Magnetism: definiție, tipuri, proprietăți și modul în care funcționează (cu exemple)

Magneți. Le aveți la frigider, v-ați jucat cu ele în copilărie, chiar ați ținut o busolă în mână în timp ce acul busolei arăta spre polul magnetic magnetic al Pământului. Dar cum funcționează? Ce este acest fenomen al magnetismului?

Magnetismul este un aspect al forței electromagnetice fundamentale. Descrie fenomene și forțe asociate magneților sau obiectelor magnetice.

Toate câmpurile magnetice sunt generate de încărcarea în mișcare sau schimbarea câmpurilor electrice. Acesta este motivul pentru care fenomenele de electricitate și magnetism sunt denumite în mod colectiv electromagnetism. Sunt într-adevăr una și aceeași!

În toate materialele, atomii conțin electroni, iar acești electroni formează un nor în jurul nucleului atomic, mișcarea lor generală creând un dipol magnetic miniatural. Cu toate acestea, în majoritatea materialelor, distribuția aleatorie a orientărilor acestor mini-magneți determină anularea câmpurilor. Materialele feromagnetice sunt excepția.

Multe materiale prezintă fenomene magnetice, inclusiv fier, mangan, magnetit și cobalt. Acestea pot exista sub formă de magneți permanenți sau pot fi paramagnetici (adică atrași de materialele magnetice, dar nu păstrează ei înșiși magnetismul permanent). Electromagneții sunt creați prin trecerea curentului electric printr-o sârmă înfășurată în jurul unui material precum fierul (sau prin orice situație în care există o sarcină electrică în mișcare).

Materialele magnetice se pot atrage reciproc sau se pot respinge reciproc, în funcție de ce porțiuni din aceste materiale sunt reunite.

La fel ca în cazul forței electrice și forței gravitaționale, obiectele care exercită forțe magnetice una asupra celeilalte generează un câmp în jurul lor. Un magnet cu bare, de exemplu, creează un câmp magnetic în spațiul din jurul său, provocând ca orice alt magneți sau materiale feromagnetice aduse în acel câmp să simtă o forță ca rezultat.

O modalitate de a vizualiza câmpul magnetic este de a folosi pila de fier. Piliturile de fier sunt mici bucăți de fier care, atunci când sunt presărate în jurul unui magnet, se vor alinia la liniile externe ale câmpului magnetic, permițându-le să le vizualizați.

Unitatea SI asociată cu intensitatea câmpului magnetic este tesla.

O altă unitate comună asociată cu intensitatea câmpului magnetic este gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Există multe tipuri diferite de magnetism:

​Paramagnetismdescrie anumite materiale care pot fi slab atrase de magneți, dar care nu păstrează ele însele un câmp magnetic permanent. În prezența unui câmp extern, acestea vor forma câmpuri magnetice interne induse care se aliniază. Acest lucru poate duce la amplificarea temporară a câmpului magnetic în ansamblu. Există multe tipuri diferite de materiale paramagnetice, inclusiv unele pietre prețioase.

​Diamagnetismeste o proprietate prezentată de toate materialele, dar care este de obicei cea mai evidentă în materialele pe care le considerăm nemagnetice. Materialele diamagnetice sunt foarte slab respinse de câmpurile magnetice. În magneții permanenți și materialele paramagnetice, efectele diamagnetismului sunt neglijabile.

​Electromagnetismulapare atunci când curentul electric este trecut printr-un fir. Acest fir poate fi înfășurat în jurul unei bare de fier pentru a amplifica efectul, deoarece fierul își va crea propriul câmp magnetic care se aliniază cu câmpul extern. Această formă de magnetism este rezultatul direct al faptului că mișcarea electronilor creează un câmp magnetic. (Din nou, electricitatea și magnetismul sunt două părți ale aceleiași proprietăți fizice fundamentale!)

​Feromagnetismdescrie modul în care anumite materiale - numite materiale feromagnetice - formează magneți permanenți, care sunt discutați în detaliu în secțiunea următoare.

Materialele care sunt puternic atrase de magneți se numesc feromagnetice. Fierul este cel mai comun material de acest tip. (Nu este de mirare de la prefixul latinfero- înseamnă „fier”.)

Materialele feromagnetice au ceea ce se numesc domenii magnetice; adică regiuni din ele care sunt ca niște magneți, dar orientate în direcții diferite, astfel încât efectul general să se anuleze și, în general, să nu acționeze ca niște magneți. Cu toate acestea, dacă aceste materiale sunt plasate într-un câmp magnetic, acest lucru poate provoca o aliniere a domeniilor astfel că toate sunt aliniate în aceeași direcție și, prin urmare, devin (adesea temporar) ca niște magneți înșiși.

Materialele feromagnetice includ pietre loder, fier, nichel, cobalt și diverse materiale din pământuri rare, inclusiv neodim.

Un magnet cu bare este o bară dreptunghiulară sau cilindrică din material magnetic. Capetele unui magnet magnet sunt polii nord și sud. Acestea sunt cele două tipuri de poli magnetici și interacționează între ei printr-o forță magnetică într-un mod similar cu modul în care interacționează sarcinile pozitive și negative prin forța electrică.

Magneții cu bare sunt dipoli magnetici. Au poli opuși separați de o distanță, similar cu un dipol electric. Cu toate acestea, o diferență principală este că, cu magneții, nu puteți avea un monopol (un pol izolat), cum puteți avea cu sarcini. Un magnet există întotdeauna ca un dipol și niciodată ca un pol nord de la sine sau un pol sud de la sine. (Dacă tăiați un magnet magnet în două pentru a încerca să separați polii, veți ajunge pur și simplu cu doi magneți dipolari mai mici!)

După cum probabil știți, Pământul are un câmp magnetic. Acest lucru permite oamenilor să folosească busolele pentru a determina în ce direcție se confruntă față de poli. O busolă magnetică constă dintr-un mic magnet care se poate mișca liber și se poate alinia cu orice câmp extern. Capătul roșu al acului busolei este îndreptat spre nord. Câmpul magnetic al Pământului acționează ca un magnet gigant. Acest magnet cu bare imaginare este orientat astfel încât capătul nordic al magnetului să se afle la polul sudic al Pământului, iar capătul sud al magnetului să fie la polul nordic al Pământului.

Câmpul magnetic al Pământului nu este, de asemenea, paralel cu suprafața Pământului în majoritatea locurilor. Puteți determina declinarea câmpului magnetic al Pământului folosind un ac de scufundare. Mai întâi orientați acul orizontal și aliniați-l cu nordul magnetic al Pământului. Apoi rotiți-l vertical și observați unghiul de scufundare. Unghiul este mai mare cu cât ești mai aproape de poli.

Câmpul magnetic al Pământului creează o regiune a spațiului care înconjoară planeta numită magnetosferă. Magnetosfera arată în esență ca câmpul magnetic al unui magnet cu bare foarte mari aliniat aproape de axa Pământului, deși magnetosfera se poate deforma pe măsură ce interacționează cu particulele încărcate.

Magnetosfera ne protejează de vântul solar, care conține particule încărcate. Interacțiunile dintre aceste particule și liniile câmpului magnetic sunt cele care dau naștere la aurore.

Fenomenul magnetismului este utilizat în tot felul de aplicații de zi cu zi.

Fenomenul electromagnetismului ne permite să transformăm energia mecanică în energie electrică la generatoarele electrice. Generatoarele electrice folosesc mijloace mecanice pentru a roti o turbină (suflând vânt sau apă curentă) care schimbă un câmp magnetic în raport cu bobinele de sârmă, inducând curentul să curgă.

Motoarele electrice sunt în esență opusul generatoarelor electrice, folosind electromagnetismul pentru a converti energie electrică în energie mecanică, fie că este vorba de o rotație electrică, un mixer sau un electric vehicul.

Electro-magneții industriali sunt magneți uriași cu câmpuri magnetice foarte puternice care le permit să ridice vehicule vechi la șantier.

Aparatele RMN utilizează câmpuri magnetice puternice pentru a crea imagini din interior și pentru a permite medicilor să diagnosticheze o serie întreagă de afecțiuni medicale.