Hur formas magneter?

Nästan alla är bekanta med en basmagnet och vad den gör eller kan göra. Ett litet barn, om ett givet ögonblick av lek och rätt blandning av material, skulle snabbt känna igen det sorters saker (som barnet senare kommer att identifiera som metaller) dras mot magneten medan andra inte påverkas av den. Och om barnet får mer än en magnet att leka med kommer experimenten snabbt att bli ännu mer intressanta.

Magnetism är ett ord som omfattar ett antal kända interaktioner i den fysiska världen som inte är synliga för det mänskliga ögat utan hjälp. De två grundläggande typerna av magneter är ferromagneter, som skapar permanenta magnetfält runt sig själva, och elektromagneter, vilka är material i vilka magnetism kan tillfälligt induceras när de placeras i ett elektriskt fält, såsom det som genereras av en spole med strömförande tråd.

Om någon ber dig Jeopardyfråga om stil "En magnet består av vilket material?" då kan du vara säker på att det inte finns något enda svar - och beväpnat med informationen till hands kommer du till och med att kunna förklara för din frågare alla användbara detaljer, inklusive hur en magnet är bildas.

Som med så mycket inom fysik - till exempel tyngdkraft, ljud och ljus - har magnetism alltid "funnits", men mänsklighetens förmåga att beskriva det och göra förutsägelser om det baserat på experiment och de resulterande modellerna och ramarna har utvecklats genom hela århundraden. En hel gren av fysik har vuxit upp kring de relaterade begreppen el och magnetism, vanligtvis kallad elektromagnetik.

Forntida kulturer var medvetna om att magnetit, en sällsynt typ av det järn- och syreinnehållande mineralmagnetiten (kemisk formel: Fe₃O₄), kunde locka metallbitar. Vid 1100-talet hade kineserna fått veta att en sådan sten som råkar vara lång och tunn skulle orientera sig längs en nord-sydaxel om den hängde i luft och banade väg för kompass.

Europeiska resande som använde kompassen märkte att riktningen som indikerade norr varierade något under transatlantiska resor. Detta ledde till insikten att jorden i själva verket är en massiv magnet, med "magnetisk norr" och "sann norr" som är något annorlunda och olika genom olika mängder över hela världen. (Detsamma gäller sant och magnetiskt söder.)

Ett begränsat antal material, inklusive järn, kobolt, nickel och gadolinium, uppvisar starka magnetiska effekter på egen hand. Alla magnetfält beror på att elektriska laddningar rör sig relativt varandra. Induktionen av magnetism i en elektromagnet genom att placera den nära en spole med strömbärande tråd har varit nämnts, men även ferromagneter har magnetism endast på grund av små strömmar som alstras vid atomen nivå.

Om en permanent magnet förs nära ett ferromagnetiskt material, komponenterna i enskilda atomer av järn, kobolt eller vad som helst materialet är i linje med de imaginära påverkningslinjerna för magneten som fläcker ut från dess nord- och sydpoler, kallad magnetisk fält. Om ämnet värms och kyls kan magnetiseringen göras permanent, även om den också kan ske spontant; denna magnetisering kan vändas genom extrem värme eller fysisk störning.

Det finns ingen magnetisk monopol. det vill säga det finns inget sådant som en "punktmagnet", som sker med punktladdningar. Istället har magneter magnetiska dipoler, och deras magnetfältlinjer kommer från den nordliga magnetpolen och fläktar utåt innan de återvänder till sydpolen. Kom ihåg att dessa "linjer" bara är verktyg som används för att beskriva beteendet hos atomer och partiklar!

Som framhållits tidigare produceras magnetfält med strömmar. I permanentmagneter produceras små strömmar av elektronernas två rörelsetyper i dessa magneter atomer: Deras bana kring atomens centrala proton och deras rotation, eller snurra.

I de flesta material, det lilla magnetiska ögonblick skapad av rörelsen hos de enskilda elektronerna i en given atom, avbryter varandra. När de inte gör det fungerar själva atomen som en liten magnet. I ferromagnetiska material upphävs inte bara de magnetiska ögonblicken utan de inriktar sig också i samma riktning och förskjutas så att de är inriktade i samma riktning som linjerna för en applicerad extern magnet fält.

Vissa material har atomer som beter sig på ett sådant sätt att de magnetiseras i varierande grad av ett applicerat magnetfält. (Kom ihåg att du inte alltid behöver en magnet för att ett magnetfält ska vara närvarande; en tillräckligt stor elektrisk ström kommer att göra susen.) Som du ser vill vissa av dessa material inte ha någon bestående del av magnetism, medan andra beter sig på ett mer sorgligt sätt.

En lista över magnetiska material som bara anger namnen på metaller som uppvisar magnetism skulle inte vara nästan lika användbar som en lista över magnetiska material ordnade efter beteendet hos deras magnetfält och hur saker fungerar i mikroskopet nivå. Ett sådant klassificeringssystem existerar och det separerar magnetiskt beteende i fem typer.

• Diamagnetism: De flesta material uppvisar denna egenskap, där de magnetiska momenten hos atomer placerade i ett externt magnetfält inriktar sig i en riktning motsatt den för det applicerade fältet. Följaktligen motsätter det resulterande magnetfältet det applicerade fältet. Detta "reaktiva" fält är dock mycket svagt. Eftersom material med denna egenskap inte är magnetiska i någon meningsfull mening är magnetismens styrka inte beroende av temperaturen.
  
• Paramagnetism: Material med denna egenskap, såsom aluminium, har enskilda atomer med positiva nettodipolmoment. Dipolmomenten hos angränsande atomer avbryter dock vanligtvis varandra och lämnar materialet som helhet omagnetiserat. När ett magnetfält appliceras, snarare än att motsätta fältet direkt, magnetiska dipoler av atomerna inriktar sig ofullständigt med det applicerade fältet, vilket resulterar i en svagt magnetiserad material.
  
• Ferromagnetism: Material som järn, nickel och magnetit (lodsten) har denna potenta egenskap. Såsom redan berörts anpassar dipolmomenten hos angränsande atomer sig även i frånvaro av ett magnetfält. Deras interaktioner kan leda till att ett magnetfält av magnitud når 1000 tesla, eller T (SI-enheten med magnetfältstyrka; inte en kraft utan något liknande. Som jämförelse är jordens magnetfält 100 miljoner gånger svagare!
  
• Ferrimagnetism: Notera skillnaden mellan en enda vokal och den tidigare materialklassen. Dessa material är vanligtvis oxider, och deras unika magnetiska interaktioner härrör från det faktum att atomerna i dessa oxider är ordnade i en kristallgitterstruktur. Beteendet hos ferrimagnetiska material är mycket som ferromagnetiska material, men ordningen på magnetiska element i rymden är olika, vilket leder till olika nivåer av temperaturkänslighet och annat skillnader.
  
• Antiferromagnetism: Denna materialklass kännetecknas av en speciell temperaturkänslighet. Över en given temperatur, kallad Neel temperatur eller T_N, materialet beter sig som ett paramagnetiskt material. Ett exempel på ett sådant material är hematit. Dessa material är också kristaller, men som namnet antyder är gitteren organiserade på ett sådant sätt att de magnetiska dipolinteraktionerna helt avbryts när inget externt magnetfält finns närvarande.