Vsi se občasno igramo z magneti. Spodaj je poskus razložiti osnove skrivnega notranjega delovanja skrivnostnega magneta.
Magnet je vsak material ali predmet, ki proizvaja magnetno polje. To magnetno polje je odgovorno za lastnost magneta: sila, ki vleče druge feromagnetne materiale in privlači ali odbija druge magnete. Trajni magnet je predmet, izdelan iz materiala, ki je magnetiziran in ustvarja svoje lastno obstojno magnetno polje. Materiale, ki jih je mogoče magnetizirati, ki jih magnet močno privlači, imenujemo feromagnetne. Čeprav so feromagnetni materiali edini, ki jih magnet privlači dovolj močno, da jih lahko štejemo za magnetne, se vse ostale snovi šibko odzivajo na magnetno polje.
Nekaj dejstev o magnetih vključuje:
- severni pol magneta kaže na geomagnetni severni pol (južni magnetni pol), ki se nahaja v Kanadi nad arktičnim krogom.
- severni drogovi odbijajo severne
- južni drogovi odbijajo južne pole
- severni drogi privlačijo južne
- južni drogi privlačijo severne
- sila privlačnosti ali odbojnosti se spreminja obratno glede na razdaljo na kvadrat
- jakost magneta se spreminja na različnih lokacijah magneta
- magneti so najmočnejši na svojih polih
- magneti močno privlačijo jeklo, železo, nikelj, kobalt, gadolinij
- magneti rahlo privlačijo tekoči kisik in druge materiale
- magneti nekoliko odbijajo vodo, ogljik in bor
Mehanika delovanja magnetov se v resnici razbije vse do atomske ravni. Ko tok teče v žici, se okoli žice ustvari magnetno polje. Tok je preprosto kup gibajočih se elektronov, gibajoči se elektroni pa ustvarijo magnetno polje. Tako delajo elektromagneti.
Okoli jedra atoma so elektroni. Znanstveniki so včasih mislili, da imajo krožne orbite, vendar so odkrili, da so stvari veliko bolj zapletene. Pravzaprav vzorci elektrona v eni od teh orbitali upoštevajo Schroedingerjeve valovne enačbe. Elektroni zasedajo določene lupine, ki obkrožajo jedro atoma. Te lupine so dobile črka imena K, L, M, N, O, P, Q. Dobili so tudi številčna imena, na primer 1,2,3,4,5,6,7 (mislite kvantna mehanika). Znotraj lupine lahko obstajajo poddružine ali orbitale z imeni črk, kot so s, p, d, f. Nekatere od teh orbitov so videti kot kroglice, nekatere kot peščene ure, druge pa kot kroglice. Lupina K vsebuje orbitolo s, imenovano orsl 1s. Lupina L vsebuje orbital s in p, imenovan orbital 2s in 2p. Lupina M vsebuje orbital s, p in d, imenovano orbital 3s, 3p in 3d. Lupine N, O, P in Q vsebujejo or, s, p, d in f, imenovano 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Ordital 7d in 7f. Te orbitale imajo tudi različne podorbitale. Vsak lahko vsebuje le določeno število elektronov. Največ 2 elektrona lahko zasedeta sub-orbitalo, kjer ima eden spino navzgor, drugi pa spin navzdol. V istem podorbitalu (princip izključitve Paulija) ne moreta biti dva elektrona s spinolom. Tudi če imate par elektronov v podorbitali, se bo njuno kombinirano magnetno polje odpovedalo drug drugemu. Če ste zmedeni, niste sami. Tu se mnogi izgubijo in se samo sprašujejo o magnetih, namesto da bi še dodatno raziskovali.
Ko pogledate feromagnetne kovine, je težko razbrati, zakaj so tako različni, da tvorijo elemente poleg njih na periodični tabeli. Splošno je sprejeto, da imajo feromagnetni elementi velike magnetne trenutke zaradi neparnih elektronov v svojih zunanjih orbitalah. Misli se tudi, da spiranje elektrona ustvarja minutno magnetno polje. Ta polja imajo sestavljeni učinek, tako da, ko dobite kup teh polj skupaj, seštevajo v večja polja.
Atomi feromagnetnih materialov imajo ponavadi svoje magnetno polje, ki ga ustvarijo elektroni, ki jih obkrožijo. Majhne skupine atomov se ponavadi orientirajo v isto smer. Vsako od teh skupin imenujemo magnetna domena. Vsaka domena ima svoj severni in južni pol. Če košček železa ni magnetiziran, domene ne bodo usmerjene v isto smer, ampak bodo naključno kazale, da bi se medsebojno odpovedale in preprečile, da bi železo imelo severni ali južni pol ali da je magnet. Če vnesete tok (magnetno polje), se bodo domene začele poravnati z zunanjim magnetnim poljem. Čim bolj veljaven velja, večje je število poravnanih domen. Ko se zunanje magnetno polje krepi, se bo z njim vse več domen usklajevalo. Prišlo bo do točke, ko so vse domene znotraj železa poravnane z zunanjim magnetnim poljem (nasičenost), ne glede na to, kako močnejše je magnetno polje. Po odstranitvi zunanjega magnetnega polja se bodo mehki magnetni materiali vrnili v naključno usmerjene domene; toda trdi magnetni materiali bodo večino domen ohranjali poravnane in ustvarjali močan trajni magnet. Torej, tam ga imate.
Za Space Magazine smo napisali veliko člankov o magnetih. Tukaj je članek o barskih magnetih in tukaj o super magnetih.
Če želite več informacij o magnetih, si oglejte nekaj super eksperimentov z magneti in tu je povezava do članka o super magnetih avtorja Wise Geek.
Posneli smo tudi celo epizodo Astronomy Cast o magnetizmu. Poslušajte tukaj, Epizoda 42: Magnetizem povsod.
Viri:
Modri Geek
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Feromagnetizem
