Všichni jsme si čas od času hráli s magnety. Níže je pokus vysvětlit základy skrytého vnitřního fungování tajemného magnetu.
Magnet je jakýkoli materiál nebo předmět, který vytváří magnetické pole. Toto magnetické pole je zodpovědné za vlastnost magnetu: sílu, která přitahuje jiné feromagnetické materiály a přitahuje nebo odpuzuje jiné magnety. Trvalý magnet je objekt vyrobený z materiálu, který je magnetizován a vytváří své vlastní trvalé magnetické pole. Materiály, které lze magnetizovat, které jsou silně přitahovány k magnetu, se nazývají feromagnetické. Ačkoli ferromagnetické materiály jsou jedinými, které přitahují magnet dostatečně silně, aby byly běžně považovány za magnetické, všechny ostatní látky reagují slabě na magnetické pole.
Mezi fakta o magnetech patří:
- severní pól magnetu ukazuje na geomagnetický severní pól (jižní magnetický pól) umístěný v Kanadě nad polárním kruhem.
- severní póly odpuzují severní póly
- jižní póly odpuzují jižní póly
- severní póly přitahují jižní póly
- jižní póly přitahují severní póly
- síla přitažlivosti nebo odporu se mění nepřímo podle vzdálenosti na druhou
- síla magnetu se mění na různých místech magnetu
- magnety jsou nejsilnější ve svých pólech
- magnety silně přitahují ocel, železo, nikl, kobalt, gadolinium
- magnety lehce přitahují tekutý kyslík a další materiály
- magnety mírně odpuzují vodu, uhlík a bór
Mechanika toho, jak fungují magnety, se opravdu rozpadá až na atomovou úroveň. Když proud proudí v drátu, kolem drátu se vytvoří magnetické pole. Proud je prostě svazek pohybujících se elektronů a pohybující se elektrony vytvářejí magnetické pole. To je způsob, jak fungují elektromagnetické magnety.
Kolem jádra atomu jsou elektrony. Vědci si mysleli, že mají kruhové oběžné dráhy, ale zjistili, že věci jsou mnohem komplikovanější. Ve skutečnosti vzorce elektronů v jednom z těchto orbitálů zohledňují Schroedingerovy vlnové rovnice. Elektrony zabírají určité náboje, které obklopují jádro atomu. Těmto skořápkám bylo přiděleno písmeno K, L, M, N, O, P, Q. Rovněž jim byla přidělena číselná jména, například 1,2,3,4,5,6,7 (think kvantová mechanika). Uvnitř shellu mohou existovat subshells nebo orbitals, se jmény písmen takový jak s, p, d, f. Některé z těchto orbitálů vypadají jako koule, jiné jako přesýpací hodiny, jiné jako korálky. K skořápka K obsahuje orbitál nazývaný 1s orbitál. L skořepina obsahuje orbitál s a p nazývaný orbitál 2s a 2p. M skořepina obsahuje orbitál s, pa ad nazývaný 3s, 3p a 3d orbitál. Obaly N, O, P a Q obsahují orbitál s, p, d a f nazývaný 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d a 7f orbitální. Tyto orbity mají také různé subobjekty. Každý může obsahovat pouze určitý počet elektronů. Maximálně 2 elektrony mohou obsadit suborbitál, kde jeden má rotaci nahoru, druhý má rotaci dolů. Ve stejném suborbitálu (Pauliho vylučovací principál) nemohou být dva elektrony, které se roztočí. Také, pokud máte pár elektronů v sub-orbitále, jejich kombinovaná magnetická pole se navzájem zruší. Pokud jste zmatení, nejste sami. Mnoho lidí se zde ztratí a jen zkoumá magnety místo dalšího výzkumu.
Když se podíváte na feromagnetické kovy, je těžké pochopit, proč jsou tak odlišné od prvků vedle nich v periodické tabulce. Obecně se uznává, že feromagnetické prvky mají velké magnetické momenty kvůli nespárovaným elektronům ve svých vnějších orbitálech. Otočení elektronu je také považováno za vytvoření minutového magnetického pole. Tato pole mají složený efekt, takže když spojíte spoustu těchto polí dohromady, přidají se k větším polím.
Aby atomy feromagnetických materiálů zabalily „jak fungují magnety?“, Mají tendenci mít své vlastní magnetické pole vytvářeno elektrony, které je obíhají. Malé skupiny atomů mají tendenci se orientovat stejným směrem. Každá z těchto skupin se nazývá magnetická doména. Každá doména má svůj vlastní severní pól a jižní pól. Když není kousek železa zmagnetizován, domény nebudou směřovat stejným směrem, ale budou směřovat v náhodných směrech, které se navzájem ruší a brání tomu, aby železo mělo severní nebo jižní pól nebo být magnetem. Pokud zavedete aktuální (magnetické pole), domény se začnou zarovnat s externím magnetickým polem. Čím aktuálnější je, tím vyšší je počet zarovnaných domén. Jak se vnější magnetické pole zesílí, bude se s ním stále více domén spojovat. Bude bod, ve kterém jsou všechny domény uvnitř železa vyrovnány s vnějším magnetickým polem (saturace), bez ohledu na to, jak silnější je magnetické pole vytvořeno. Po odstranění vnějšího magnetického pole se měkké magnetické materiály vrátí do náhodně orientovaných domén; tvrdé magnetické materiály však udržují většinu svých domén zarovnány a vytvářejí silný permanentní magnet. Takže tam to máte.
Napsali jsme mnoho článků o magnetech pro časopis Space Space. Zde je článek o tyčových magnetech a zde je článek o super magnetech.
Pokud byste chtěli získat více informací o magnetech, podívejte se na několik skvělých experimentů s magnety a zde je odkaz na článek o super magnetech od Wise Geeka.
Zaznamenali jsme také celou epizodu Astronomie Cast vše o magnetismu. Poslouchejte zde, Epizoda 42: Magnetismus všude.
Zdroje:
Wise Geek
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Ferromagnetismus
