Magnetizmus: definícia, typy, vlastnosti a ako fungujú (s príkladmi)

Magnety. Máte ich na chladničke, hrali ste sa s nimi ako dieťa, dokonca ste v ruke držali kompas, keď ručička kompasu ukazovala na magnetický severný pól Zeme. Ako však fungujú? Čo je to za jav magnetizmu?

Magnetizmus je jedným z aspektov základnej elektromagnetickej sily. Opisuje javy a sily spojené s magnetmi alebo magnetickými predmetmi.

Všetky magnetické polia sú generované pohybom náboja alebo zmenou elektrických polí. Preto sa javy elektriny a magnetizmu označujú súhrnne ako elektromagnetizmus. Sú skutočne jedno a to isté!

Vo všetkých materiáloch obsahujú atómy elektróny a tieto elektróny vytvárajú okolo atómového jadra oblak a svojím celkovým pohybom vytvárajú miniatúrny magnetický dipól. Vo väčšine materiálov však náhodné rozloženie orientácií týchto mini magnetov spôsobí vyrušenie polí. Feromagnetické materiály sú výnimkou.

Mnoho materiálov vykazuje magnetické javy, vrátane železa, mangánu, magnetitu a kobaltu. Môžu existovať ako permanentné magnety alebo môžu byť paramagnetické (to znamená, že sú priťahované magnetickými materiálmi, ale samy si permanentný magnetizmus nezachovávajú). Elektromagnety sa vytvárajú prechodom elektrického prúdu drôtom navinutým okolo materiálu, ako je železo (alebo v iných situáciách, keď sa pohybuje elektrický náboj).

Magnetické materiály sa môžu navzájom priťahovať alebo odpudzovať, v závislosti od toho, ktoré časti týchto materiálov sa spojili.

Rovnako ako elektrická sila a gravitačná sila, aj objekty, ktoré na seba vyvíjajú magnetické sily, vytvárajú okolo seba pole. Napríklad tyčový magnet vytvára v priestore okolo seba magnetické pole, čo spôsobuje, že akékoľvek iné magnety alebo feromagnetické materiály privedené do tohto poľa vo výsledku pocítia silu.

Jedným zo spôsobov vizualizácie magnetického poľa je použitie železných pilín. Železné piliny sú malé kúsky železa, ktoré sa po posypaní magnetom vyrovnajú s vonkajšími silami magnetického poľa a umožňujú ich vizualizáciu.

Jednotkou SI spojenou s intenzitou magnetického poľa je tesla.

Ďalšou spoločnou jednotkou spojenou s intenzitou magnetického poľa je gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Existuje mnoho rôznych typov magnetizmu:

​Paramagnetizmuspopisuje určité materiály, ktoré môžu byť magnetmi slabo priťahované, ale ktoré si samy nezachovávajú trvalé magnetické pole. V prítomnosti vonkajšieho poľa budú vytvárať vnútorné indukované magnetické pole, ktoré sa vyrovná. To môže viesť k dočasnému zosilneniu celkového magnetického poľa. Existuje veľa rôznych druhov paramagnetických materiálov, dokonca aj niektorých drahokamov.

​Diamagnetizmusje vlastnosť vystavená všetkými materiálmi, ale ktorá je typicky najviditeľnejšia pri materiáloch, ktoré považujeme za nemagnetické. Diamagnetické materiály sú magnetickými poľami veľmi slabo odpudzované. V permanentných magnetoch a paramagnetických materiáloch sú účinky diamagnetizmu zanedbateľné.

​Elektromagnetizmusnastáva, keď elektrický prúd prechádza drôtom. Tento drôt môže byť navinutý okolo železnej tyče, aby sa zosilnil účinok, pretože žehlička vytvorí svoje vlastné magnetické pole, ktoré sa vyrovná s vonkajším poľom. Táto forma magnetizmu je priamym dôsledkom skutočnosti, že pohyb elektrónov vytvára magnetické pole. (Elektrina a magnetizmus sú opäť dve stránky tej istej základnej fyzickej vlastnosti!)

​Feromagnetizmuspopisuje, ako určité materiály - nazývané feromagnetické materiály - tvoria permanentné magnety, o ktorých sa podrobnejšie hovorí v nasledujúcej časti.

Materiály, ktoré sú silne priťahované magnetmi, sa nazývajú feromagnetické. Železo je najbežnejším materiálom tohto typu. (Niet divu, pretože latinská predponaferro- znamená „železo“)

Feromagnetické materiály majú takzvané magnetické domény; tj regióny v nich, ktoré sú ako magnety, ale orientované v rôznych smeroch, takže celkový efekt sa ruší a vo všeobecnosti nepôsobia ako magnety. Ak sú však tieto materiály umiestnené v magnetických poliach, môže to spôsobiť zarovnanie domén tak že sú všetky zoradené rovnakým smerom, a preto sa stávajú (často dočasne) ako magnety sami.

Medzi feromagnetické materiály patrí kameň, železo, nikel, kobalt a rôzne materiály vzácnych zemín vrátane neodýmu.

Tyčový magnet je obdĺžniková alebo valcová tyč z magnetického materiálu. Konce tyčového magnetu sú severný a južný pól. Jedná sa o dva typy magnetických pólov, ktoré vzájomne interagujú prostredníctvom magnetickej sily podobným spôsobom, ako kladné a záporné náboje interagujú prostredníctvom elektrickej sily.

Tyčové magnety sú magnetické dipóly. Majú opačné póly oddelené vzdialenosťou, podobne ako elektrický dipól. Jedným z hlavných rozdielov však je, že s magnetmi nemôžete mať monopol (izolovaný pól), aký môžete mať s nábojmi. Magnet vždy existuje ako dipól a nikdy nie ako severný pól alebo ako južný pól. (Ak prerežete tyčový magnet na polovicu a pokúsite sa oddeliť póly, jednoducho skončíte s dvoma menšími dipolárnymi magnetmi!)

Ako pravdepodobne viete, Zem má magnetické pole. Toto umožňuje ľuďom pomocou kompasov určiť, ktorým smerom sú oproti pólom otočení. Magnetický kompas sa skladá z malého magnetu, ktorý sa môže voľne pohybovať a vyrovnávať s akýmkoľvek vonkajším poľom. Červený koniec ihly kompasu smeruje na sever. Zemské magnetické pole funguje ako magnet s obrovskou tyčou. Tento imaginárny tyčový magnet je orientovaný tak, že severný koniec magnetu je na južnom póle Zeme a južný koniec magnetu na severnom póle Zeme.

Magnetické pole Zeme tiež na väčšine miest nie je rovnobežné s povrchom Zeme. Deklináciu magnetického poľa Zeme môžete určiť pomocou ponornej ihly. Najprv ihlu orientujte vodorovne a zarovnajte ju s magnetickým severom Zeme. Potom ho otočte zvisle a sledujte uhol klesania. Uhol je väčší, čím bližšie ste k pólom.

Magnetické pole Zeme vytvára oblasť vesmíru obklopujúcu planétu, ktorá sa nazýva magnetosféra. Magnetosféra v podstate vyzerá ako magnetické pole veľmi veľkého tyčového magnetu zarovnaného blízko k osi Zeme, aj keď sa magnetosféra môže pri interakcii s nabitými časticami deformovať.

Magnetosféra nás chráni pred slnečným vetrom, ktorý obsahuje nabité častice. Interakcie medzi týmito časticami a silami magnetického poľa vedú k vzniku polárnych žiarok.

Fenomén magnetizmu sa používa v najrôznejších každodenných aplikáciách.

Fenomén elektromagnetizmu nám umožňuje prevádzať mechanickú energiu na elektrickú v elektrických generátoroch. Elektrické generátory používajú mechanické prostriedky na otáčanie turbíny (vanúci vietor alebo tečúca voda), ktorá mení magnetické pole vo vzťahu k drôteným cievkam a indukuje prúdenie.

Elektromotory sú v podstate opakom elektrických generátorov, ktoré na svoju premenu využívajú elektromagnetizmus elektrickú energiu na mechanickú, či už je to prevádzka elektrickej vŕtačky, mixéra alebo elektrickej energie vozidlo.

Priemyselné elektromagnety sú obrovské magnety s veľmi silnými magnetickými poľami, ktoré im umožňujú vyzdvihnúť staré vozidlá na vrakovisku.

MRI prístroje využívajú silné magnetické polia na vytváranie obrazov vášho vnútra a umožňujú lekárom diagnostikovať celú radu zdravotných stavov.