Магнетизам: дефиниција, врсте, својства и како функционишу (са примерима)

Магнети. Имате их у фрижидеру, играли сте се с њима као дете, чак сте и држали компас у руци док је игла компаса указивала на магнетни северни пол Земље. Али како раде? Шта је овај феномен магнетизма?

Магнетизам је један од аспеката основне електромагнетне силе. Описује појаве и силе повезане са магнетима или магнетним објектима.

Сва магнетна поља настају померањем наелектрисања или променом електричних поља. Због тога се појаве електрицитета и магнетизма заједнички називају електромагнетизмом. Они су заиста једно те исто!

Унутар свих материјала, атоми садрже електроне и ти електрони чине облак око атомског језгра, својим укупним кретањем стварајући минијатурни магнетни дипол. У већини материјала, међутим, случајна расподела оријентација ових мини-магнета доводи до поништавања поља. Ферромагнетски материјали су изузетак.

Многи материјали показују магнетне појаве, укључујући гвожђе, манган, магнетит и кобалт. Они могу постојати као трајни магнети или могу бити парамагнетни (то јест, привлаче их магнетни материјали, али сами не задржавају трајни магнетизам). Електромагнети се стварају пропуштањем електричне струје кроз жицу намотану око материјала као што је гвожђе (или у било којој ситуацији у којој се креће електрични набој).

Магнетни материјали могу или да се привлаче или да се одбијају, у зависности од тога који се делови тих материјала спајају.

Баш као и код електричне силе и гравитационе силе, и предмети који међусобно врше магнетне силе генеришу поље око себе. На пример, шипкасти магнет ствара магнетно поље у простору око себе, узрокујући да било који други магнети или феромагнетни материјали унети у то поље осете силу као резултат.

Један од начина визуелизације магнетног поља је употреба гвоздених опиљака. Опиљци од гвожђа су мали комади гвожђа који ће се, када се посипају око магнета, поравнати са спољним линијама магнетног поља, што вам омогућава да их визуализујете.

СИ јединица повезана са јачином магнетног поља је тесла.

Још једна уобичајена јединица повезана са јачином магнетног поља је Гаусс.

1 Гаусс = 1 Г = 10^-4 Т.

Постоји много различитих врста магнетизма:

​Парамагнетизамописује одређене материјале које магнети можда слабо привлаче, али који сами не задржавају трајно магнетно поље. У присуству спољног поља, они ће формирати унутрашња, индукована магнетна поља која се поравнавају. То може резултирати привременим појачавањем магнетног поља у целини. Постоји много различитих врста парамагнетних материјала, чак и неки од драгог камења.

​Дијамагнетизамје својство које показују сви материјали, али што је обично најочигледније у материјалима за које мислимо да су немагнетни. Магнетна поља дијамагнетне материјале врло слабо одбијају. У сталним магнетима и парамагнетним материјалима ефекти дијамагнетизма су занемарљиви.

​Електромагнетизамнастаје када се електрична струја пролази кроз жицу. Та жица може бити намотана око гвоздене шипке да би појачала ефекат јер ће гвожђе створити сопствено магнетно поље које се поравнава са спољним пољем. Овај облик магнетизма је директан резултат чињенице да кретање електрона ствара магнетно поље. (Опет, електрицитет и магнетизам су две стране истог основног физичког својства!)

​Феромагнетизамописује како одређени материјали - названи феромагнетни материјали - формирају трајне магнете, о чему се детаљније говори у следећем одељку.

Материјали које магнетима јако привлаче називају се феромагнетним. Гвожђе је најчешћи материјал ове врсте. (Није изненађујуће с обзиром на латински префиксферро- значи „гвожђе“.)

Ферромагнетски материјали имају оно што се назива магнетним доменима; то јест региони у њима који су попут магнета, али оријентисани у различитим правцима тако да се укупни ефекат поништава и они се углавном не понашају попут магнета. Међутим, ако су ови материјали смештени у магнетна поља, то може проузроковати поравнање домена да су сви поравнати у истом смеру и отуда постају (често привремено) попут магнета себе.

Феромагнетски материјали укључују лодестоне, гвожђе, никал, кобалт и разне ретке земље, укључујући неодим.

Шипкасти магнет је правоугаона или цилиндрична шипка од магнетног материјала. Крајеви шипкастог магнета су северни и јужни пол. То су две врсте магнетних полова и они међусобно делују преко магнетне силе на начин сличан ономе како позитивни и негативни наелектрисања делују преко електричне силе.

Шипкасти магнети су магнетни диполи. Имају супротне полове раздвојене растојањем, слично електричном диполу. Међутим, једна од основних разлика је у томе што код магнета не можете имати монопол (изоловани пол) као код наелектрисања. Магнет увек постоји као дипол, а никада као северни пол сам по себи или као јужни пол. (Ако пресечете шипкасти магнет на пола да бисте покушали да одвојите полове, једноставно ћете добити два мања диполарна магнета!)

Као што вероватно знате, Земља има магнетно поље. Ово омогућава људима да помоћу компаса одреде у ком правцу су окренути у односу на полове. Магнетни компас се састоји од малог магнета који се може слободно кретати и поравнати са било којим спољним пољем. Црвени крај игле компаса показује према северу. Земљино магнетно поље делује као џиновски магнет шипке. Овај замишљени шипкасти магнет је оријентисан тако да је северни крај магнета на јужном полу Земље, а јужни крај магнета на северном полу Земље.

Земљино магнетно поље такође у већини места није паралелно са површином Земље. Можете да одредите деклинацију Земљиног магнетног поља помоћу потапајуће игле. Прво усмерите иглу водоравно и поравнајте је са Земљиним магнетним севером. Затим га окрените вертикално и посматрајте угао зарона. Угао је већи што сте ближе половима.

Земљино магнетно поље ствара простор свемира који окружује планету који се назива магнетосфера. Магнетосфера у основи изгледа као магнетно поље врло великог шипкастог магнета поравнатог близу Земљине осе, мада се магнетосфера може деформисати у интеракцији са наелектрисаним честицама.

Магнетосфера нас штити од сунчевог ветра који садржи наелектрисане честице. Интеракције између ових честица и линија магнетног поља су оно што доводи до поларних светлости.

Феномен магнетизма користи се у свим врстама свакодневних примена.

Феномен електромагнетизма омогућава нам да механичку енергију претворимо у електричну у електричним генераторима. Електрични генератори користе механичка средства за окретање турбине (дување ветра или текуће воде) која мења магнетно поље у односу на жичане завојнице, индукујући струју.

Електромотори су у суштини супротни електричним генераторима, користећи електромагнетизам за претварање електрична енергија у механичку енергију, било да се ради о покретању бушилице, миксера или електричне возило.

Индустријски електромагнети су џиновски магнети са врло јаким магнетним пољима који им омогућавају да покупе стара возила на отпаду.

МРИ апарати користе јака магнетна поља да би створили слике ваше унутрашњости и омогућили лекарима да дијагностикују читав низ здравствених стања.