Hvordan dannes magneter?

Nesten alle er kjent med en basismagnet og hva den gjør, eller kan gjøre. Et lite barn, hvis noen få øyeblikk av lek og den rette blandingen av materialer, ville raskt kjenne igjen det slags ting (som barnet senere vil identifisere som metaller) trekkes mot magneten mens andre ikke er berørt av det. Og hvis barnet får mer enn en magnet å leke med, vil eksperimentene raskt bli enda mer interessante.

Magnetisme er et ord som omfatter en rekke kjente interaksjoner i den fysiske verden som ikke er synlige for det uhjelpte menneskelige øye. De to grunnleggende typene magneter er ferromagneter, som skaper permanente magnetfelt rundt seg selv, og elektromagneter, som er materialer der magnetisme kan induseres midlertidig når de plasseres i et elektrisk felt, slik som det som genereres av en spole med strømførende ledning.

Hvis noen ber deg om Jeopardy-stil spørsmål "En magnet består av hvilket materiale?" da kan du være trygg på at det ikke er noe eneste svar - og bevæpnet med informasjonen som er tilgjengelig, vil du til og med kunne forklare spørreren din alle nyttige detaljer, inkludert hvordan en magnet er dannet.

Som med så mye innen fysikk - for eksempel tyngdekraft, lyd og lys - har magnetisme alltid "vært der", men menneskets evne til å beskrive det og komme med spådommer om det basert på eksperimenter, og de resulterende modellene og rammene har utviklet seg gjennom hele århundrer. En hel gren av fysikk har vokst opp rundt de relaterte begrepene elektrisitet og magnetisme, vanligvis kalt elektromagnetikk.

Gamle kulturer var klar over at lodestein, en sjelden type jern-og-oksygenholdig mineral magnetitt (kjemisk formel: Fe₃O₄), kunne tiltrekke seg metallbiter. På 1100-tallet hadde kineserne lært at en slik stein som tilfeldigvis var lang og tynn, ville orientere seg langs en nord-sør-akse hvis den ble hengt i luft, og banet vei for kompass.

Europeiske seilere som brukte kompasset, la merke til at retningen som indikerer nord varierte litt gjennom transatlantiske reiser. Dette førte til erkjennelsen at selve jorden egentlig er en massiv magnet, med "magnetisk nord" og "ekte nord" som er litt forskjellige, og forskjellige etter forskjellige mengder over hele kloden. (Det samme gjelder sant og magnetisk sør.)

Et begrenset antall materialer, inkludert jern, kobolt, nikkel og gadolinium, har sterke magnetiske effekter alene. Alle magnetiske felt skyldes at elektriske ladninger beveger seg i forhold til hverandre. Induksjon av magnetisme i en elektromagnet ved å plassere den i nærheten av en spole med strømførende ledning har vært nevnt, men til og med ferromagneter har magnetisme bare på grunn av små strømmer som genereres i atom nivå.

Hvis en permanent magnet føres nær et ferromagnetisk materiale, vil komponentene i de enkelte atomer av jern, kobolt eller hva som helst materialet er på linje med de tenkte innflytelseslinjene til magneten som vifter ut fra nord- og sørpolen, kalt magnetisk felt. Hvis stoffet blir oppvarmet og avkjølt, kan magnetiseringen gjøres permanent, selv om det også kan forekomme spontant; denne magnetiseringen kan reverseres av ekstrem varme eller fysisk forstyrrelse.

Ingen magnetisk monopol eksisterer; det vil si at det ikke er noe som kalles en "punktmagnet", som skjer med punktladninger. I stedet har magneter magnetiske dipoler, og magnetfeltlinjene deres kommer fra den nordlige magnetpolen og vifter utover før de går tilbake til sørpolen. Husk at disse "linjene" bare er verktøy som brukes til å beskrive atomer og partikler.

Som tidligere understreket, produseres magnetfelt av strømmer. I permanente magneter produseres små strømmer av de to typer bevegelse av elektronene i disse magnettene: Deres bane rundt atomets sentrale proton, og deres rotasjon, eller snurre rundt.

I de fleste materialer, de små magnetiske øyeblikk skapt av bevegelsen til de enkelte elektronene til et gitt atom, avbryter hverandre. Når de ikke gjør det, fungerer selve atomet som en liten magnet. I ferromagnetiske materialer avbryter magnetiske øyeblikk ikke bare, men de retter seg også inn i samme retning, og skift slik at de blir justert i samme retning som linjene til en påført ekstern magnet felt.

Noen materialer har atomer som oppfører seg slik at de kan magnetiseres i varierende grad av et påført magnetfelt. (Husk at du ikke alltid trenger en magnet for at et magnetfelt skal være til stede; en betydelig nok elektrisk strøm vil gjøre susen.) Som du vil se, vil noen av disse materialene ikke ha noen varig del av magnetismen, mens andre oppfører seg på en mer trist måte.

En liste over magnetiske materialer som bare gir navnene på metaller som viser magnetisme, ville ikke være nær så nyttig som en liste over magnetiske materialer ordnet etter oppførselen til magnetfeltene deres og hvordan ting fungerer på det mikroskopiske nivå. Et slikt klassifiseringssystem eksisterer, og det skiller magnetisk oppførsel i fem typer.

• Diamagnetisme: De fleste materialer har denne egenskapen, der de magnetiske øyeblikkene til atomer plassert i et eksternt magnetfelt justerer seg i motsatt retning av det påførte feltet. Følgelig motsetter det resulterende magnetfeltet det påførte feltet. Dette "reaktive" feltet er imidlertid veldig svakt. Fordi materialer med denne egenskapen ikke er magnetisk i noen meningsfull forstand, er magnetismens styrke ikke avhengig av temperaturen.
  
• Paramagnetisme: Materialer med denne egenskapen, som aluminium, har individuelle atomer med positive netto dipolmomenter. Dipolmomentene til nærliggende atomer avbryter imidlertid vanligvis hverandre, og lar materialet som helhet umagnetisert. Når et magnetfelt påføres, i stedet for å motsette feltet direkte, vil magnetiske dipoler av atomene justerer seg ufullstendig med det påførte feltet, noe som resulterer i en svakt magnetisert materiale.
  
• Ferromagnetisme: Materialer som jern, nikkel og magnetitt (lodestone) har denne potente egenskapen. Som allerede berørt, justerer dipolmomentene til nærliggende atomer seg selv i fravær av et magnetfelt. Samspillet deres kan resultere i at et magnetisk felt av størrelsesorden når 1000 tesla, eller T (SI-enheten med magnetfeltstyrke; ikke en styrke, men noe sånt som en). Til sammenligning er magnetfeltet på jorden selv 100 millioner ganger svakere!
  
• Ferrimagnetisme: Legg merke til forskjellen på en enkelt vokal fra den forrige materialklassen. Disse materialene er vanligvis oksider, og deres unike magnetiske interaksjoner stammer fra det faktum at atomene i disse oksidene er ordnet i en krystall "gitter" -struktur. Oppførselen til ferrimagnetiske materialer er veldig lik ferromagnetiske materialer, men rekkefølgen på magnetiske elementer i rommet er forskjellige, noe som fører til forskjellige nivåer av temperaturfølsomhet og annet skill.
  
• Antiferromagnetisme: Denne materialklassen er preget av en spesiell temperaturfølsomhet. Over en gitt temperatur, kalt Neel temperatur eller T_N, oppfører materialet seg som et paramagnetisk materiale. Et eksempel på et slikt materiale er hematitt. Disse materialene er også krystaller, men som navnet antyder er gitterene organisert på en slik måte at de magnetiske dipolinteraksjonene fullstendig avbrytes når det ikke er noe eksternt magnetfelt tilstede.