Cu toții ne-am jucat cu magneți. Mai jos este o încercare de a explica elementele de bază din spatele lucrărilor interioare secrete ale magnetului misterios.
Un magnet este orice material sau obiect care produce un câmp magnetic. Acest câmp magnetic este responsabil pentru proprietatea unui magnet: o forță care atrage alte materiale feromagnetice și atrage sau respinge alți magneți. Un magnet permanent este un obiect realizat dintr-un material care este magnetizat și își creează propriul câmp magnetic persistent. Materialele care pot fi magnetizate, care sunt puternic atrase de un magnet, se numesc feromagnetice. Deși materialele ferromagnetice sunt singurele atrase de un magnet suficient de puternic pentru a fi considerate în mod obișnuit magnetice, toate celelalte substanțe răspund slab la un câmp magnetic.
Câteva date despre magneți includ:
- polul nord al magnetului indică polul nord geomagnetic (un pol magnetic sud) situat în Canada deasupra Cercului Arctic.
- polii nord resping polii nordici
- polii de sud resping polii sudici
- polii de nord atrag poli de sud
- polii de sud atrag polii nordici
- forța de atracție sau repulsie variază invers cu distanța pătrată
- rezistența unui magnet variază în diferite locații ale magnetului
- magneții sunt cei mai puternici la poli
- magneții atrag puternic oțelul, fierul, nichelul, cobaltul, gadoliniu
- magneții atrag ușor oxigenul lichid și alte materiale
- magneții resping ușor apa, carbonul și borul
Mecanica modului de funcționare a magneților se descompune chiar la nivelul atomic. Când curentul curge într-un fir, se creează un câmp magnetic în jurul sârmei. Curentul este pur și simplu o grămadă de electroni în mișcare, iar electronii în mișcare fac un câmp magnetic. Așa se face că electromagnetii sunt făcuți să funcționeze.
În jurul nucleului atomului există electroni. Oamenii de știință obișnuiau să creadă că au orbite circulare, dar au descoperit că lucrurile sunt mult mai complicate. De fapt, modelele electronului din una dintre aceste orbitale iau în considerare ecuațiile de undă ale lui Schroedinger. Electronii ocupă anumite cochilii care înconjoară nucleul atomului. Aceste coji au primit denumiri de litere K, L, M, N, O, P, Q. De asemenea, li s-au dat nume de numere, cum ar fi 1,2,3,4,5,6,7 (gândiți mecanica cuantică). În cadrul cochiliei, pot exista subshells sau orbitali, cu nume de litere precum s, p, d, f. Unele dintre aceste orbitale arată ca sfere, altele ca o clepsidră, iar altele, ca mărgelele. Cochilia K conține un orbital s numit orbital 1s. Învelișul L conține un orbital s și p numit orbital 2s și 2p. Învelișul M conține un orbital s, p și d numit orbital 3s, 3p și 3d. Învelișurile N, O, P și Q conțin fiecare un orbital s, p, d și f numit a 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Orbital 7d și 7f. Acești orbitali au, de asemenea, diverse sub-orbitale. Fiecare poate conține doar un anumit număr de electroni. Un număr maxim de 2 electroni poate ocupa un sub-orbital unde unul are o rotire de sus, celălalt are un spin de jos. Nu pot exista doi electroni cu rotire în același sub-orbital (principalul de excludere Pauli). De asemenea, când aveți o pereche de electroni într-un sub-orbital, câmpurile lor magnetice combinate se vor anula reciproc. Dacă te confunzi, nu ești singur. Mulți oameni se pierd aici și doar se întreabă de magneți în loc să cerceteze mai departe.
Când te uiți la metalele feromagnetice, este greu de observat de ce sunt atât de diferite care formează elementele de lângă ele în tabelul periodic. În general, este acceptat faptul că elementele ferromagnetice au momente magnetice mari din cauza electronilor neperecheți în orbitalele lor exterioare. De asemenea, se gândește că spinul electronului creează un câmp magnetic minut. Aceste câmpuri au un efect de compunere, astfel încât atunci când obțineți o mulțime de câmpuri împreună, acestea se adaugă la câmpuri mai mari.
Pentru a încheia lucrurile pe „cum funcționează magneții?”, Atomii materialelor ferromagnetice tind să aibă propriul lor câmp magnetic creat de electronii care îi orbitează. Grupurile mici de atomi tind să se orienteze în aceeași direcție. Fiecare dintre aceste grupuri se numește un domeniu magnetic. Fiecare domeniu are propriul pol nord și pol sud. Atunci când o bucată de fier nu este magnetizată, domeniile nu vor fi îndreptate în aceeași direcție, ci vor indica în direcții aleatorii anulându-se reciproc și împiedicând fierul să aibă un pol nord sau sud sau să fie un magnet. Dacă introduceți curent (câmp magnetic), domeniile vor începe să se alinieze câmpului magnetic extern. Cu cât se aplică mai mult curent, cu atât este mai mare numărul de domenii aliniate. Pe măsură ce câmpul magnetic extern devine mai puternic, tot mai multe domenii se vor alinia cu acesta. Va exista un punct în care toate domeniile din fier sunt aliniate cu câmpul magnetic extern (saturație), indiferent cât de puternic este făcut câmpul magnetic. După îndepărtarea câmpului magnetic extern, materialele magnetice moi vor reveni la domenii orientate aleatoriu; cu toate acestea, materialele magnetice dure vor menține majoritatea domeniilor lor aliniate, creând un magnet permanent puternic. Deci, acolo îl ai.
Am scris multe articole despre magneți pentru Space Magazine. Iată un articol despre magneții de bare și iată un articol despre super-magneți.
Dacă doriți mai multe informații despre magneți, consultați câteva experimente superbe cu magneți și iată un link către un articol despre super-magneți de Wise Geek.
Am înregistrat, de asemenea, un întreg episod al distribuției de astronomie despre magnetism. Ascultă aici, episodul 42: magnetismul de pretutindeni.
surse:
Înțeleptul Geek
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Ferromagnetism
