Як утворюються магніти?

Майже кожному знайомий основний магніт і те, що він робить, або може робити. Маленька дитина, якби кілька хвилин гри та правильна суміш матеріалів швидко зрозуміла б це різні речі (які дитина пізніше визначить як метали) тягнуться до магніту, тоді як інші не зазнають впливу ним. І якщо дитині дати більше одного магніту для гри, експерименти швидко стануть ще цікавішими.

Магнетизм - це слово, що охоплює низку відомих взаємодій у фізичному світі, які не видно неозброєним людським оком. Два основних типи магнітів: феромагнетики, які створюють постійні магнітні поля навколо себе, і електромагніти, які є матеріалами, в яких магнетизм може бути тимчасово індукований, коли вони розміщені в електричному полі, наприклад, утвореному котушкою струмопровідного дроту.

Якщо хтось запитає вас Загрозазапитання в стилі "З якого матеріалу складається магніт?" тоді ви можете бути впевнені, що єдиної відповіді немає - і озброєні отриману інформацію, ви навіть зможете пояснити допитувачеві всі корисні деталі, зокрема, як магніт сформований.

Як і у багатьох випадках у фізиці - наприклад, гравітації, звуку та світлі - магнетизм завжди був "там", але здатність людства описувати його та робити прогнози щодо нього на основі експериментів, а отримані моделі та рамки прогресували протягом усього століть. Ціла галузь фізики виникла навколо суміжних понять електрики та магнетизму, які зазвичай називають електромагнетиками.

Стародавні культури усвідомлювали, що лодестон, рідкісний тип залізо-кисневмісного мінерального магнетиту (хімічна формула: Fe₃О₄), може залучати шматки металу. До 11 століття китайці дізналися, що такий камінь, який виявився довгим і тонким, буде орієнтуватися вздовж осі північ-південь, якщо його підвісити в повітрі, прокладаючи шлях до компас.

Європейські мандрівники, що користуються компасом, помітили, що напрямок, що вказує на північ, дещо змінювався протягом трансатлантичних подорожей. Це призвело до усвідомлення того, що сама Земля по суті є масивним магнітом, причому "магнітний північ" і "справжній північ" дещо відрізняються і відрізняються різною кількістю по всьому світу. (Те саме стосується справжнього та магнітного півдня.)

Обмежена кількість матеріалів, включаючи залізо, кобальт, нікель та гадоліній, проявляють сильні магнітні ефекти самі по собі. Всі магнітні поля виникають внаслідок електричних зарядів, що рухаються відносно один одного. Індукція магнетизму в електромагніті шляхом його розміщення поблизу котушки струмопровідного дроту була згаданий, але навіть феромагнетики володіють магнетизмом лише завдяки крихітним струмам, що генеруються в атомі рівень.

Якщо постійний магніт наблизити до феромагнітного матеріалу, компоненти окремих атомів заліза, кобальту або будь-якого іншого матеріалу приєднуються до уявних ліній впливу магніту, що роздувається від його північного та південного полюсів, що називається магнітним поле. Якщо речовину нагріти та охолодити, намагнічування можна зробити постійним, хоча це може відбуватися і спонтанно; це намагнічування може бути скасовано внаслідок надзвичайної спеки або фізичних порушень.

Не існує магнітного монополя; тобто не існує такого поняття, як «точковий магніт», як це відбувається з точковими електричними зарядами. Натомість магніти мають магнітні диполі, і їхні лінії магнітного поля беруть початок на північному магнітному полюсі і роздуваються назовні, перш ніж повернутися на південний полюс. Пам’ятайте, ці «лінії» - це лише інструменти, що використовуються для опису поведінки атомів і частинок!

Як підкреслювалося раніше, магнітні поля створюються струмами. У постійних магнітах крихітні струми утворюються двома типами руху електронів в цих атомах магнітів: їх орбіта навколо центрального протона атома та їх обертання, або обертатися.

У більшості матеріалів малі магнітні моменти створені рухом окремих електронів даного атома, виключають один одного. Коли вони цього не роблять, сам атом діє як крихітний магніт. У феромагнітних матеріалах магнітні моменти не тільки не припиняються, але вони також вирівнюються в межах в тому ж напрямку, і зсунути так, щоб бути вирівняними в тому ж напрямку, що і лінії прикладеного зовнішнього магніту поле.

Деякі матеріали мають атоми, які поводяться таким чином, що дозволяють намагнічувати їх у різному ступені за допомогою прикладеного магнітного поля. (Пам’ятайте, вам не завжди потрібен магніт для присутності магнітного поля; досить значний електричний струм зробить трюк.) Як ви побачите, деякі з цих матеріалів не потребують тривалої частини магнетизму, тоді як інші поводяться більш задумливо.

Список магнітних матеріалів, що містить лише назви металів, що проявляють магнетизм, був би не настільки корисним, як перелік магнітних матеріалів, упорядкованих за поведінкою їх магнітних полів та за тим, як все працює при мікроскопічному рівень. Така система класифікації існує, і вона розділяє магнітну поведінку на п’ять типів.

• Діамагнетизм: Більшість матеріалів проявляють цю властивість, коли магнітні моменти атомів, розміщені у зовнішньому магнітному полі, вирівнюються в напрямку, протилежному напряму, що застосовується. Відповідно, отримане магнітне поле протистоїть прикладеному. Однак це "реактивне" поле дуже слабке. Оскільки матеріали з цією властивістю не є магнітними у будь-якому значущому сенсі, сила магнетизму не залежить від температури.
  
• Парамагнетизм: Матеріали з цією властивістю, такі як алюміній, мають окремі атоми з позитивними чистими дипольними моментами. Однак дипольні моменти сусідніх атомів зазвичай виключають один одного, залишаючи матеріал в цілому ненамагніченим. Коли застосовується магнітне поле, замість того, щоб прямо протистояти полю, магнітні диполі атоми неповно вирівнюються з прикладеним полем, в результаті чого слабо намагнічується матеріал.
  
• Феромагнетизм: Такі потужні властивості мають такі заліза, нікелю та магнетиту (лодестон). Як уже зазначалося, дипольні моменти сусідніх атомів вирівнюються навіть за відсутності магнітного поля. В результаті їх взаємодії магнітне поле може досягати 1000 тесла, або Т (одиниця напруженості магнітного поля СІ; не сила, а щось подібне). Для порівняння, магнітне поле самої Землі слабше в 100 мільйонів разів!
  
• Ферримагнетизм: Зверніть увагу на відмінність одного голосного від попереднього класу матеріалів. Ці матеріали, як правило, є оксидами, і їх унікальна магнітна взаємодія випливає з того, що атоми в цих оксидах розташовані в кристалічній "гратчастій" структурі. Поведінка ферримагнітних матеріалів дуже нагадує поведінку феромагнітних матеріалів, але впорядкування Магнітні елементи в просторі різні, що призводить до різного рівня температурної чутливості та ін відмінності.
  
• Антиферромагнетизм: Цей клас матеріалів характеризується особливою чутливістю до температури. Вище заданої температури, що називається Температура нілу або Т_N, матеріал поводиться приблизно як парамагнітний матеріал. Одним із прикладів такого матеріалу є гематит. Ці матеріали також є кристалами, але, як випливає з назви, решітки організовані таким чином що магнітні дипольні взаємодії повністю скасовуються, коли немає зовнішнього магнітного поля сьогодення.