Jak powstają magnesy?

Prawie każdy zna podstawowy magnes i co on robi lub może zrobić. Małe dziecko, gdyby dano kilka chwil zabawy i odpowiednią mieszankę materiałów, szybko rozpoznałoby to pewne rodzaje rzeczy (które dziecko później zidentyfikuje jako metale) są przyciągane w kierunku magnesu, podczas gdy inne pozostają nienaruszone przez to. A jeśli dziecko dostanie więcej niż jeden magnes do zabawy, eksperymenty szybko staną się jeszcze ciekawsze.

Magnetyzm to słowo obejmujące szereg znanych interakcji w świecie fizycznym, które nie są widoczne gołym okiem ludzkim. Dwa podstawowe rodzaje magnesów to ferromagnesy, które wytwarzają wokół siebie trwałe pola magnetyczne, oraz elektromagnesy, które są materiałami, w których magnetyzm może być tymczasowo indukowany po umieszczeniu ich w polu elektrycznym, takim jak to generowane przez cewkę drutu przewodzącego prąd.

Jeśli ktoś cię zapyta Niebezpieczeństwo-pytanie w stylu "Z jakiego materiału składa się magnes?" wtedy możesz być pewien, że nie ma jednej odpowiedzi – i uzbrojony dostępnych informacji, będziesz nawet w stanie wyjaśnić swojemu pytającemu wszystkie przydatne szczegóły, w tym sposób, w jaki działa magnes utworzone.

Podobnie jak w przypadku wielu rzeczy w fizyce – na przykład grawitacji, dźwięku i światła – magnetyzm zawsze „tam był”, ale zdolność ludzkości do opisać go i przewidzieć na jego temat na podstawie eksperymentów, a wynikające z nich modele i ramy rozwijały się przez cały czas wieki. Cała gałąź fizyki wyrosła wokół powiązanych pojęć elektryczności i magnetyzmu, zwykle nazywanych elektromagnetyzmami.

Starożytne kultury były świadome, że magnetyt, rzadki typ magnetytu zawierającego żelazo i tlen (wzór chemiczny: Fe₃O₄), mogą przyciągać kawałki metalu. W XI wieku Chińczycy nauczyli się, że taki kamień, który akurat był długi i cienki, orientowałby się wzdłuż osi północ-południe, gdyby był zawieszony w powietrzu, torując drogę kompas.

Europejscy podróżnicy korzystający z kompasu zauważyli, że kierunek wskazujący północ zmieniał się nieznacznie podczas podróży transatlantyckich. Doprowadziło to do uświadomienia sobie, że sama Ziemia jest zasadniczo ogromnym magnesem, przy czym „magnetyczna północ” i „prawdziwa północ” są nieco inne i różnią się w różnych ilościach na całym świecie. (To samo dotyczy południa prawdziwego i magnetycznego.)

Ograniczona liczba materiałów, w tym żelazo, kobalt, nikiel i gadolin, sama w sobie wykazuje silne działanie magnetyczne. Wszystkie pola magnetyczne powstają w wyniku przemieszczania się ładunków elektrycznych względem siebie. Indukcja magnetyzmu w elektromagnesie przez umieszczenie go w pobliżu cewki drutu przewodzącego prąd wspomniano, ale nawet ferromagnetyki posiadają magnetyzm tylko z powodu niewielkich prądów generowanych w atomie poziom.

Jeśli magnes trwały zbliży się do materiału ferromagnetycznego, składniki poszczególnych atomów żelaza, kobaltu lub innego materiału dopasowują się do wyimaginowanych linii wpływu magnesu rozchodzącego się z jego północnego i południowego bieguna, zwanych magnetycznym pole. Jeśli substancja jest podgrzewana i chłodzona, namagnesowanie może być trwałe, choć może również zachodzić spontanicznie; to namagnesowanie może zostać odwrócone przez ekstremalne ciepło lub fizyczne zakłócenia.

Nie istnieje monopol magnetyczny; to znaczy, że nie ma czegoś takiego jak „magnes punktowy”, jak to ma miejsce w przypadku punktowych ładunków elektrycznych. Zamiast tego magnesy mają dipole magnetyczne, a ich linie pola magnetycznego wychodzą z północnego bieguna magnetycznego i rozchodzą się na zewnątrz, zanim powrócą do bieguna południowego. Pamiętaj, że te "linie" to tylko narzędzia używane do opisu zachowania atomów i cząstek!

Jak podkreślono wcześniej, pola magnetyczne są wytwarzane przez prądy. W magnesach trwałych małe prądy są wytwarzane przez dwa rodzaje ruchu elektronów w atomach tych magnesów: ich orbita wokół centralnego protonu atomu i ich obrót lub obracać.

W większości materiałów małe momenty magnetyczne utworzone przez ruch pojedynczych elektronów danego atomu znoszą się nawzajem. Kiedy tego nie robią, sam atom działa jak maleńki magnes. W materiałach ferromagnetycznych momenty magnetyczne nie tylko nie znoszą się, ale również wyrównują się w w tym samym kierunku i przesunąć tak, aby były wyrównane w tym samym kierunku, co linie przyłożonego zewnętrznego magnesu pole.

Niektóre materiały mają atomy, które zachowują się w taki sposób, że mogą być namagnesowane w różnym stopniu przez przyłożone pole magnetyczne. (Pamiętaj, że nie zawsze potrzebujesz magnesu, aby pole magnetyczne było obecne; wystarczy spory prąd elektryczny.) Jak zobaczysz, niektóre z tych materiałów nie wymagają trwałej części magnetyzmu, podczas gdy inne zachowują się w bardziej tęskny sposób.

Lista materiałów magnetycznych zawierająca tylko nazwy metali wykazujących magnetyzm nie byłaby tak użyteczna jak as lista materiałów magnetycznych uporządkowanych według zachowania ich pól magnetycznych i tego, jak rzeczy działają pod mikroskopem poziom. Taki system klasyfikacji istnieje i dzieli zachowanie magnetyczne na pięć typów.

• Diamagnetyzm: Większość materiałów wykazuje tę właściwość, w której momenty magnetyczne atomów umieszczonych w zewnętrznym polu magnetycznym ustawiają się w kierunku przeciwnym do przyłożonego pola. W związku z tym powstałe pole magnetyczne przeciwstawia się zastosowanemu polu. To pole „reaktywne” jest jednak bardzo słabe. Ponieważ materiały o tej właściwości nie są magnetyczne w żadnym sensownym sensie, siła magnetyzmu nie zależy od temperatury.
  
• Paramagnetyzm: Materiały o tej właściwości, takie jak aluminium, mają pojedyncze atomy o dodatnich wypadkowych momentach dipolowych. Jednak momenty dipolowe sąsiednich atomów zwykle znoszą się nawzajem, pozostawiając materiał jako całość nienamagnesowaną. Kiedy przyłożone jest pole magnetyczne, zamiast przeciwstawiać się temu wprost, dipole magnetyczne atomy dopasowują się niecałkowicie do przyłożonego pola, co powoduje słabo namagnesowane materiał.
  
• Ferromagnetyzm: Materiały takie jak żelazo, nikiel i magnetyt (lodestone) mają tę silną właściwość. Jak już wspomnieliśmy, momenty dipolowe sąsiednich atomów dopasowują się nawet przy braku pola magnetycznego. Ich interakcje mogą skutkować polem magnetycznym o wielkościach sięgających 1000 tesla, lub T (jednostka SI natężenia pola magnetycznego; nie siła, ale coś podobnego). Dla porównania pole magnetyczne samej Ziemi jest 100 milionów razy słabsze!
  
• Ferrimagnetyzm: Zwróć uwagę na różnicę jednej samogłoski z poprzedniej klasy materiałów. Materiały te są zazwyczaj tlenkami, a ich unikalne oddziaływania magnetyczne wynikają z tego, że atomy w tych tlenkach są ułożone w strukturę „sieci” krystalicznej. Zachowanie materiałów ferrimagnetycznych jest bardzo podobne do zachowania materiałów ferromagnetycznych, ale kolejność elementy magnetyczne w przestrzeni są różne, co prowadzi do różnych poziomów wrażliwości na temperaturę i innych and wyróżnienia.
  
• Antyferromagnetyzm: Ta klasa materiałów charakteryzuje się szczególną wrażliwością na temperaturę. Powyżej określonej temperatury, zwana Temperatura Neel lub T_N, materiał zachowuje się podobnie jak materiał paramagnetyczny. Jednym z przykładów takiego materiału jest hematyt. Materiały te są również kryształami, ale jak sama nazwa wskazuje, sieci są zorganizowane w taki sposób że oddziaływania dipola magnetycznego całkowicie znoszą się, gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego teraźniejszość.