[/titulek]
Všichni jsme si čas od času hráli s magnety. Pokaždé, když to uděláte, položili jste si otázku ‚jak magnety fungují?‘ Mnoho z nás chápe, že magnety mají dva různé náboje a že se podobné náboje navzájem odpuzují, ale to stále nevysvětluje, jak magnet funguje. Níže je pokus vysvětlit základy tajného 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. Permanentní magnet je předmět vyrobený z materiálu, který je magnetizován a vytváří své vlastní trvalé magnetické pole. Materiály, které lze zmagnetizovat a které jsou k magnetu silně přitahovány, se nazývají feromagnetické. Ačkoli feromagnetické materiály jsou jediné, které jsou přitahovány k magnetu dostatečně silně, aby byly běžně považovány za magnetické, všechny ostatní látky reagují na magnetické pole slabě.
Některá fakta o magnetech zahrnují:
- severní pól magnetu ukazuje na geomagnetický severní pól (jižní magnetický pól), který se nachází 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 odpuzování se mění nepřímo s druhou mocninou vzdálenosti
- síla magnetu se na různých místech magnetu liší
- magnety jsou nejsilnější na svých pólech
- magnety silně přitahují ocel, železo, nikl, kobalt, gadolinium
- magnety mírně přitahují kapalný kyslík a další materiály
- magnety mírně odpuzují vodu, uhlík a bór
Mechanika toho, jak magnety fungují, se skutečně rozpadá až na atomovou úroveň. Když drátem protéká proud, vytváří se kolem drátu magnetické pole. Proud je jednoduše shluk pohybujících se elektronů a pohybující se elektrony vytvářejí magnetické pole. Takto fungují elektromagnety.
Kolem jádra atomu jsou elektrony. Vědci si dříve mysleli, že mají kruhové oběžné dráhy, ale zjistili, že věci jsou mnohem složitější. Ve skutečnosti vzory elektronu v jednom z těchto orbitalů berou v úvahu Schroedingerovy vlnové rovnice. Elektrony obsazují určité obaly, které obklopují jádro atomu. Tyto mušle dostaly písmenná jména K,L,M,N,O,P,Q. Dostali také číselná jména, jako například 1,2,3,4,5,6,7 (myslím na kvantovou mechaniku). Uvnitř shellu mohou existovat podskopy nebo orbitaly s písmennými názvy jako s,p,d,f. Některé z těchto orbitalů vypadají jako koule, některé jako přesýpací hodiny, další jako korálky. K shell obsahuje orbital s nazývaný 1s orbital. Plášť L obsahuje orbital s a p nazývaný orbital 2s a 2p. Skořápka M obsahuje orbital s, p a d nazývaný orbital 3s, 3p a 3d. Skořápky N, O, P a Q obsahují orbital s, p, daf nazývaný 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Orbitální 7d a 7f. Tyto orbitaly mají také různé suborbitaly. Každý může obsahovat pouze určitý počet elektronů. Maximálně 2 elektrony mohou obsadit suborbitál, kde jeden má rotaci nahoru, druhý má rotaci dolů. Ve stejném suborbitalu nemohou být dva elektrony se spin up (Pauliho vylučovací princip). Také, když máte pár elektronů v suborbitálu, jejich kombinovaná magnetická pole se navzájem zruší. Pokud jste zmatení, nejste sami. Mnoho lidí se zde ztratí a místo dalšího zkoumání se jen zajímá o magnety.
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 na jejich vnějších orbitalech. Předpokládá se také, že rotace elektronu vytváří nepatrné magnetické pole. Tato pole mají složený efekt, takže když dáte dohromady spoustu těchto polí, vytvoří se větší pole.
Abychom to zabalili do toho, „jak fungují magnety?“, atomy feromagnetických materiálů mívají své vlastní magnetické pole vytvářené 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 a jižní pól. Když není kus železa zmagnetizován, domény nebudou směřovat stejným směrem, ale budou směřovat v náhodných směrech, které se navzájem vyruší a zabrání tomu, aby železo mělo severní nebo jižní pól nebo aby bylo magnetem. Pokud zavedete proud (magnetické pole), domény se začnou vyrovnávat s vnějším magnetickým polem. Čím více proudu je aplikováno, tím vyšší je počet zarovnaných domén. Jak bude vnější magnetické pole silnější, bude se s ním vyrovnávat stále více domén. Nastane bod, kde budou všechny domény v železe zarovnány s vnějším magnetickým polem (saturací), bez ohledu na to, jak moc je magnetické pole silnější. Po odstranění vnějšího magnetického pole se měkké magnetické materiály vrátí do náhodně orientovaných domén; tvrdé magnetické materiály však udrží většinu svých domén zarovnaných, čímž vytvoří silný permanentní magnet. Tak, tady to máte.
Pro Universe Today jsme napsali mnoho článků o magnetech. Zde je článek o tyčových magnetech a zde článek o super magnety .
Pokud chcete více informací o magnetech, podívejte se na některé skvělé experimenty s magnety a zde je odkaz na článek o supermagnetech od Moudrý geek .
Nahráli jsme také celou epizodu Astronomy Cast o magnetismu. Poslouchej tady, 42. díl: Magnetismus všude .
Prameny:
Moudrý geek
Wikipedie: Magnet
Wikipedie: Ferromagnetismus
