Magnetizem: opredelitev, vrste, lastnosti in kako delujejo (z primeri)

Magneti. Imate jih na hladilniku, z njimi ste se igrali že kot otrok, v roki ste celo držali kompas, ko je igla kompasa kazala na magnetni severni pol Zemlje. Kako pa delujejo? Kaj je ta pojav magnetizma?

Magnetizem je en vidik temeljne elektromagnetne sile. Opisuje pojave in sile, povezane z magneti ali magnetnimi predmeti.

Vsa magnetna polja nastanejo s premikanjem naboja ali spreminjanjem električnih polj. Zato pojave elektrike in magnetizma skupaj imenujemo elektromagnetizem. Res so eno in isto!

V vseh materialih atomi vsebujejo elektrone in ti elektroni tvorijo oblak okoli atomskega jedra in s svojim celotnim gibanjem ustvarijo miniaturni magnetni dipol. V večini materialov pa naključna porazdelitev usmeritev teh mini magnetov povzroči, da se polja izbrišejo. Izjema so feromagnetni materiali.

Številni materiali kažejo magnetne pojave, vključno z železom, manganom, magnetitom in kobaltom. Ti lahko obstajajo kot trajni magneti ali pa so paramagnetni (to pomeni, da jih privlačijo magnetni materiali, vendar sami ne zadržijo trajnega magnetizma). Elektromagneti nastajajo s prepuščanjem električnega toka skozi žico, navito okoli materiala, kot je železo (ali v kateri koli situaciji, v kateri se premika električni naboj).

Magnetni materiali se lahko privlačijo ali odbijajo, odvisno od tega, kateri deli teh materialov so združeni.

Tako kot pri električni sili in gravitacijski sili tudi predmeti, ki drug na drugega delujejo z magnetnimi silami, ustvarijo polje okoli sebe. Magnetni drog, na primer, ustvari magnetno polje v prostoru okoli sebe, zaradi česar kateri koli drugi magneti ali feromagnetni materiali, vneseni v to polje, začutijo silo.

Eden od načinov za vizualizacijo magnetnega polja je uporaba železnih opilkov. Železne opilke so majhni koščki železa, ki se ob posipanju okoli magneta poravnajo z zunanjimi linijami magnetnega polja, kar vam omogoča njihovo vizualizacijo.

Enota SI, povezana z jakostjo magnetnega polja, je tesla.

Druga pogosta enota, povezana z jakostjo magnetnega polja, je gauss.

1 Gauss = 1 G = 10^-4 T

Obstaja veliko različnih vrst magnetizma:

​Paramagnetizemopisuje nekatere materiale, ki jih magneti morda slabo privlačijo, vendar sami ne zadržijo stalnega magnetnega polja. V prisotnosti zunanjega polja bodo tvorila notranja, inducirana magnetna polja, ki se poravnajo. To lahko povzroči začasno ojačanje magnetnega polja na splošno. Obstaja veliko različnih vrst paramagnetnih materialov, tudi nekateri dragi kamni.

​Diamagnetizemje lastnost, ki jo kažejo vsi materiali, vendar je običajno najbolj očitna pri materialih, za katere mislimo, da so nemagnetni. Magnetna polja zelo slabo odbijajo diamagnetne materiale. Pri stalnih magnetih in paramagnetnih materialih so učinki diamagnetizma zanemarljivi.

​Elektromagnetizemse pojavi, ko gre električni tok skozi žico. Ta žica je lahko navita okoli železne palice, da okrepi učinek, saj bo železo ustvarilo lastno magnetno polje, ki se poravna z zunanjim poljem. Ta oblika magnetizma je neposredna posledica dejstva, da gibanje elektronov ustvarja magnetno polje. (Spet sta elektrika in magnetizem dve plati iste temeljne fizikalne lastnosti!)

​Feromagnetizemopisuje, kako določeni materiali - imenovani feromagnetni materiali - tvorijo trajne magnete, o čemer podrobneje govori v naslednjem poglavju.

Materiali, ki jih magneti močno privlačijo, se imenujejo feromagnetni. Železo je najpogostejši material te vrste. (Ni presenetljivo, ker je latinska predponaferro- pomeni "železo.")

Feromagnetni materiali imajo tako imenovane magnetne domene; se pravi regije v njih, ki so podobne magnetom, vendar so usmerjene v različne smeri, tako da celotni učinek izgine in na splošno ne delujejo kot magneti. Če pa so ti materiali postavljeni v magnetna polja, lahko to povzroči poravnavo domen da so vsi poravnani v isto smer in zato postanejo (pogosto začasno) kot magneti sami.

Med feromagnetne materiale spadajo lodestone, železo, nikelj, kobalt in različni materiali redkih zemelj, vključno z neodimom.

Magnetni drog je pravokotna ali valjasta palica magnetnega materiala. Konca magnetnega droga sta severni in južni pol. To sta dve vrsti magnetnih polov in medsebojno vplivata z magnetno silo na podoben način, kot pozitivni in negativni naboji medsebojno delujejo z električno silo.

Bar magneti so magnetni dipoli. Imajo nasprotne polove, ločene z razdaljo, podobno kot električni dipol. Glavna razlika pa je v tem, da z magneti ne morete imeti monopola (izoliranega pola), kot bi ga imeli z naboji. Magnet vedno obstaja kot dipol in nikoli kot severni pol sam ali kot južni pol sam po sebi. (Če prečni magnet prerežete na polovico in poskušate ločiti polove, boste preprosto dobili dva manjša dipolarna magneta!)

Kot verjetno veste, ima Zemlja magnetno polje. To ljudem omogoča, da s kompasi določijo, v katero smer so obrnjeni glede na polove. Magnetni kompas je sestavljen iz majhnega magneta, ki se lahko prosto giblje in poravna s katerim koli zunanjim poljem. Rdeči konec igle kompasa je usmerjen proti severu. Zemeljsko magnetno polje deluje kot velikanski magnet s palicami. Ta namišljeni magnet s palicami je usmerjen tako, da je severni konec magneta na južnem polu Zemlje, južni konec magneta pa na severnem polu Zemlje.

Tudi magnetno polje Zemlje v večini krajev ni vzporedno s površino Zemlje. Deklinacijo magnetnega polja Zemlje lahko določite s pomočjo potapljaške igle. Iglo najprej usmerite vodoravno in jo poravnajte z Zemljinim magnetnim severom. Nato ga obrnite navpično in upoštevajte kot padca. Kot je večji, bližje ste polovom.

Zemeljsko magnetno polje ustvarja območje vesolja, ki obdaja planet, imenovano magnetosfera. Magnetosfera je v bistvu videti kot magnetno polje zelo velikega paličnega magneta, poravnanega blizu Zemljine osi, čeprav se lahko magnetosfera deformira, ko deluje v napolnjenih delcih.

Magnetosfera nas varuje pred sončnim vetrom, ki vsebuje nabite delce. Interakcije med temi delci in linijami magnetnega polja povzročajo polarne svetlobe.

Pojav magnetizma se uporablja v najrazličnejših vsakdanjih aplikacijah.

Pojav elektromagnetizma nam omogoča pretvorbo mehanske energije v električno energijo v električnih generatorjih. Električni generatorji uporabljajo mehanska sredstva za obračanje turbine (piha veter ali tekoča voda), ki spremeni magnetno polje glede na žične tuljave in povzroči tok.

Elektromotorji so v bistvu nasprotni električnim generatorjem in za pretvorbo uporabljajo elektromagnetizem električna energija v mehansko energijo, ne glede na to, ali gre za električni vrtalnik, mešalnik ali elektriko vozilo.

Industrijski elektromagneti so velikanski magneti z zelo močnimi magnetnimi polji, ki jim omogočajo pobiranje starih vozil na smetišču.

Naprave za magnetno resonanco uporabljajo močna magnetna polja za ustvarjanje slik vaše notranjosti in omogočajo zdravnikom, da diagnosticirajo celo vrsto zdravstvenih stanj.