Magnesy są jednym z najpowszechniejszych narzędzi w naszym codziennym życiu, pojawiają się w najróżniejszych kontekstach i miejscach.
- Spójrz na drzwiczki swojej lodówki, które ściśle przylegają do urządzenia przez magnetyzm.
- Pomyśl o słuchawkach lub głośnikach komputerowych; zasilają je magnesy.
- Uchylenie okna w samochodzie jest również możliwe dzięki materiałom magnetycznym.
Magnesy są dosłownie wszędzie. Elektryczność i magnetyzm – a także nauka o polu magnetycznym – to jedne z najbardziej przydatnych narzędzi naukowych, jakie mamy. Wiele rzeczy po prostu nie działałoby, gdyby nie było magnesów.
Jednak biorąc pod uwagę wszechobecność materiałów i narzędzi magnetycznych, w pewnym sensie traktujemy to zjawisko jako coś oczywistego.
Czyż magnetyzm nie jest niesamowity?
Czy to nie zadziwiające, że kawałek metalu może poruszyć inny, dzięki jakiejś niewidzialnej sile?
Nie sądzisz, że nauka o tym dziwnym procesie może być ciekawa?
Nie? Cóż, może to dlatego, że nie wiesz o nim wystarczająco dużo. Chcąc więc przekonać Cię, że siła magnetyczna jest właściwie jedną z najciekawszych rzeczy w przyrodzie, przyjrzyjmy się, o co w tym wszystkim chodzi.
Bylibyśmy zaskoczeni, gdybyś nie zgodził się z tym na końcu tego artykułu. Możesz zapoznać się z naszym pełnym przewodnikiem po magnetyzmie i elektromagnetyzmie!
Co to jest magnetyzm?
Magnetyzm jest siłą, dzięki której materiały magnetyczne przyciągają i odpychają inne materiały magnetyczne. Magnetyzm w działaniu w życiu codziennym najłatwiej zaobserwować, gdy kawałki metalu są przyciągane do innych kawałków metalu.
Nawiasem mówiąc, właśnie to sprawia, że magnesy są tak interesujące – i tak przydatne na co dzień. Siła magnetyczna jest siłą bezkontaktową, co oznacza, że materiały magnetyczne nie muszą się dotykać, aby oddziaływać na siebie.
Jednak nie jest to tylko magia – choć kiedyś tak uważano. Siły wywierane przez te materiały są wynikiem procesu zachodzącego w skali mikroskopowej, zbyt małej, abyśmy mogli je zobaczyć naszymi oczami. W skali mikroskopowej wszystko jest w ruchu.
A to, co tworzy siłę, której jesteśmy świadkami w skali makroskopowej, jest wynikiem dwóch zjawisk. Pierwsze z tych zjawisk to moment magnetyczny danego pierwiastka i jego cząstek – a drugie to prąd elektryczny.
Moment magnetyczny i elektrony
To, co dzieje się w skali mikroskopowej, dotyczy elektronów, jednej z subatomowych części materiału.
Elektrony poruszają się lub obracają wokół jądra atomu. Każdy z nich ma ładunek ujemny, towarzyszą im protony o ładunku dodatnim.
Zwykle ładunek elektryczny lub spin elektronu jest zrównoważony, co oznacza, że liczba protonów jest równa liczbie elektronów.
Natura lubi stabilność i stałość, co w tym kontekście oznacza, że materiały niemagnetyczne są normą, ponieważ przy sparowaniu elektronów i protonów, moment magnetyczny zostaje zniesiony. Jest to pomocne, ponieważ w przeciwnym razie wszystko we wszechświecie mogłoby być magnetyczne – co nie byłoby super wygodne.
Czasami elektrony w materiale nie są sparowane – to prawda. Jednak najczęściej w takich przypadkach ich ładunek magnetyczny nie jest wyrównany – jest to warunek wstępny prawidłowego magnetyzmu.
Magnetyzm w znanej nam postaci – z dwoma biegunami magnetycznymi magnesu – występuje, gdy wszystkie momenty magnetyczne elektronów są wyrównane, czyli skierowane w tym samym kierunku. Dopiero w tym momencie materiał wytworzy pole magnetyczne wystarczająco silne, aby było istotne.
Elektryczność i magnetyzm
Jak powiedzieliśmy, istnieją dwa źródła magnetyzmu. Pierwszym z nich jest moment magnetyczny danych elektronów i ich ustawienie. Drugi to prąd elektryczny.
Prąd elektryczny wytwarza magnetyzm, ponieważ elektryczność to przepływ elektronów przez materiał. Dzięki temu mamy do czynienia ze zjawiskiem, w którym wszystkie elektrony poruszają się w tę samą stronę – a ten ruch nadaje przewodnikowi elektrycznemu ładunek dodatni i ładunek ujemny.
Ucz się fizyki na lekcjach prywatnych, wpisując np. „korepetycje fizyka Wrocław” w wyszukiwarkę Superprof.
Elektromagnesy
Prawdopodobnie słyszałeś o elektromagnesie – lub ogólnie o elektromagnetyzmie. Są to super mocne magnesy zasilane energią elektryczną. Podobnie jak większość urządzeń zasilanych energią elektryczną, także te można włączać i wyłączać, co czyni je dość wygodnymi dla przemysłu.
- Jeśli weźmiesz substancję magnetyczną i owiniesz wokół niej cewkę z drutu, przez który przepływa ładunek elektryczny, przekonasz się, że powstały magnes jest naprawdę bardzo mocny.
- W ten sposób cała cewka zostaje namagnesowana, a elektrony z drutu wytwarzają pole magnetyczne, które przyciąga do środka cewki.
- Po wyłączeniu prądu cewka nie jest już magnetyczna.
To kluczowa część elektromagnetyzmu.
Co to jest pole magnetyczne?
Magnesy przyciągają i odpychają inne rzeczy podatne na siłę magnetyzmu. Wiemy o tym.
Jednak ważne jest to, co dzieje się pomiędzy dwoma materiałami, które są magnetyczne. To właśnie jest pole magnetyczne, niewidzialne pole siłowe, które zasadniczo jest rozmieszczeniem elektronów w otaczającym obszarze.
Widziałeś już diagramy pól magnetycznych. Znasz dwubiegunową naturę magnesów. Magnesy mają zarówno biegun północny, jak i południowy, a także linie pola magnetycznego, które zwykle rysujemy pomiędzy dipolami.
Linie te reprezentują strumień magnetyczny, który wychodzi z bieguna północnego w kierunku południowego. Im bliżej siebie są linie, tym silniejsze namagnesowanie. Nawiasem mówiąc, te linie nigdy się nie krzyżują.
Opiłki żelaza
Jednym z najlepszych sposobów rzeczywistej obserwacji pola magnetycznego jest użycie opiłków żelaza.
- Zdobądź magnes sztabkowy i garść maleńkich kawałków metalu – opiłków żelaza, w zasadzie pyłu żelaza.
- Upuść żelazo na magnes i obserwuj pojawienie się pola magnetycznego, wraz ze wszystkimi liniami wyznaczającymi działanie magnetyzmu.
To dopiero robi wrażenie!
Różne typy magnesów i różne typy magnetyzmu
Zapewne masz już wrażenie, że nie wszystkie magnesy są takie same. Skoro wiemy, że istnieje coś takiego jak pole elektromagnetyczne, a także „normalne” magnesy, możemy w zasadzie założyć, że istnieje więcej rodzajów magnesów. Wspomnieliśmy już na przykład o magnesach sztabkowych.
Naukowcy uwielbiają charakteryzować rzeczy i musisz znać kategorie, które tworzą.
Diamagnetyzm
Zacznijmy od diamagnetyzmu. Jest to rodzaj magnetyzmu, który występuje we wszystkim przez cały czas. Jednakże nie jest on szczególnie „magnetyczny” w sensie, który jest nam powszechnie znany.
W materiale „diamagnetycznym” w ogóle nie ma niesparowanych elektronów. Natomiast w obecności substancji paramagnetycznych lub ferromagnetycznych diagmagnetyzm jest przytłoczony.
Paramagnetyzm
Materiały paramagnetyczne to materiały, na które słabo oddziałuje jakiekolwiek pole magnetyczne. Większość związków chemicznych to związki paramagnetyczne, ponieważ zazwyczaj mają niesparowane elektrony (patrz wyżej). Oznacza to, że nawet pierwiastki takie jak tlen są w rzeczywistości paramagnetykami, większość ludzi nie jest tego świadoma.
W substancjach paramagnetycznych niesparowane elektrony ustawiają się zgodnie z polem magnetycznym, nadając substancji ogólny ładunek.
Wyszukaj korepetycja fizyka na Superprof.
Materiały ferromagnetyczne
Materiały ferromagnetyczne to takie, które tradycyjnie uznajemy za magnetyczne.
Materiały te również mają niesparowane elektrony. Jednak w przeciwieństwie do materiałów paramagnetycznych, elektrony w materiałach ferromagnetycznych mają tendencję do spontanicznego ustawiania się w jednej linii. To znaczy, że nie potrzebują zewnętrznego pola magnetycznego, aby stać się magnetycznymi.
Są to materiały powszechnie magnetyczne – takie jak żelazo (stąd nazwa „ferro”), nikiel i kobalt.
Magnesy tymczasowe i magnesy trwałe
Obie definicje, magnesy tymczasowe i magnesy trwałe, są dość powszechne w rozmowach o magnetyzmie. A różnica jest chyba dość wyraźna.
Magnesy trwałe to magnesy ferromagnetyczne. Zachowują one swój potencjał magnetyczny nawet wtedy, gdy nie znajdują się w obecności zewnętrznego pola magnetycznego.
Magnesy tymczasowe to substancje paramagnetyczne, które wymagają zewnętrznej siły magnetycznej. To na przykład spinacze do papieru – przedmioty, które reagują na magnetyzm, ale same nie są magnetyczne.
Nawiasem mówiąc, podgrzewanie substancji ferromagnetycznej zakłóca jej potencjał magnetyczny. Energia cieplna tworzy znacznie większą lotność atomową, co oznacza, że elektrony nie mogą pozostać wyrównane.
Dowiedz się więcej o transformatorach, jednej z najważniejszych technologii magnetycznych!
Czy Ziemia jest magnetyczna?
Wiesz, że Ziemia ma pole magnetyczne, prawda?
Z tego powodu nadajemy magnesom biegun „północny” i „południowy”.
Cały świat jest magnetyczny, dlatego kompasy działają. Garść błota, nie jest magnetyczna, ale rozmiar Ziemi wytwarza największe pole magnetyczne na planecie.
Dlaczego to robi?
Nikt nie jest do końca pewien.
Naukowcy uważają jednak, że dzieje się tak wskutek prądów konwekcyjnych w jądrze Ziemi, które składają się głównie z żelaza i niklu. I to właśnie powoduje zorzę polarną.
Słyszałeś kiedyś o indukcji elektromagnetycznej? Dowiedz się o tym tutaj.
Lubisz ten artykuł? Oceń nas!
Loading...
