Cum se formează magneții?

Aproape toată lumea este familiarizată cu un magnet de bază și cu ceea ce face sau poate face. Un copil mic, dacă i s-ar da câteva momente de joc și amestecul corect de materiale, ar recunoaște rapid acest lucru tipuri de lucruri (pe care copilul le va identifica ulterior ca metale) sunt trase spre magnet în timp ce altele nu sunt afectate prin ea. Și dacă copilului i se oferă mai mult de un magnet cu care să se joace, experimentele vor deveni rapid și mai interesante.

Magnetismul este un cuvânt care cuprinde o serie de interacțiuni cunoscute în lumea fizică, care nu sunt vizibile pentru ochiul uman fără ajutor. Cele două tipuri de bază ale magneților sunt feromagneti, care creează câmpuri magnetice permanente în jurul lor și electromagneti, care sunt materiale în care magnetismul poate fi indus temporar atunci când sunt plasate într-un câmp electric, cum ar fi cel generat de o bobină de sârmă care transportă curent.

Dacă cineva vă întreabă Primejdie-întrebarea stilului "Un magnet este alcătuit din ce material?" atunci poți fi încrezător că nu există un singur răspuns - și înarmat cu informațiile disponibile, veți putea chiar să explicați întrebătorului dvs. toate detaliile utile, inclusiv modul în care este un magnet format.

La fel ca în fizică - de exemplu, gravitația, sunetul și lumina - magnetismul a fost întotdeauna „acolo”, dar capacitatea omenirii de a descrieți-l și faceți predicții despre acesta pe baza experimentelor, iar modelele și cadrele rezultate au progresat pe tot parcursul secole. O întreagă ramură a fizicii a apărut în jurul conceptelor conexe de electricitate și magnetism, numite de obicei electromagnetice.

Culturile antice erau conștiente de faptul că lodestone, un tip rar de magnetit mineral care conține fier și oxigen (formula chimică: Fe₃O₄), ar putea atrage bucăți de metal. Până în secolul al XI-lea, chinezii aflaseră că o astfel de piatră care se întâmpla să fie lungă și subțire se va orienta de-a lungul unei axe nord-sud dacă ar fi suspendată în aer, deschizând calea către busolă.

Călătorii europeni care foloseau busola au observat că direcția care indică nordul variază ușor pe parcursul călătoriilor transatlantice. Acest lucru a dus la realizarea faptului că Pământul însuși este în esență un magnet masiv, „nordul magnetic” și „nordul adevărat” fiind ușor diferite și diferite prin cantități variabile de pe tot globul. (Același lucru se aplică sudului adevărat și magnetic.)

Un număr limitat de materiale, inclusiv fier, cobalt, nichel și gadoliniu, manifestă efecte magnetice puternice pe cont propriu. Toate câmpurile magnetice rezultă din încărcăturile electrice care se deplasează una față de alta. Inducerea magnetismului într-un electromagnet prin plasarea acestuia lângă o bobină de sârmă care transportă curent a fost menționate, dar chiar și feromagnetii posedă magnetism doar din cauza curenților mici generați la atomic nivel.

Dacă un magnet permanent este adus lângă un material feromagnetic, componentele atomilor individuali de fier, cobalt sau orice alt material se aliniază cu liniile imaginare de influență ale magnetului care se îndreaptă spre polii nordici și sudici, numiți magnetici camp. Dacă substanța este încălzită și răcită, magnetizarea poate fi făcută permanentă, deși poate apărea și spontan; această magnetizare poate fi inversată prin căldură extremă sau întreruperi fizice.

Nu există monopol magnetic; adică nu există un „magnet punctual”, așa cum se întâmplă cu sarcinile electrice punctuale. În schimb, magneții au dipoli magnetici, iar liniile lor de câmp magnetic provin de la polul magnetic nord și se ventilează spre exterior înainte de a reveni la polul sud. Amintiți-vă, aceste „linii” sunt doar instrumente utilizate pentru a descrie comportamentul atomilor și particulelor!

După cum sa subliniat anterior, câmpurile magnetice sunt produse de curenți. În magneții permanenți, curenții mici sunt produși de cele două tipuri de mișcare a electronilor din acești atomi magneți: orbita lor în jurul protonului central al atomului și rotația lor sau a învârti.

În majoritatea materialelor, cele mici momente magnetice create de mișcarea electronilor individuali ai unui atom dat se anulează reciproc. Când nu, atomul în sine acționează ca un magnet mic. În materialele feromagnetice, momentele magnetice nu numai că nu se anulează, dar se aliniază și în aceeași direcție și deplasați astfel încât să fie aliniate în aceeași direcție ca liniile unui magnet extern aplicat camp.

Unele materiale au atomi care se comportă în așa fel încât să le permită magnetizarea în grade diferite de un câmp magnetic aplicat. (Amintiți-vă, nu aveți întotdeauna nevoie de un magnet pentru ca un câmp magnetic să fie prezent; un curent electric suficient de mare va face trucul.) După cum veți vedea, unele dintre aceste materiale nu doresc nici o parte durabilă a magnetismului, în timp ce altele se comportă într-un mod mai melancios.

O listă de materiale magnetice care dă doar numele metalelor care prezintă magnetism nu ar fi la fel de utilă ca o lista materialelor magnetice ordonate după comportamentul câmpurilor lor magnetice și cum funcționează lucrurile la microscop nivel. Un astfel de sistem de clasificare există și separă comportamentul magnetic în cinci tipuri.

• Diamagnetism: Majoritatea materialelor prezintă această proprietate, în care momentele magnetice ale atomilor plasați într-un câmp magnetic extern se aliniază într-o direcție opusă celei a câmpului aplicat. În consecință, câmpul magnetic rezultat se opune câmpului aplicat. Acest câmp „reactiv” este însă foarte slab. Deoarece materialele cu această proprietate nu sunt magnetice în nici un sens semnificativ, puterea magnetismului nu depinde de temperatură.
  
• Paramagnetism: Materialele cu această proprietate, cum ar fi aluminiu, au atomi individuali cu momente dipolare nete pozitive. Momentele dipolice ale atomilor vecini, totuși, se anulează reciproc, lăsând materialul ca întreg nemagnetizat. Când se aplică un câmp magnetic, mai degrabă decât să se opună câmpului direct, dipolii magnetici ai atomii se aliniază incomplet cu câmpul aplicat, rezultând o slabă magnetizare material.
  
• Feromagnetism: Materiale precum fierul, nichelul și magnetitul (piatră lod) au această proprietate puternică. După cum sa atins deja, momentele dipolice ale atomilor vecini se aliniază chiar și în absența unui câmp magnetic. Interacțiunile lor pot duce la un câmp magnetic cu magnitudini care ajung la 1.000 tesla, sau T (unitatea SI a intensității câmpului magnetic; nu o forță, ci ceva de genul). Prin comparație, câmpul magnetic al Pământului în sine este de 100 de milioane de ori mai slab!
  
• Ferrimagnetism: Rețineți diferența unei singure vocale față de clasa anterioară de materiale. Aceste materiale sunt de obicei oxizi, iar interacțiunile lor magnetice unice provin din faptul că atomii din acești oxizi sunt dispuși într-o structură de „rețea” cristalină. Comportamentul materialelor ferimagnetice seamănă foarte mult cu cel al materialelor feromagnetice, dar ordonarea elementele magnetice din spațiu sunt diferite, ducând la niveluri diferite de sensibilitate la temperatură și altele distincții.
  
• Antiferomagnetism: Această clasă de materiale se caracterizează printr-o sensibilitate deosebită la temperatură. Peste o temperatură dată, numită Temperatura Neel sau T_N, materialul se comportă la fel ca un material paramagnetic. Un exemplu de astfel de material este hematita. Aceste materiale sunt, de asemenea, cristale, dar, după cum sugerează și numele lor, rețelele sunt organizate în așa fel că interacțiunile dipol magnetice se anulează complet atunci când nu există câmp magnetic extern prezent.