Kako nastajajo magneti?

Skoraj vsi poznajo osnovni magnet in kaj počne ali zmore. Majhen otrok bi, če bi dal nekaj trenutkov igre in pravo mešanico materialov, to hitro ugotovil vrste stvari (ki jih bo otrok kasneje opredelil kot kovine) se vlečejo proti magnetu, druge pa ne vplivajo s tem. In če dobi otrok več kot en magnet, s katerim se bo igral, bodo poskusi hitro postali še bolj zanimivi.

Magnetizem je beseda, ki zajema številne znane interakcije v fizičnem svetu, ki jih človeško oko ne vidi. Dve osnovni vrsti magnetov sta feromagneti, ki ustvarjajo trajna magnetna polja okoli sebe, in elektromagneti, ki so materiali, pri katerih je mogoče začasno povzročiti magnetizem, ko jih postavimo v električno polje, kakršno tvori tuljava tokovne žice.

Če vas kdo vpraša Nevarnostvprašanje v slogu "Iz katerega materiala je sestavljen magnet?" potem ste lahko prepričani, da ni enotnega odgovora - in oboroženi z informacije, ki so na voljo, boste vprašalniku lahko celo razložili vse koristne podrobnosti, vključno s tem, kako magnet oblikovan.

Kot pri toliko v fiziki - na primer gravitacija, zvok in svetloba - je magnetizem že od nekdaj "prisoten", toda sposobnost človeštva, da ga opisujte in na podlagi poskusov dajte napovedi o tem ter nastali modeli in okviri napredujejo skozi stoletja. Celotna veja fizike je nastala okoli sorodnih konceptov elektrike in magnetizma, ki jih običajno imenujemo elektromagnetika.

Starodavne kulture so se zavedale, da lodestone, redka vrsta mineralnega magnetita, ki vsebuje železo in kisik (kemična formula: Fe₃O₄), bi lahko pritegnili kovinske koščke. Do 11. stoletja so Kitajci izvedeli, da se tak kamen, ki je bil dolg in tanek, orientira vzdolž osi sever-jug, če ga obesimo v zrak, kar utira pot kompas.

Evropski potniki, ki so uporabljali kompas, so opazili, da se smer, ki kaže na sever, med čezatlantskimi potovanji nekoliko spreminja. To je privedlo do spoznanja, da je Zemlja sama v bistvu masiven magnet, pri čemer se "magnetni sever" in "pravi sever" nekoliko razlikujeta in razlikujeta po različnih količinah po vsem svetu. (Enako velja za pravi in ​​magnetni jug.)

Omejeno število materialov, vključno z železom, kobaltom, nikljem in gadolinijem, samo po sebi kaže močne magnetne učinke. Vsa magnetna polja so posledica električnih nabojev, ki se premikajo drug proti drugemu. Indukcija magnetizma v elektromagnetu z namestitvijo blizu tuljave tokovne žice je bila omenjeni, toda tudi feromagneti imajo magnetizem le zaradi majhnih tokov, ki nastanejo pri atomih ravni.

Če se trajni magnet približa feromagnetnemu materialu, se komponente posameznih atomov železa, kobalta ali katerega koli drugega materiala se poravna z namišljenimi vplivnimi črtami magneta, ki se razpira iz severnega in južnega pola, imenovanimi magnetni polje. Če snov segrejemo in ohladimo, lahko namagnetenje postane trajno, čeprav se lahko zgodi tudi spontano; to magnetizacijo lahko obrnemo s skrajno toploto ali fizičnimi motnjami.

Magnetni monopol ne obstaja; to pomeni, da ni "točkovnega magneta", kot se dogaja pri točkovnih električnih nabojih. Namesto tega imajo magneti magnetne dipole, njihove linije magnetnega polja pa izvirajo na severnem magnetnem polu in se razpršijo navzven, preden se vrnejo na južni pol. Ne pozabite, da so te "vrstice" le orodja, ki se uporabljajo za opis vedenja atomov in delcev!

Kot smo že poudarili, magnetna polja proizvajajo tokovi. V stalnih magnetih drobne tokove ustvarjata dve vrsti gibanja elektronov v teh atomih magnetov: njihova orbita okoli osrednjega protona atoma in njihova rotacija oz. vrtenje.

V večini materialov je majhna magnetni momenti ki jih ustvarja gibanje posameznih elektronov danega atoma, se medsebojno izničijo. Kadar pa ne, atom sam deluje kot majhen magnet. V feromagnetnih materialih se magnetni momenti ne samo ne izničijo, temveč se tudi poravnajo v v isti smeri in premaknite tako, da se poravna v isti smeri kot črte uporabljenega zunanjega magnetnega polja polje.

Nekateri materiali imajo atome, ki se obnašajo tako, da omogočajo, da jih v različni meri magnetizira uporabljeno magnetno polje. (Ne pozabite, da za prisotnost magnetnega polja ne potrebujete vedno magneta; dovolj velik električni tok bo naredil trik.) Kot boste videli, nekateri od teh materialov ne potrebujejo trajnega dela magnetizma, drugi pa se obnašajo bolj premišljeno.

Seznam magnetnih materialov, ki vsebuje samo imena kovin, ki kažejo magnetizem, ne bi bil tako koristen kot a seznam magnetnih materialov, razvrščenih glede na obnašanje njihovih magnetnih polj in kako stvari delujejo mikroskopsko ravni. Tak sistem klasifikacije obstaja in magnetno vedenje ločuje na pet vrst.

• Diamagnetizem: Večina materialov kaže to lastnost, pri kateri se magnetni momenti atomov, nameščenih v zunanjem magnetnem polju, poravnajo v smeri, ki je nasprotna od uporabljenega polja. Skladno s tem nastalo magnetno polje nasprotuje uporabljenemu polju. To "reaktivno" polje pa je zelo šibko. Ker materiali s to lastnostjo v nobenem pomembnem smislu niso magnetni, jakost magnetizma ni odvisna od temperature.
  
• Paramagnetizem: Materiali s to lastnostjo, na primer aluminij, imajo posamezne atome s pozitivnimi neto dipolnimi momenti. Dipolni momenti sosednjih atomov pa se običajno medsebojno izničijo, material kot celota pa ostane nemagnetiziran. Ko uporabimo magnetno polje, namesto da bi mu popolnoma nasprotovali, magnetni dipoli atomi se nepopolno poravnajo z uporabljenim poljem, kar ima za posledico šibko namagnetenost material.
  
• Feromagnetizem: Materiali, kot so železo, nikelj in magnetit (lodestone), imajo to močno lastnost. Kot smo že omenili, se dipolni momenti sosednjih atomov poravnajo tudi v odsotnosti magnetnega polja. Njihove interakcije lahko privedejo do magnetnega polja z velikostjo 1000 tesla, ali T (SI enota jakosti magnetnega polja; ne sila, ampak nekaj takega). Za primerjavo, magnetno polje same Zemlje je 100 milijonov krat šibkejše!
  
• Ferrimagnetizem: Upoštevajte razliko enega samoglasnika od prejšnjega razreda materialov. Ti materiali so običajno oksidi, njihove edinstvene magnetne interakcije pa izvirajo iz dejstva, da so atomi v teh oksidih razporejeni v kristalno "mrežno" strukturo. Obnašanje ferrmagnetnih materialov je zelo podobno vedenju feromagnetnih materialov, vendar je urejanje magnetni elementi v vesolju so različni, kar vodi do različnih ravni temperaturne občutljivosti in drugega razlikovanja.
  
• Antiferromagnetizem: Za ta razred materialov je značilna posebna temperaturna občutljivost. Nad dano temperaturo, imenovano Temperatura neel ali T_N, material se obnaša podobno kot paramagnetni material. Primer takega materiala je hematit. Ti materiali so tudi kristali, a kot že ime pove, so rešetke organizirane tako da interakcije magnetnega dipola popolnoma odpadejo, kadar ni zunanjega magnetnega polja prisoten.