mate kunnen worden gemagnetiseerd door een aangelegd magnetisch veld. (Vergeet niet dat je niet altijd een magneet nodig hebt om een ​​magnetisch veld aanwezig te laten zijn; een voldoende grote elektrische stroom zal het lukken.) Zoals je zult zien, willen sommige van deze materialen geen blijvend deel van magnetisme, terwijl andere zich op een meer weemoedige manier gedragen.

Een lijst met magnetische materialen die alleen de namen geeft van metalen die magnetisme vertonen, zou lang niet zo nuttig zijn als een lijst van magnetische materialen geordend op het gedrag van hun magnetische velden en hoe dingen microscopisch werken niveau. Zo'n classificatiesysteem bestaat en verdeelt magnetisch gedrag in vijf typen.

• Diamagnetisme: De meeste materialen vertonen deze eigenschap, waarbij de magnetische momenten van atomen die in een extern magnetisch veld zijn geplaatst, zichzelf uitlijnen in een richting tegengesteld aan die van het aangelegde veld. Dienovereenkomstig verzet het resulterende magnetische veld zich tegen het aangelegde veld. Dit "reactieve" veld is echter erg zwak. Omdat materialen met deze eigenschap in geen enkele betekenisvolle zin magnetisch zijn, is de sterkte van het magnetisme niet afhankelijk van de temperatuur.
  
• Paramagnetisme: Materialen met deze eigenschap, zoals aluminium, hebben individuele atomen met positieve netto dipoolmomenten. De dipoolmomenten van naburige atomen heffen elkaar echter meestal op, waardoor het materiaal als geheel ongemagnetiseerd blijft. Wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, in plaats van het veld regelrecht tegen te werken, zullen de magnetische dipolen van de atomen richten zich onvolledig op het aangelegde veld, wat resulteert in een zwak gemagnetiseerde materiaal.
  
• Ferromagnetisme: Materialen zoals ijzer, nikkel en magnetiet (lodestone) hebben deze krachtige eigenschap. Zoals reeds vermeld, richten de dipoolmomenten van naburige atomen zich zelfs in de afwezigheid van een magnetisch veld. Hun interacties kunnen resulteren in een magnetisch veld van magnitude 1.000 tesla, of T (de SI-eenheid van magnetische veldsterkte; geen kracht maar zoiets). Ter vergelijking: het magnetische veld van de aarde zelf is 100 miljoen keer zwakker!
  
• Ferrimagnetisme: Let op het verschil tussen een enkele klinker en de vorige materiaalklasse. Deze materialen zijn meestal oxiden en hun unieke magnetische interacties komen voort uit het feit dat de atomen in deze oxiden zijn gerangschikt in een kristalroosterstructuur. Het gedrag van ferromagnetische materialen lijkt veel op dat van ferromagnetische materialen, maar de ordening van de magnetische elementen in de ruimte zijn anders, wat leidt tot verschillende niveaus van temperatuurgevoeligheid en andere onderscheidingen.
  
• Antiferromagnetisme: Deze materiaalklasse wordt gekenmerkt door een bijzondere temperatuurgevoeligheid. Boven een bepaalde temperatuur, genaamd de Neel temperatuur of T_nee, gedraagt ​​​​het materiaal zich net als een paramagnetisch materiaal. Een voorbeeld van een dergelijk materiaal is hematiet. Deze materialen zijn ook kristallen, maar zoals hun naam al aangeeft, zijn de roosters op een dergelijke manier georganiseerd: dat de magnetische dipoolinteracties volledig opheffen wanneer er geen extern magnetisch veld is Cadeau.