magnet

Magnes jest obiektem, który w przestrzeni w swoim otoczeniu tworzy pole magnetyczne. Może mieć formę magnesu trwałego lub elektromagnesu. Magnesy trwałe nie potrzebują do tworzenia pola magnetycznego żadnej energii zewnętrznej. Występują naturalnie w niektórych minerałach, ale można je również wyprodukować. Elektromagnesy potrzebują do stworzenia pola magnetycznego energii elektrycznej.

Właściwości magnesów

Magnesy są przyciągane lub odpychane przez inne materiały. Materiał, który jest silnie przyciągany przez magnes, ma wysoką permeancję. Żelazo i stal są dwoma przykładami materiałów o bardzo wysokiej permeancji i są bardzo silnie przyciągane przez magnesy. Woda ma tak niską permeancję, że jest polem magnetycznym łatwo odpychana.

SI-jednostką indukcji magnetycznej, która jest błędnie uważana za „intensywność” pola magnetycznego, jest tesla (oznaczenie T). Jednorodne pole magnetyczne o indukcji 1 T działa na każdy metr prostego przewodu przenoszącego prąd 1 ampér siłą 1 newton. Jednostką SI intensywności pola magnetycznego jest amper na metr (A/m). Jednostką SI strumienia magnetycznego jest Weber (oznaczenie Wb). Strumień magnetyczny jest iloczynem indukcji magnetycznej i powierzchni, przez którą przechodzi pole; 1 Wb = 1 T·m². Jest to bardzo wysoka wartość strumienia magnetycznego.

Historia

Wyraz magnes pochodzi z greckiego μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), co oznacza „kamień magnetyczny”. Magnesia była regionem w Starożytnej Grecji, dzisiejszym Manisa w Turcji, gdzie odkryto zasoby magnetytu już w starożytności. Starożytni chińscy nawigatory byli wśród pierwszych zarejestrowanych użytkowników magnetycznych kompasów.

W mitologii arabskich żeglarzy odgrywała ważną rolę legenda o górskim magnesie. W piętnastym wieku Arabowie tak się obawiali górskiego magnesu, że na swoich statkach nie używali żadnych przedmiotów żelaznych (czyli nawet gwoździ).

Fizyczne poczynki magnetyzmu

Permanentne magnety

Materiał składa się z cząstek takich jak protony, neutrony i elektrony i wszystkie mają podstawową właściwość: kwantowy mechaniczny spin. Spin nadaje każdej z tych cząstek określone pole magnetyczne. Dlatego można by się spodziewać, że wszystkie materiały będą magnetyczne, nawet antymateria ma właściwości magnetyczne. Mimo to nie jest tak.

We wszystkich atomach i molekułach spin tych cząstek jest ściśle uporządkowany zgodnie z zasadą wykluczania Pauliego. Ta zasada uporządkowania spinu jednak nie działa na duże odległości między atomami i molekułami. Bez tego dalekiego uporządkowania nie powstaje sieć magnetycznego pola, ponieważ moment magnetyczny każdej z cząstek jest zanikany przez moment innych cząstek.

Magnesy trwałe są wyjątkowe w tym, że w nich dalekie uporządkowanie istnieje. Najwyższy stopień uporządkowania występuje w domenach magnetycznych. Można to porównać do mikroskopijnych sąsiedztw, w których występuje silne oddziaływanie między cząstkami i wynikiem tego jest wysoki poziom uporządkowania. Im wyższy jest poziom uporządkowania w domenie, tym silniejsze jest wynikające pole.

Dalekie uporządkowanie (i wynikające silne pole magnetyczne) jest głównym celem ferromagnetycznych materiałów.

Elektryczne wytwarzanie magnetyzmu

Elektrony odgrywają główną rolę w tworzeniu pola magnetycznego. Wewnątrz atomu elektrony mogą istnieć samodzielnie lub w parach na dowolnym orbicie. Jeśli są sparowane, to pojedyncze elektrony z tej pary mają przeciwny spin – jeden górny, drugi dolny. Fakt, że spiny są przeciwne oznacza, że jeden drugiego zanika. Jeśli wszystkie elektrony są sparowane, nie tworzy się pole magnetyczne.

W niektórych atomach występują niesparowane elektrony. Wszystkie magnesy mają niesparowane elektrony, ale nie wszystkie atomy z niesparowanymi elektronami są ferromagnetyczne. Aby materiał był ferromagnetyczny, musi zawierać niesparowane elektrony, ale te muszą oddziaływać na duże odległości, aby wszystkie były zorientowane w tę samą stronę. Specyficzne położenie elektronów w atomie (a także odległość między atomami) to, co tworzy dalekie uporządkowanie. Elektrony mają niższą energię, dopóki są zorientowane w tę samą stronę.

Elektromagnety

Elektromagnes w swojej najprostszej formie to drut zwinuty w jedną lub więcej pętli. Takiemu pętli mówi się solenoid. Kiedy prąd elektryczny przechodzi przez pętlę, tworzy się wokół niej pole magnetyczne. Kierunek tego pola można określić zgodnie z zasadą prawej ręki. Siła pola jest wpływna przez kilka czynników. Liczba pętli określa zasięg działania, ilość prądu określa ilość aktywności, a materiał w jądrze określa opór elektryczny. Im więcej pętli i im wyższy prąd, tym silniejsze pole magnetyczne powstaje.

Jeśli pętla w środku jest pusta, będzie generować tylko bardzo słabe pole. Do środka cewki można wstawiać różne ferromagnetyczne lub paramagnetyczne rzeczy, które wzmacniają ich pole magnetyczne, na przykład żelazny gwoźdź. W tym celu powszechnie stosuje się miękki żelazo. Dodanie takich rzeczy może wzmacniać pole setki razy, a nawet tysiące razy.

Na długich odległościach pola magnetyczne są regulowane prawem odwrotnego kwadratu. Oznacza to, że siła pola jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości od magnesu.

Jeśli magnes jest w kontakcie z płaskim kawałkiem metalu, siła potrzebna do ich oddzielenia musi być tym większa, im bliższy jest kontakt między obiema powierzchniami. Im płaskiejsze powierzchnie, tym więcej punktów kontaktowych między nimi i tym mniejszy opór między obwodem magnetycznym a polem magnetycznym.

Elektromagnesy są używane w wielu przypadkach, od przyspieszacza cząstek przez żurawie na złomowisku aż po urządzenia do rezonansu magnetycznego. Istnieją również specjalne procesy, które wymagają więcej niż prosty magnes dwupolowy, jak na przykład czwarpolowy magnes, który jest używany do skupiania wiązek cząstek.

Jeśli przez elektromagnes przepływa wystarczająco dużo prądu, siła magnetyczna między sąsiadującymi pętlami cewki może spowodować, że elektromagnes rozpadnie się własną siłą magnetyczną.

Charakterystyki magnesów

Permanentne magnety i dwojpóly[

Wszystkie magnesy mają przynajmniej dwa bieguny: czyli mają przynajmniej jeden biegun północny i jeden południowy. Bieguny nie są parą rzeczy na lub wewnątrz magnesu. Na początku artykułu jest obrazek magnesu, bieguny na nim wyglądają jak dwie specyficzne obszary, ponieważ największa intensywność pola powierzchniowego pojawia się na biegunach magnesu, ale to nie oznacza, że są to specyficzne obszary.

Do zrozumienia biegunów można sobie wyobrazić rząd ludzi, którzy patrzą wszystkimi w tę samą stronę i stoją w jednej płaszczyźnie. Choć możemy określić obszar, w którym znajdują się wszystkie twarze i gdzie wszystkie plecy, nie istnieje jeden punkt, w którym znajdowałyby się wszystkie. Każdy pojedynczy człowiek ma na jednej stronie twarz i na drugiej plecy. Kiedy rząd zostanie podzielony na połowę, każda połowa będzie nadal miała twarz i plecy. Nawet jeśli rząd zostanie podzielony na pojedyncze osoby, każda z nich będzie miała swoją twarz i plecy. Tak można postępować w nieskończoność.

Takie samo jest z magnesami. Na magnesie nie ma miejsca, w którym znajdowałyby się wszystkie południowe czy północne bieguny. Kiedy magnes zostanie podzielony na dwa, oba będą miały biegun północny i południowy. Te dwa mniejsze magnesy można dalej dzielić i każdy fragment będzie miał znowu oba bieguny. W większości przypadków, kiedy będziemy dzielić materiał na coraz mniejsze i mniejsze części, w końcu dojdziemy do punktu, w którym pojedyncze fragmenty będą tak małe, że nie będą już mogły utrzymać pola magnetycznego. Mimo to nie stają się oddzielnymi biegunami, tylko tracą zdolność utrzymania pola magnetycznego. Niektóre materiały można jednak podzielić aż na poziom molekularny i nadal będą zachowywać pole z południowym i północnym biegunem. Istnieją teorie o samodzielnych południowych i północnych biegunach – monopolach magnetycznych, ale taki monopol nie został jeszcze nigdzie odnaleziony.

Oznaczenie pól północnych i pole magnetyczne Ziemi

Standardowe nazewnictwo biegunów magnesu jest ważne. Już w historii terminy północny i południowy wskazywały na uświadomienie sobie relacji między magnesami a polem magnetycznym Ziemi. Swobodnie podparci magnes zawsze z czasem obraca się od północy do południa, ponieważ jest przyciągany do północnego i południowego bieguna ziemskiego. Koniec magnesu, który wskazuje na ziemski geograficzny północny biegun, jest oznaczany jako północny biegun magnesu, część wskazująca na południe znowu jako południowy biegun magnesu.

Obecny geograficzny biegun północny jest w rzeczywistości magnetycznym południem. Aby sytuacja jeszcze się skomplikowała, zmagnetowane skały na dnie oceanu pokazują, że pole magnetyczne Ziemi obracało się w przeszłości, więc to nazewnictwo biegunów będzie prawdopodobnie znowu odwrotnie w przyszłości.

Na szczęście używając elektromagnesu i zasady prawej ręki można określić kierunek pola magnetycznego magnesu bez znajomości geomagnetycznego pola Ziemi.

Aby uniknąć problemów między geograficznymi a magnetycznymi biegunami, często stosuje się oznaczenie pozytywny i negatywny biegun w przypadku magnesów. Pozytywny to ten, który obraca się na północ.