Како настају магнети?

Готово сви су упознати са основним магнетом и оним што он чини или може. Мало дете би, ако му дате неколико тренутака игре и праву мешавину материјала, то брзо препознало врсте ствари (које ће дете касније препознати као метале) вуку се према магнету, док друге не утичу под тим. А ако се детету да више од једног магнета да се игра, експерименти ће брзо постати још занимљивији.

Магнетизам је реч која обухвата бројне познате интеракције у физичком свету које нису видљиве без помоћног људског ока. Две основне врсте магнета су феромагнети, који стварају трајна магнетна поља око себе, и електромагнети, који су материјали у којима се магнетизам може привремено изазвати када се ставе у електрично поље, какво је генерисано завојницом жице која носи струју.

Ако вас неко пита Опасностпитање у стилу "Од којег материјала се састоји магнет?" тада можете бити сигурни да не постоји јединствени одговор - и наоружани информације које су вам при руци, чак ћете и своме испитивачу моћи да објасните све корисне детаље, укључујући како је магнет формирана.

Као и у толикој мери у физици - на пример, гравитацији, звуку и светлости - магнетизам је увек био „ту“, али способност човечанства да опишите га и направите предвиђања о њему на основу експеримената и резултујући модели и оквири су напредовали током целог векова. Читава грана физике настала је око сродних концепата електрицитета и магнетизма, обично званих електромагнетика.

Древне културе су биле свесне да је лодестоне, ретка врста минералног магнетита који садржи гвожђе и кисеоник (хемијска формула: Фе₃О.₄), могао би привући комаде метала. До 11. века, Кинези су научили да ће се такав камен, који је случајно био дугачак и танак, оријентисати дуж осе север-југ ако се окачи у ваздуху, отварајући пут за компас.

Европски путници који су користили компас приметили су да се смер који показује север мало разликовао током трансатлантских путовања. То је довело до спознаје да је сама Земља у основи масивни магнет, с тим што су „магнетни север“ и „прави север“ мало различити и различити у различитим количинама широм света. (Исто се односи на прави и магнетни југ.)

Ограничени број материјала, укључујући гвожђе, кобалт, никл и гадолинијум, сами испољавају снажне магнетне ефекте. Сва магнетна поља настају услед електричног наелектрисања које се креће релативно једно према другом. Индукција магнетизма у електромагнету постављањем близу калема жице која носи струју је била поменути, али чак и феромагнети поседују магнетизам само због сићушних струја генерисаних у атому ниво.

Ако се трајни магнет приближи феромагнетном материјалу, компоненте појединих атома гвожђа, кобалта или било чега другог се поравна са замишљеним линијама утицаја магнета који се вијори са северног и јужног пола, званим магнетни поље. Ако се супстанца загреје и охлади, магнетизација се може учинити трајном, мада се може догодити и спонтано; ова магнетизација се може преокренути екстремном врућином или физичким поремећајима.

Не постоји магнетни монопол; то јест, не постоји таква ствар као што је „тачкасти магнет“, као што се дешава код тачкастих електричних наелектрисања. Уместо тога, магнети имају магнетне диполе, а њихове линије магнетног поља потичу од северног магнетног пола и лепезато се пре него што се врате на јужни пол. Запамтите, ове „линије“ су само алати који се користе за описивање понашања атома и честица!

Као што је претходно наглашено, магнетна поља производе струје. У сталним магнетима мале струје производе две врсте кретања електрона у тим атомима магнета: њихова орбита око централног протона атома и њихова ротација, или завртети.

У већини материјала је мало магнетни моменти створени кретањем појединачних електрона датог атома међусобно се поништавају. Кад то не учине, сам атом делује као сићушни магнет. У феромагнетним материјалима, магнетни моменти не само да се не искључују, већ се и поравнавају у у истом смеру и померите се тако да буду поравнати у истом смеру као и линије примењеног спољног магнетног поља поље.

Неки материјали имају атоме који се понашају тако да омогућавају примену магнетног поља у различитом степену. (Запамтите, није вам увек потребан магнет да би магнетно поље било присутно; довољно велика електрична струја ће учинити трик.) Као што ћете видети, неки од ових материјала не желе трајни део магнетизма, док се други понашају паметније.

Списак магнетних материјала који даје само имена метала који показују магнетизам не би био ни приближно толико користан као а списак магнетних материјала поређаних према понашању њихових магнетних поља и начину на који ствари делују микроскопски ниво. Такав систем класификације постоји и он раздваја магнетно понашање у пет врста.

• Дијамагнетизам: Већина материјала показује ово својство, у којем се магнетни моменти атома смештених у спољно магнетно поље поравнају у смеру супротном од примењеног поља. Сходно томе, резултујуће магнетно поље супротставља се примењеном пољу. Ово „реактивно“ поље је, међутим, врло слабо. Будући да материјали са овим својством нису магнетни у било ком значајном смислу, јачина магнетизма не зависи од температуре.
  
• Парамагнетизам: Материјали са овим својствима, попут алуминијума, имају појединачне атоме са позитивним нето диполним моментима. Диполни моменти суседних атома, међутим, обично се међусобно поништавају, остављајући материјал у целини немагнетизован. Када се примени магнетно поље, уместо да се директно супротстави пољу, магнетни диполи од атоми се непотпуно поравнају са примењеним пољем, што резултира слабо намагнетисаношћу материјал.
  
• Феромагнетизам: Материјали попут гвожђа, никла и магнетита (лодестоне) имају ово моћно својство. Као што смо већ додирнули, диполни моменти суседних атома се поравнавају чак и у одсуству магнетног поља. Њихове интеракције могу резултирати магнетним пољем магнитуда које достижу 1.000 тесла, или Т (СИ јединица јачине магнетног поља; не сила већ нешто слично). Поређења ради, магнетно поље саме Земље је 100 милиона пута слабије!
  
• Ферримагнетизам: Обратите пажњу на разлику појединог самогласника у односу на претходну класу материјала. Ови материјали су обично оксиди, а њихове јединствене магнетне интеракције потичу из чињенице да су атоми у тим оксидима распоређени у структури кристалне „решетке“. Понашање ферримагнетских материјала је врло слично понашању феромагнетних материјала, али је поредак магнетни елементи у свемиру су различити, што доводи до различитих нивоа осетљивости на температуру и друго разлике.
  
• Антиферромагнетизам: Ову класу материјала одликује особита температурна осетљивост. Изнад дате температуре, која се назива Температура неел-а или Т._Н., материјал се понаша слично парамагнетном материјалу. Један пример таквог материјала је хематит. Ови материјали су такође кристали, али како им само име говори, решетке су организоване на такав начин да се интеракције магнетних дипола потпуно поништавају када нема спољног магнетног поља поклон.