Magnetyzm: definicja, rodzaje, właściwości i sposób ich działania (z przykładami)

Magnesy. Masz je na swojej lodówce, bawiłeś się nimi jako dziecko, trzymałeś nawet w dłoni kompas, gdy igła kompasu wskazywała magnetyczny biegun północny Ziemi. Ale jak one działają? Czym jest to zjawisko magnetyzmu?

Magnetyzm jest jednym z aspektów podstawowej siły elektromagnetycznej. Opisuje zjawiska i siły związane z magnesami lub obiektami magnetycznymi.

Wszystkie pola magnetyczne są generowane przez poruszający się ładunek lub zmieniające się pola elektryczne. Dlatego zjawiska elektryczności i magnetyzmu określa się zbiorczo jako elektromagnetyzm. Tak naprawdę są jednym i tym samym!

We wszystkich materiałach atomy zawierają elektrony, które tworzą chmurę wokół jądra atomowego, a ich ogólny ruch tworzy miniaturowy dipol magnetyczny. Jednak w przypadku większości materiałów losowy rozkład orientacji tych minimagnesów powoduje, że pola znikają. Wyjątkiem są materiały ferromagnetyczne.

Wiele materiałów wykazuje zjawiska magnetyczne, w tym żelazo, mangan, magnetyt i kobalt. Mogą one istnieć jako magnesy trwałe lub mogą być paramagnetyczne (to znaczy przyciągane do materiałów magnetycznych, ale same nie zatrzymujące trwałego magnetyzmu). Elektromagnesy są tworzone przez przepuszczanie prądu elektrycznego przez drut owinięty wokół materiału takiego jak żelazo (lub w dowolnej sytuacji, w której porusza się ładunek elektryczny).

Materiały magnetyczne mogą się przyciągać lub odpychać, w zależności od tego, które części tych materiałów są ze sobą połączone.

Podobnie jak w przypadku siły elektrycznej i siły grawitacji, obiekty, które wywierają na siebie siły magnetyczne, wytwarzają wokół siebie pole. Na przykład magnes sztabkowy wytwarza pole magnetyczne w otaczającej go przestrzeni, powodując, że inne magnesy lub materiały ferromagnetyczne wprowadzone do tego pola odczuwają w rezultacie siłę.

Jednym ze sposobów wizualizacji pola magnetycznego jest użycie opiłków żelaza. Opiłki żelaza to małe kawałki żelaza, które po rozsypaniu wokół magnesu dopasowują się do zewnętrznych linii pola magnetycznego, umożliwiając ich wizualizację.

Jednostką SI związaną z natężeniem pola magnetycznego jest tesla.

Inną powszechną jednostką związaną z natężeniem pola magnetycznego jest gaus.

1 Gaus = 1 G = 10^-4 T

Istnieje wiele różnych rodzajów magnetyzmu:

​Paramagnetyzmopisuje pewne materiały, które mogą być słabo przyciągane przez magnesy, ale same nie zachowują stałego pola magnetycznego. W obecności pola zewnętrznego utworzą wewnętrzne, indukowane pola magnetyczne, które się wyrównują. Może to spowodować tymczasowe wzmocnienie ogólnego pola magnetycznego. Istnieje wiele różnych rodzajów materiałów paramagnetycznych, w tym niektóre kamienie szlachetne.

​Diamagnetyzmjest właściwością występującą we wszystkich materiałach, ale zazwyczaj jest ona najbardziej oczywista w przypadku materiałów, które uważamy za niemagnetyczne. Materiały diamagnetyczne są bardzo słabo odpychane przez pola magnetyczne. W magnesach trwałych i materiałach paramagnetycznych efekty diamagnetyzmu są znikome.

​Elektromagnetyzmwystępuje, gdy prąd elektryczny przepływa przez przewód. Drut ten może być owinięty wokół żelaznego pręta, aby wzmocnić efekt, ponieważ żelazo wytworzy własne pole magnetyczne, które dopasuje się do pola zewnętrznego. Ta forma magnetyzmu wynika bezpośrednio z tego, że ruch elektronów wytwarza pole magnetyczne. (Ponownie, elektryczność i magnetyzm to dwie strony tej samej podstawowej właściwości fizycznej!)

​Ferromagnetyzmopisuje, w jaki sposób niektóre materiały – zwane materiałami ferromagnetycznymi – tworzą magnesy trwałe, co omówiono bardziej szczegółowo w następnej sekcji.

Materiały silnie przyciągane przez magnesy nazywane są ferromagnetycznymi. Najpopularniejszym materiałem tego typu jest żelazo. (Nic dziwnego, ponieważ przedrostek łacińskiferro- oznacza "żelazo.")

Materiały ferromagnetyczne mają tak zwane domeny magnetyczne; to znaczy obszary w nich, które są jak magnesy, ale zorientowane w różnych kierunkach, tak że ogólny efekt znosi się i generalnie nie działają jak magnesy. Jeśli jednak te materiały zostaną umieszczone w polu magnetycznym, może to spowodować wyrównanie domen tak że wszystkie są ustawione w tym samym kierunku, przez co stają się (często chwilowo) jak magnesy sami.

Materiały ferromagnetyczne to między innymi rodestone, żelazo, nikiel, kobalt i różne materiały ziem rzadkich, w tym neodym.

Magnes sztabkowy to prostokątna lub cylindryczna sztabka z materiału magnetycznego. Końce magnesu sztabkowego to bieguny północny i południowy. Są to dwa rodzaje biegunów magnetycznych, które oddziałują ze sobą za pomocą siły magnetycznej, podobnie jak ładunki dodatnie i ujemne oddziałują za pomocą siły elektrycznej.

Magnesy sztabkowe to dipole magnetyczne. Mają przeciwległe bieguny oddzielone odległością, podobnie jak dipol elektryczny. Jedna podstawowa różnica polega jednak na tym, że w przypadku magnesów nie można mieć monopolu (biegunu izolowanego), jak w przypadku ładunków. Magnes zawsze istnieje jako dipol, a nigdy jako sam biegun północny lub biegun południowy. (Jeśli przetniesz magnes sztabkowy na pół, aby spróbować rozdzielić bieguny, po prostu otrzymasz dwa mniejsze magnesy dipolarne!)

Jak zapewne wiesz, Ziemia ma pole magnetyczne. Dzięki temu ludzie mogą używać kompasów, aby określić, w jakim kierunku są zwróceni w stosunku do biegunów. Kompas magnetyczny składa się z małego magnesu, który może się swobodnie poruszać i dopasowywać do dowolnego pola zewnętrznego. Czerwony koniec igły kompasu wskazuje północ. Pole magnetyczne Ziemi działa jak gigantyczny magnes sztabkowy. Ten wyimaginowany magnes sztabkowy jest zorientowany tak, że północny koniec magnesu znajduje się na biegunie południowym Ziemi, a południowy koniec magnesu na biegunie północnym Ziemi.

Pole magnetyczne Ziemi w większości miejsc nie jest również równoległe do powierzchni Ziemi. Możesz określić deklinację pola magnetycznego Ziemi za pomocą igły zanurzeniowej. Najpierw ustaw igłę poziomo i zrównaj ją z magnetyczną północą Ziemi. Następnie obróć go pionowo i obserwuj kąt zanurzenia. Kąt jest tym większy, im bliżej jesteś biegunów.

Pole magnetyczne Ziemi tworzy otaczający planetę obszar przestrzeni zwany magnetosferą. Magnetosfera zasadniczo wygląda jak pole magnetyczne bardzo dużego magnesu sztabkowego ustawionego blisko osi Ziemi, chociaż magnetosfera może się odkształcać podczas interakcji z naładowanymi cząsteczkami.

Magnetosfera chroni nas przed wiatrem słonecznym, który zawiera naładowane cząstki. Interakcje między tymi cząsteczkami a liniami pola magnetycznego powodują powstawanie zórz polarnych.

Zjawisko magnetyzmu jest wykorzystywane we wszelkiego rodzaju codziennych zastosowaniach.

Zjawisko elektromagnetyzmu pozwala na zamianę energii mechanicznej na energię elektryczną w generatorach elektrycznych. Generatory elektryczne wykorzystują mechaniczne środki do obracania turbiny (wiatr lub bieżąca woda), która zmienia pole magnetyczne w stosunku do cewek drutu, wywołując przepływ prądu.

Silniki elektryczne są zasadniczo przeciwieństwem generatorów elektrycznych, wykorzystując do konwersji elektromagnetyzm energię elektryczną w energię mechaniczną, czy to do zasilania wiertarki, miksera czy elektrycznego pojazd.

Elektromagnesy przemysłowe to gigantyczne magnesy z bardzo silnymi polami magnetycznymi, które pozwalają im zbierać stare pojazdy na złomowisku.

Urządzenia do rezonansu magnetycznego wykorzystują silne pola magnetyczne do tworzenia obrazów wnętrzności i pozwalają lekarzom diagnozować wiele schorzeń.