Jak działają magnesy? Bieguny, elektrony i żelazo

Magnetyzm sprowadza się do elektronów, według National High Magnetic Field Laboratory (MagLab). Każdy magnes ma biegun północny i południowy, bieguny różnoimienne się przyciągają, a jednoimienne odpychają.

1. Co mają wspólnego wszystkie magnesy

MagLab wymienia kilka właściwości wspólnych dla wszystkich magnesów:

• Każdy magnes ma biegun północny i biegun południowy.
• Bieguny różnoimienne się przyciągają, a jednoimienne odpychają. Północ przyciąga południe; północ odpycha północ.
• Każdy magnes jest otoczony polem magnetycznym. Zgodnie z konwencją linie pola biegną od bieguna północnego do południowego.

Sama Ziemia jest gigantycznym magnesem. MagLab wyjaśnia, że naukowcy uważają, iż pole magnetyczne Ziemi pochodzi z prądów konwekcyjnych w ciekłym zewnętrznym jądrze planety, zbudowanym w dużej mierze z żelaza. Nazywa się to geodynamem.

2. Wszystko sprowadza się do elektronów

Według MagLab cały magnetyzm sprowadza się do elektronów, na dwa sposoby:

1. Elektrony w ruchu. Prąd elektryczny, czyli przepływ elektronów przez przewód, zawsze wytwarza pole magnetyczne. Tak działają elektromagnesy.
2. Wirujące elektrony. W magnesach trwałych, takich jak ten na lodówce, magnetyzm pochodzi ze spinu elektronów. Każdy elektron zachowuje się jak malutki magnes z własnym biegunem północnym i południowym, a jego oś może wskazywać jeden z dwóch możliwych kierunków.

3. Dlaczego większość rzeczy nie jest magnetyczna

Jeśli każdy elektron jest malutkim magnesem, dlaczego nie wszystko jest magnetyczne?

MagLab wyjaśnia, że w większości materiałów atomy są ułożone tak, że orientacja magnetyczna jednego elektronu znosi orientację innego. Wszystkie te małe magnesy wskazują przeciwne kierunki, a ich działania sumują się do niczego, co dałoby się zauważyć.

4. Co wyróżnia żelazo: domeny magnetyczne

Żelazo i kilka innych substancji jest inne. Ich atomy grupują się w małe obszary zwane domenami magnetycznymi. W każdej domenie elektrony mają tę samą orientację magnetyczną.

Dlaczego więc zwykły żelazny gwóźdź nie jest magnesem? Ponieważ same domeny wskazują różne kierunki, więc w sumie nadal się znoszą.

Umieść ten gwóźdź w polu magnetycznym, a domeny zaczną ustawiać się w tym samym kierunku. MagLab opisuje wynik prosto: magnes trwały to przedmiot, w którym wszystkie domeny są ustawione w ten sam sposób.

Materiały, które się tak zachowują, nazywa się ferromagnetykami. MagLab zauważa, że tylko cztery pierwiastki są ferromagnetyczne w temperaturze pokojowej i można je namagnesować na stałe: żelazo, nikiel, kobalt i gadolin. Piąty, dysproz, staje się ferromagnetyczny tylko w niskich temperaturach. Aluminium nie ma na tej liście, dlatego magnes ześlizguje się z aluminiowej puszki po napoju. Drzwi lodówki z kolei to jeden z codziennych magnesów tymczasowych wymienionych przez MagLab w zajęciach dla klasy.

5. Magnesy trwałe i magnesy tymczasowe

Magnesy trwałe zachowują magnetyzm bez żadnego zasilania. Nie można ich wyłączyć. MagLab wymienia magnesy ceramiczne i alnico, stop aluminium, niklu i kobaltu, jako dwa popularne typy.

Magnesy tymczasowe zachowują się jak magnesy tylko wtedy, gdy są w polu magnetycznym. Tak zachowuje się miękkie żelazo, a MagLab zauważa, że dlatego jest używane jako magnes tymczasowy w urządzeniach takich jak telefony i silniki elektryczne.

Widać to na spinaczach biurowych. W zajęciach klasowych MagLab spinacz stykający się z magnesem sam staje się magnesem i może utrzymać drugi spinacz. Gdy ostrożnie odciągniesz oba spinacze, jeszcze przez jakiś czas trzymają się razem, bo ich elektrony są nadal uporządkowane. Upuść je na stół, a wstrząs zburzy ten porządek i magnetyzm zniknie.

6. Jak magnesy tracą siłę

„Trwały” nie znaczy „na zawsze”. MagLab opisuje dwa główne sposoby rozmagnesowania magnesu:

• Ciepło. Dodanie ciepła dodaje energii, która zakłóca uporządkowanie. Temperatura, w której magnes nie może już utrzymać swojego pola, nazywa się punktem Curie.
• Uderzenie. Mocne uderzenie, np. młotkiem, może wytrącić ustawione domeny z uporządkowania.

Jak długo magnes wytrzymuje, zależy od materiału. MagLab zauważa, że czyste żelazo pozostaje namagnesowane tylko kilka minut, podczas gdy wiele stopów żelaza utrzymuje magnetyzm znacznie dłużej.

7. Elektromagnesy: magnesy z włącznikiem

W 1819 roku Hans Christian Ørsted zauważył, że igła kompasu obraca się w pobliżu przewodu, którym płynie prąd. MagLab wyjaśnia dlaczego: prąd zawsze wytwarza pole magnetyczne krążące wokół przewodu.

Pojedynczy prosty przewód wytwarza słabe pole. MagLab opisuje, jak je wzmocnić:

1. Zwiń przewód w cewkę. Utworzenie zwojów łączy oddzielne pola w znacznie silniejsze. Taka cewka nazywa się solenoidem, a jej pole rośnie proporcjonalnie do liczby zwojów. Dziesięć zwojów daje około 10 razy większe pole niż jeden.
2. Dodaj żelazny rdzeń. Domeny żelaza ustawiają się zgodnie z polem cewki i znacząco je wzmacniają bez zużywania więcej energii elektrycznej.
3. Zwiększ prąd. Większa moc w cewce oznacza silniejsze pole.

Wyłącz prąd, a pole znika.

8. Jak silny jest magnes?

Naukowcy mierzą natężenie pola magnetycznego w teslach i gaussach, gdzie 1 tesla to 10 000 gausów. MagLab podaje kilka porównań:

Elektromagnesy mogą osiągać znacznie wyższe wartości niż magnesy trwałe, dlatego polegają na nich laboratoria badawcze i szpitalne skanery rezonansu magnetycznego (MRI).

9. Najważniejsze wnioski

• Każdy magnes ma biegun północny i południowy; bieguny różnoimienne się przyciągają, a jednoimienne odpychają.
• Magnetyzm pochodzi z elektronów, albo płynących jako prąd, albo wirujących w miejscu.
• W większości materiałów magnesy elektronów się znoszą; w żelazie i kilku innych metalach ustawiają się w domeny.
• Magnes trwały to materiał, w którym wszystkie domeny wskazują ten sam kierunek; ciepło lub mocne uderzenie mogą je pomieszać.
• Elektromagnes to cewka z prądem, często z żelaznym rdzeniem, i wyłącza się, gdy prąd ustaje.