Do czego używamy magnesów?

Może myślisz, że magnesy są interesujące; może myślisz, że są nudne! Jakie jest ich zastosowanie, możesz zapytać, poza dziecięcymi sztuczkami magicznymi i złomowiskami?

Możesz być zaskoczony, jak wiele rzeczy wokół ciebie działa dzięki magnetyzmowi lub elektromagnetyzmowi. Każde urządzenie elektryczne z silnikiem elektrycznym w nim (everythingfrom your electric toothbrush toyour lawn mower) używa magnesów, aby zamienić elektryczność w ruch.Motors use electricity to generate temporary magnetism in wire coils. Wytworzone w ten sposób pole magnetyczne naciska na stałe pole magnesu stałego, obracając wewnętrzną część silnika z dużą prędkością. Możesz wykorzystać ten ruch wirowy do napędzania wszelkiego rodzaju maszyn.

W Twojej lodówce znajdują się magnesy, które utrzymują drzwi w pozycji zamkniętej. Magnesy odczytują i zapisują dane (informacje cyfrowe) na twardym dysku twojego komputera i na kasetach magnetofonowych w staromodnych zestawach stereo. Więcej magnesów w głośnikach lub słuchawkach pomaga przekształcić zapisaną muzykę w dźwięki, które można usłyszeć. Jeśli cierpisz na poważną chorobę wewnętrzną, możesz poddać się badaniu NMR (magnetyczny rezonans jądrowy), które rysuje świat pod skórą za pomocą pól magnetycznych. Magnesy są używane do recyklingu swoich metalowych śmieci (stalowe puszki na żywność są silnie magnetyczne, ale aluminiowe puszki na napoje nie, więc magnes jest łatwym sposobem na oddzielenie tych dwóch różnych metali).

Zdjęcie: Skan NMR, taki jak ten, buduje na ekranie komputera szczegółowy obraz ciała pacjenta (lub, w tym przypadku, jego głowy), wykorzystując aktywność magnetyczną atomów w jego tkance. Na górze widać pacjenta wchodzącego do skanera, a na dole obraz jego głowy na ekranie. Zdjęcie dzięki uprzejmości Warren Grant Magnuson Clinical Center(CC) i USNational Institutes of Health (NIH).

Które materiały są magnetyczne?

Żelazo jest królem materiałów magnetycznych – metalem, o którym wszyscy myślimy, gdy myślimy o magnesach. Większość innych popularnych metali (takich jak miedź, złoto, srebro i aluminium) jest na pierwszy rzut oka niemagnetyczna, a większość niemetali (w tym papier, drewno, plastik, beton, szkło i tkaniny, takie jak bawełna i wełna) również jest niemagnetyczna. Ale żelazo nie jest jedynym metalem magnetycznym. Nikiel, kobalt i pierwiastki, które należą do części tablicy okresowej (uporządkowany układ, którego chemicy używają do opisania wszystkich znanych pierwiastków chemicznych), znane jako metale ziem rzadkich (zwłaszcza samar i neodym), również są dobrymi magnesami. Niektóre z najlepszych magnesów są stopami (mieszaninami) tych pierwiastków ze sobą i z innymi pierwiastkami. Ferryty (związki żelaza, tlenu i innych pierwiastków) są również doskonałymi magnesami. Lodestone (który jest również nazywany magnetytem) jest przykładem ferrytu, który jest często spotykany na Ziemi (ma wzór chemiczny FeO-Fe2O3).

Materiały takie jak żelazo stają się dobrymi magnesami tymczasowymi, gdy umieścimy w ich pobliżu magnes, ale mają tendencję do tracenia części lub całości swojego magnetyzmu, gdy ponownie odsuniemy magnes. W przeciwieństwie do nich, stopy żelaza i metale ziem rzadkich zachowują większość swojego magnetyzmu nawet po usunięciu ich z pola magnetycznego, dzięki czemu są dobrymi magnesami stałymi. Materiały te nazywamy magnetycznie twardymi.

Czy to prawda, że wszystkie materiały są albo magnetyczne, albo niemagnetyczne? Kiedyś tak sądzono, ale naukowcy wiedzą, że materiały, które uważamy za niemagnetyczne, również podlegają wpływowi magnetyzmu, choć bardzo słabo. Stopień, w jakim materiał może być namagnesowany, nazywa się jego podatnością.

Jak różne materiały reagują na magnetyzm

Naukowcy mają wiele różnych słów, aby opisać, jak zachowują się materiały, gdy umieścisz je w pobliżu magnesu (co jest innym sposobem powiedzenia, gdy umieścisz je w polu magnetycznym). Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie materiały dzielimy na dwa rodzaje zwane paramagnetycznymi i diamagnetycznymi, podczas gdy niektóre z paramagnetycznych materiałów są również ferromagnetyczne. Ważne jest, aby wyjaśnić, co te mylące słowa właściwie oznaczają…

Paramagnetyczny

Zrób próbkę materiału magnetycznego i powieś ją na nitce tak, aby zawisła w polu magnetycznym, a namagnesuje się i ustawi się tak, że jego magnetyzm będzie równoległy do pola. Jak ludzie wiedzą od tysięcy lat, tak właśnie zachowuje się igła kompasu w ziemskim polu magnetycznym. Materiały, które zachowują się w ten sposób nazywane są paramagnetykami. Metale takie jak aluminium i większość niemetali (o których można by pomyśleć, że nie są magnetyczne) są w rzeczywistości paramagnetyczne, ale na tyle słabo, że tego nie zauważamy. Paramagnetyzm zależy od temperatury: im gorętszy jest materiał, tym mniej prawdopodobne jest, że magnesy będą na niego oddziaływać.

Zdjęcie: Myślimy o aluminium (używanym w puszkach po napojach, takich jak te) jako niemagnetycznym. To pomaga nam oddzielić do recyklingu nasze puszki aluminiowe (które nie przywierają do magnesów) od stalowych (które przywierają). W rzeczywistości oba materiały są magnetyczne. Różnica polega na tym, że aluminium jest bardzo słabo paramagnetyczne, podczas gdy stal jest silnie ferromagnetyczna. Zdjęcie dzięki uprzejmości US Air Force.

Ferromagnetyczny

Niektóre paramagnetyczne materiały, zwłaszcza żelazo i metale ziem rzadkich, stają się silnie namagnesowane w polu i zwykle pozostają namagnesowane nawet po usunięciu pola. Mówimy, że materiały takie jak te sąferromagnetyczne, co tak naprawdę oznacza, że są one „magnetyczne jak żelazo”. Jednakże, materiał ferromagnetyczny nadal będzie tracił swój magnetyzm, jeśli podgrzejemy go powyżej pewnego punktu, znanego jako temperatura Curie. Żelazo ma temperaturę Curie 770°C (1300°F), podczas gdy dla niklu temperatura Curie wynosi ~355°C (~670°F). Jeśli podgrzejesz magnes żelazny do temperatury 800°C (~1500°F), przestanie on być amagnetykiem. Możesz również zniszczyć lub osłabić ferromagnetyzm, jeśli będziesz uderzać w magnes wielokrotnie.

Diamagnetyki

Możemy myśleć o materiałach paramagnetycznych i ferromagnetycznych jako o „fanach” magnetyzmu: w pewnym sensie „lubią” one magnetyzm i reagują na niego pozytywnie, pozwalając się namagnesować. Nie wszystkie materiały reagują tak entuzjastycznie. Jeśli powiesić niektóre materiały w polu magnetycznym, to stają się one dość niespokojne w środku i stawiają opór: zamieniają się w tymczasowe magnesy, aby oprzeć się namagnesowaniu i słabo odpychają pola magnetyczne na zewnątrz siebie. Materiały te nazywamy diamagnetycznymi. Woda i wiele substancji organicznych (opartych na węglu), takich jak benzen, zachowują się w ten sposób. Przywiąż materiał diamagnetyczny do nitki i powieś go w polu magnetycznym, a obróci się tak, że będzie tworzył kąt 180° z polem.

Co powoduje magnetyzm?

W początkach XX wieku, zanim naukowcy właściwie zrozumieli strukturę atomów i ich działanie, wymyślili łatwą do zrozumienia ideę zwaną teorią domenową, aby wyjaśnić magnetyzm. Kilka lat później, kiedy lepiej zrozumieli atomy, odkryli, że teoria domeny nadal działa, ale sama może być wyjaśniona, na głębszym poziomie, przez teorię atomów. Wszystkie różne aspekty magnetyzmu, które obserwujemy, można ostatecznie wyjaśnić, mówiąc albo o domenach, albo o elektronach w atomach, albo o obu. Przyjrzyjmy się tym dwóm teoriom po kolei.

Wyjaśnienie magnetyzmu za pomocą teorii domen

Wyobraź sobie gdzieś fabrykę, która produkuje małe magnesy sztabkowe i wysyła je do szkół na lekcje nauki. Wyobraź sobie faceta o imieniu Dave, który musi prowadzić ich ciężarówkę, przewożącą mnóstwo kartonowych pudełek, każde z magnesem w środku, do innej szkoły. Dave nie ma czasu martwić się o to, w którą stronę są ułożone kartony, więc układa je w swojej ciężarówce w dowolny sposób. Magnes w jednym pudełku może być skierowany na północ, podczas gdy magnes obok niego jest skierowany na południe, wschód lub zachód. Ogólnie rzecz biorąc, magnesy są pomieszane, więc mimo że pola magnetyczne wyciekają z każdego pudełka, wszystkie się nawzajem znoszą.

W tej samej fabryce zatrudniony jest inny kierowca ciężarówki o imieniu Bill, który nie mógłby się bardziej różnić. Lubi porządek, więc ładuje ciężarówkę w inny sposób, układając wszystkie pudełka tak, by leżały dokładnie w ten sam sposób. Czy widzisz, co się stanie? Pole magnetyczne z jednej skrzyni wyrówna się z polem z pozostałych skrzyń… skutecznie zamieniając ciężarówkę w jeden gigantyczny magnes. Kabina będzie jak gigantyczny biegun północny, a tył ciężarówki jak gigantyczny biegun południowy!

To, co dzieje się wewnątrz tych dwóch ciężarówek, jest tym, co dzieje się w maleńkiej skali wewnątrz materiałów magnetycznych. Zgodnie z teorią domen, coś takiego jak sztabka żelaza zawiera mnóstwo maleńkich kieszonek zwanych domenami. Każda domena jest trochę jak pudełko z magnesem w środku. Widzisz, dokąd zmierzamy? Sztaba żelaza jest jak samochód ciężarowy. Normalnie, wszystkie jej „pudełka” są rozmieszczone w sposób przypadkowy i nie ma ogólnego magnetyzmu: żelazo nie jest namagnesowane. Ale ułóż wszystkie pudełka w kolejności, spraw, by były zwrócone w tę samą stronę, a otrzymasz ogólne pole magnetyczne: hej presto, sztaba jest namagnesowana.

Gdy przyłożysz magnes do nienamagnesowanej sztaby żelaza i będziesz go systematycznie i wielokrotnie przesuwał w górę i w dół, to co robisz, to zmieniasz układ wszystkich magnetycznych „pudełek” (domen) w środku tak, by wskazywały w tę samą stronę.

Teoria domen magnetycznych wyjaśnia, co dzieje się wewnątrz materiałów, gdy są namagnesowane. W materiale nienamagnesowanym (po lewej), domeny są rozmieszczone losowo, więc nie ma ogólnego pola magnetycznego. Kiedy namagnesujemy materiał (po prawej), poprzez wielokrotne przesuwanie po nim magnesu sztabkowego w tym samym kierunku, domeny układają się tak, że ich pola magnetyczne wyrównują się, wytwarzając połączone pole magnetyczne w tym samym kierunku.

Ta teoria wyjaśnia, jak może powstać magnetyzm, ale czy może wyjaśnić niektóre z innych rzeczy, które wiemy o magnesach? Jeśli przetniesz magnes na pół, to wiesz, że otrzymasz dwa magnesy, każdy z biegunem północnym i południowym. To ma sens zgodnie z teorią domen. Jeśli przetniesz magnes na pół, otrzymasz mniejszy magnes, który nadal jest pełen domen, a te mogą być ułożone północ-południe, tak jak w oryginalnym magnesie. A co z tym, że magnetyzm znika, gdy uderzymy w magnes lub go podgrzejemy? To też da się wytłumaczyć. Wyobraźmy sobie znowu furgonetkę pełną uporządkowanych pudełek. Jeździj nią nieregularnie, z naprawdę dużą prędkością, a będzie to trochę jak potrząsanie lub uderzanie młotkiem. Wszystkie pudełka rozsypią się w różne strony, a ogólny magnetyzm zniknie.Ogrzewanie magnesu wzburza go wewnętrznie i rozsypuje pudełka w ten sam sposób.

Wyjaśnienie magnetyzmu za pomocą teorii atomowej

Teoria domenowa jest łatwa do zrozumienia, ale nie jest to pełne wyjaśnienie. Wiemy, że żelazne sztabki nie są pełne pudełek wypełnionych małymi magnesami – a jeśli się zastanowić, próba wyjaśnienia magnesu przez stwierdzenie, że jest pełen mniejszych magnesów, nie jest w ogóle wyjaśnieniem, ponieważ natychmiast nasuwa pytanie: z czego są zrobione te mniejsze magnesy? Na szczęście istnieje inna teoria, do której możemy się odwołać.

Jeszcze w XIX wieku naukowcy odkryli, że mogą wykorzystać elektryczność do wytwarzania magnetyzmu, a magnetyzm do wytwarzania elektryczności. James Clerk Maxwell powiedział, że te dwa zjawiska są tak naprawdę różnymi aspektami tej samej rzeczy – elektromagnetyzmu – jak dwie strony tej samej kartki papieru. Elektromagnetyzm był genialnym pomysłem, ale stanowił raczej opis niż wyjaśnienie: pokazywał, jak rzeczy się mają, a nie wyjaśniał, dlaczego tak się mają. Dopiero w XX wieku, gdy późniejsi naukowcy zaczęli rozumieć świat wewnątrz atomów, pojawiło się wyjaśnienie dla elektromagnetyzmu.

Wiemy, że wszystko składa się z atomów i że atomy składają się z centralnej bryły materii zwanej jądrem. Drobne cząsteczki zwane elektronami poruszają się wokół jądra po orbitach, trochę jak satelity na niebie nad nami, ale one również obracają się wokół własnej osi w tym samym czasie (tak jak wirujące wierzchołki). Wiemy, że elektrony przenoszą prądy elektryczne (przepływy energii elektrycznej), kiedy poruszają się przez materiały takie jak metale.Elektrony są, w pewnym sensie, maleńkimi cząsteczkami elektryczności. Już w XIX wieku naukowcy wiedzieli, że poruszająca się elektryczność powoduje powstanie magnetyzmu. W XX wieku stało się jasne, że magnetyzm jest spowodowany przez elektrony poruszające się wewnątrz atomów i tworzące wokół nich pola magnetyczne. Domeny są w rzeczywistości grupami atomów, w których wirujące elektrony wytwarzają ogólne pole magnetyczne skierowane w jedną lub drugą stronę.

Artykuł: Magnetyzm jest spowodowany przez elektrony orbitujące i wirujące wewnątrz atomów. Zauważ, że ten obrazek nie jest narysowany w odpowiedniej skali: większość atomu to pusta przestrzeń, a elektrony są w rzeczywistości znacznie dalej od jądra, niż tu narysowałem.

Podobnie jak teoria domen, teoria atomowa może wyjaśnić wiele rzeczy, które wiemy o magnesach, w tym paramagnetyzm (sposób, w jaki materiały magnetyczne łączą się z polami magnetycznymi). Większość elektronów w atomie istnieje w parach, które obracają się w przeciwnych kierunkach, więc efekt magnetyczny jednego elektronu w parze niweluje efekt jego partnera. Ale jeśli atom ma kilka niesparowanych elektronów (atomy żelaza mają cztery), wytwarzają one pola magnetyczne netto, które łączą się ze sobą i zamieniają cały atom w mini magnes. Kiedy umieścisz paramagnetyk, taki jak żelazo, w polu magnetycznym, elektrony zmieniają swój ruch, aby wytworzyć pole magnetyczne, które pokrywa się z polem na zewnątrz.

Co z diamagnetyzmem? W materiałach diamagnetycznych nie ma niesparowanych elektronów, więc to się nie zdarza. Atomy mają mały lub żaden ogólny magnetyzm i są mniej dotknięte przez zewnętrzne pola magnetyczne. Jednak elektrony orbitujące wewnątrz nich są cząstkami naładowanymi elektrycznie i kiedy poruszają się w polu magnetycznym, zachowują się jak inne cząstki naładowane elektrycznie w polu magnetycznym i doświadczają siły. To zmienia ich orbity bardzo nieznacznie, wytwarzając pewien magnetyzm netto, który przeciwstawia się temu, co go wywołuje (zgodnie z klasycznym fragmentem teorii elektromagnetycznej znanym jako prawo Lenza, które jest związane z prawem zachowania energii).W rezultacie, słabe pole magnetyczne, które wytwarzają, przeciwstawia się polu magnetycznemu, które je wywołuje – to jest dokładnie to, co widzimy, gdy materiały diamagnetyczne próbują „walczyć” z polem magnetycznym, w którym są umieszczone.

Krótka historia magnetyzmu

• Świat starożytny: Magnetyzm jest znany starożytnym Grekom, Rzymianom i Chińczykom. Chińczycy używają kompasów geomantycznych (takich z drewnianymi napisami ułożonymi w pierścienie wokół centralnej igły magnetycznej) w Feng Shui. Magnesy zyskują swoją nazwę od Manisa w Turcji, miejsceonce nazwane Magnesia, gdzie magnetyczny lodestone został znaleziony w ziemi.
• 13th wieku: Kompasy magnetyczne są po raz pierwszy wykorzystywane do nawigacji w krajach zachodnich. Francuz Petrus Perigrinus (zwany również Peterof Maricourt) dokonuje pierwszych właściwych badań magnetyzmu.
• 17 wiek: Angielski lekarz i naukowiec William Gilbert(1544-1603) publikuje On Magnets, swoje monumentalne naukowe studium magnetyzmu, i proponuje, że Ziemia jest gigantycznym magnesem.
• 18 wiek: Anglik John Michell(1724-93) i Francuz CharlesAugustin de Coulomb (1736-1806) badają siły, jakie mogą wywierać magnesy. Coulomb prowadzi również ważne badania nad elektrycznością, ale nie udaje mu się połączyć elektryczności i magnetyzmu jako części tego samego zjawiska.
• 19 wiek: Duńczyk Hans Christian Oersted (1777-1851), Francuzi André-Marie Ampère (1775-1836) i Dominique Arago (1786-1853) oraz Anglik Michael Faraday (1791-1867) badają ścisłe związki między elektrycznością i magnetyzmem. James Clerk Maxwell (1831-1879) publikuje stosunkowo kompletne wyjaśnienie elektryczności i magnetyzmu (teoria elektromagnetyzmu) i sugeruje, że energia elektromagnetyczna przemieszcza się w falach (torując drogę do wynalezienia radia).Pierre Curie (1859-1906) wykazuje, że materiały tracą magnetyzm powyżej pewnej temperatury (obecnie znanej jako temperatura Curieta). Wilhelm Weber (1804-1891) opracowuje praktyczne metody wykrywania i pomiaru natężenia pola magnetycznego.
• 20 wiek: Paul Langevin (1872-1946) rozwija prace Curie’ego, tworząc teorię wyjaśniającą, w jaki sposób ciepło wpływa na magnetyzm. Francuski fizyk Pierre Weiss (1865-1940) proponuje istnienie cząstek zwanych magnetronami, równoważnych elektronom, które powodują magnetyczne właściwości materiałów i przedstawia teorię domen magnetycznych.Dwaj amerykańscy naukowcy, Samuel Abraham Goudsmit (1902-78) i George Eugene Uhlenbeck (1900-88), pokazują jak magnetyczne właściwości materiałów wynikają z ruchu wirowego elektronów w ich wnętrzu.