Ako sa vytvárajú magnety?

Takmer každý pozná základný magnet a to, čo robí alebo môže robiť. Malé dieťa, ak dostane niekoľko chvíľ hry a správny mix materiálov, to rýchlo spozná druhy vecí (ktoré dieťa neskôr identifikuje ako kovy) sú priťahované k magnetu, zatiaľ čo iné nie sú ovplyvnené tým. A ak dieťa dostane viac ako jeden magnet na hranie, experimenty sa rýchlo stanú ešte zaujímavejšími.

Magnetizmus je slovo zahŕňajúce množstvo známych interakcií vo fyzickom svete, ktoré nie sú viditeľné ľudským okom. Dva základné typy magnetov sú feromagnety, ktoré okolo seba vytvárajú permanentné magnetické polia a elektromagnety, čo sú materiály, v ktorých je možné dočasne vyvolať magnetizmus, ak sú umiestnené v elektrickom poli, ako je napríklad magnetické pole tvorené cievkou drôtu prenášajúceho prúd.

Ak sa vás niekto spýta, Ohrozenieotázka v štýle „Z akého materiálu je vyrobený magnet?“ potom si môžete byť istí, že neexistuje jediná odpoveď - a vyzbrojení tieto informácie po ruke, budete dokonca môcť vysvetliť svojmu dotazníkovi všetky užitočné podrobnosti vrátane toho, ako sa magnet nachádza tvoril.

Rovnako ako vo fyzike - napríklad v gravitácii, zvuku a svetle - magnetizmus vždy existoval, ale schopnosť ľudstva opísať ho a predpovedať o ňom na základe experimentov a výsledné modely a rámce postupovali v celom systéme storočia. Celé odvetvie fyziky vzniklo okolo súvisiacich konceptov elektriny a magnetizmu, ktoré sa zvyčajne nazývajú elektromagnetické.

Staroveké kultúry si boli vedomé, že lávový kameň, vzácny typ minerálneho magnetitu obsahujúceho železo a kyslík (chemický vzorec: Fe₃O₄), by mohli priťahovať kúsky kovu. Do 11. storočia sa Číňania dozvedeli, že taký dlhý a tenký kameň by sa, keby bol zavesený na vzduchu, orientoval pozdĺž osi sever-juh, čo by vydláždilo cestu pre kompas.

Európski cestovatelia využívajúci kompas si všimli, že smer označujúci sever sa počas transatlantických ciest mierne líšil. To viedlo k poznaniu, že samotná Zem je v podstate mohutným magnetom, pričom „magnetický sever“ a „pravý sever“ sa mierne líšia a líšia sa rôznymi množstvami po celej planéte. (To isté platí pre pravý a magnetický juh.)

Obmedzený počet materiálov, vrátane železa, kobaltu, niklu a gadolínia, má sám o sebe silné magnetické účinky. Všetky magnetické polia sú výsledkom vzájomného pohybu elektrických nábojov. Indukcia magnetizmu v elektromagnetu jeho umiestnením blízko cievky drôtu prenášajúceho prúd bola spomenuté, ale aj feromagnety majú magnetizmus iba kvôli maličkým prúdom generovaným v atóme úrovni.

Ak sa permanentný magnet priblíži k feromagnetickému materiálu, komponentom jednotlivých atómov železa, kobaltu alebo iného materiálu je v súlade s imaginárnymi líniami vplyvu magnetu rozprestierajúceho sa od jeho severného a južného pólu, ktorý sa nazýva magnetický lúka. Ak sa látka zahreje a ochladí, magnetizácia sa môže stať trvalou, môže sa však vyskytnúť aj spontánne; túto magnetizáciu je možné zvrátiť extrémnym teplom alebo fyzickým narušením.

Žiadny magnetický monopol neexistuje; to znamená, že neexistuje nič také ako „bodový magnet“, aký sa vyskytuje pri bodových elektrických nábojoch. Namiesto toho majú magnety magnetické dipóly a ich línie magnetického poľa vychádzajú zo severného magnetického pólu a pred návratom k južnému pólu sa ventilujú smerom von. Pamätajte, že tieto „čiary“ sú iba nástrojmi používanými na opis správania atómov a častíc!

Ako už bolo zdôraznené, magnetické polia vytvárajú prúdy. V permanentných magnetoch sú malé prúdy vytvárané dvoma typmi pohybu elektrónov v atómoch týchto magnetov: ich obežnou dráhou okolo centrálneho protónu atómu a ich rotáciou, príp. točiť sa.

Vo väčšine materiálov malé magnetické momenty vytvorené pohybom jednotlivých elektrónov daného atómu sa navzájom rušia. Ak tak neurobia, samotný atóm funguje ako malý magnet. Vo feromagnetických materiáloch sa magnetické momenty nielenže nezrušia, ale tiež sa vyrovnajú v rovnakým smerom a posunúť tak, aby boli zarovnané v rovnakom smere ako čiary použitého externého magnetu lúka.

Niektoré materiály majú atómy, ktoré sa správajú tak, že im umožňujú magnetizáciu v rôznej miere aplikovaným magnetickým poľom. (Pamätajte, že na prítomnosť magnetického poľa nepotrebujete vždy magnet; dosť na to bude dostatočne veľký elektrický prúd.) Ako uvidíte, niektoré z týchto materiálov nechcú žiadnu trvalú súčasť magnetizmu, zatiaľ čo iné sa správajú húževnatejšie.

Zoznam magnetických materiálov, ktorý uvádza iba názvy kovov vykazujúcich magnetizmus, by nebol zďaleka taký užitočný ako a zoznam magnetických materiálov usporiadaných podľa správania ich magnetických polí a podľa toho, ako veci fungujú pod mikroskopom úrovni. Takýto klasifikačný systém existuje a rozdeľuje magnetické správanie na päť typov.

• Diamagnetizmus: Väčšina materiálov vykazuje túto vlastnosť, v ktorej sa magnetické momenty atómov umiestnených vo vonkajšom magnetickom poli zarovnávajú v opačnom smere ako použité pole. Podľa toho je výsledné magnetické pole proti použitému poľu. Toto „reaktívne“ pole je však veľmi slabé. Pretože materiály s touto vlastnosťou nie sú magnetické v žiadnom zmysluplnom zmysle, sila magnetizmu nezávisí od teploty.
  
• Paramagnetizmus: Materiály s touto vlastnosťou, napríklad hliník, majú jednotlivé atómy s kladnými čistými dipólovými momentmi. Dipólové momenty susedných atómov sa však zvyčajne navzájom rušia a materiál ako celok zostáva nemagnetizovaný. Keď sa použije magnetické pole, magnetické dipóly magnetického poľa sa nebudú priamo orientovať na pole atómy sa neúplne zarovnávajú s použitým poľom, čo vedie k slabo magnetizácii materiál.
  
• Feromagnetizmus: Túto silnú vlastnosť majú materiály ako železo, nikel a magnetit (lodestone). Ako už bolo spomenuté, dipólové momenty susedných atómov sa vyrovnajú aj pri absencii magnetického poľa. Ich interakcie môžu viesť k tomu, že magnetické pole veľkostí dosiahne 1 000 tesla, alebo T (jednotka SI sily magnetického poľa; nie sila, ale niečo podobné). Pre porovnanie, samotné magnetické pole Zeme je 100 miliónovkrát slabšie!
  
• Ferimagnetizmus: Všimnite si rozdiel jednej samohlásky od predchádzajúcej triedy materiálov. Týmito materiálmi sú zvyčajne oxidy a ich jedinečné magnetické interakcie vychádzajú zo skutočnosti, že atómy v týchto oxidoch sú usporiadané v kryštalickej „mriežkovej“ štruktúre. Správanie ferimagnetických materiálov je veľmi podobné chovaniu feromagnetických materiálov, ale usporiadanie feromagnetických materiálov je podobné magnetické prvky vo vesmíre sú rôzne, čo vedie k rôznym úrovniam teplotnej citlivosti a iným rozdiely.
  
• Antiferromagnetism: Táto trieda materiálov sa vyznačuje zvláštnou teplotnou citlivosťou. Nad danú teplotu sa nazýva Teplota Neelu alebo T_Nsa materiál správa podobne ako paramagnetický materiál. Jedným príkladom takého materiálu je hematit. Tieto materiály sú tiež kryštály, ale ako už vyplýva z ich názvu, mriežky sú usporiadané takým spôsobom že magnetické dipólové interakcie sa úplne rušia, keď nie je žiadne vonkajšie magnetické pole prítomný.