Mēs visi laiku pa laikam spēlējāmies ar magnētiem. Zemāk ir mēģinājums izskaidrot pamatus, kas slēpjas noslēpumainā magnēta slepenajā iekšējā darbībā.
Magnēts ir jebkurš materiāls vai priekšmets, kas rada magnētisko lauku. Šis magnētiskais lauks ir atbildīgs par magnēta īpašībām: spēku, kas pievelk citus feromagnētiskos materiālus un piesaista vai atgrūž citus magnētus. Pastāvīgais magnēts ir priekšmets, kas izgatavots no materiāla, kurš tiek magnetizēts un rada pats savu pastāvīgo magnētisko lauku. Materiālus, kurus var magnetizēt un kurus stipri pievelk magnēts, sauc par feromagnētiskiem. Lai arī feromagnētiskie materiāli ir vienīgie, kurus magnēts piesaista pietiekami stingri, lai tos parasti uzskatītu par magnētiem, visas pārējās vielas vāji reaģē uz magnētisko lauku.
Daži fakti par magnētiem:
- magnēta ziemeļpols norāda uz ģeomagnētisko ziemeļpolu (dienvidu magnētisko polu), kas atrodas Kanādā virs polārā loka.
- ziemeļu stabi atgrūž ziemeļu stabus
- dienvidu stabi atgrūž dienvidu stabi
- ziemeļpoli piesaista dienvidu polus
- dienvidu polus piesaista ziemeļu stabi
- pievilkšanas vai atbaidīšanas spēks mainās apgriezti atkarībā no attāluma kvadrātā
- magnēta stiprums dažādās magnēta vietās mainās
- magnēti ir stiprākie pie saviem poliem
- magnēti ļoti piesaista tēraudu, dzelzi, niķeli, kobaltu, gadolīniju
- magnēti nedaudz piesaista šķidro skābekli un citus materiālus
- magnēti nedaudz atgrūž ūdeni, oglekli un boru
Magnētu darbības mehānika patiešām sabojājas līdz atomu līmenim. Kad vadā plūst strāva, ap vadu tiek izveidots magnētiskais lauks. Strāva ir vienkārši kustīgu elektronu ķekars, un kustīgie elektroni veido magnētisko lauku. Tādējādi elektromagnēti tiek izgatavoti darbam.
Ap atoma kodolu atrodas elektroni. Zinātnieki mēdza domāt, ka viņiem ir apļveida orbītas, taču ir atklājuši, ka lietas ir daudz sarežģītākas. Faktiski elektronu shēmās vienā no šīm orbītām ir ņemti vērā Šroedingera viļņu vienādojumi. Elektroni aizņem noteiktus apvalkus, kas ieskauj atoma kodolu. Šīm čaumalām ir piešķirti burtu nosaukumi K, L, M, N, O, P, Q. Viņiem ir piešķirti arī skaitļu nosaukumi, piemēram, 1,2,3,4,5,6,7 (domājiet, ka kvantu mehānika). Apvalkā var būt apakššūnas vai orbitāles ar burtu nosaukumiem, piemēram, s, p, d, f. Daži no šiem orbitāļiem izskatās kā sfēras, citi - kā smilšu pulkstenis, citi - kā pērlītes. K apvalks satur orbitālu, ko sauc par 1s orbitāli. L apvalks satur s un p orbitāli, ko sauc par 2s un 2p orbitāli. M apvalks satur s, p un d orbitāli, ko sauc par 3s, 3p un 3d orbitāli. Katrs N, O, P un Q apvalks satur s, p, d un f orbitālu, ko sauc par 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d un 7f orbitāli. Šīm orbitālēm ir arī dažādas suborbitāles. Katrā no tiem var būt tikai noteikts skaits elektronu. Sub-orbitāli var aizņemt ne vairāk kā 2 elektroni, ja vienam ir griešanās uz augšu, otram - lejupvērsta griešanās. Tajā pašā suborbitālā (Pauli izslēgšanas princips) nevar būt divi elektroni ar spin augšu. Arī tad, ja subdirbitālā ir pāris elektronu, to apvienotie magnētiskie lauki viens otru izslēgs. Ja jūs sajaukt, jūs neesat viens. Daudzi cilvēki šeit apmaldās un vienkārši brīnās par magnētiem, nevis meklē tālāk.
Apskatot feromagnētiskos metālus, ir grūti saprast, kāpēc tie ir tik atšķirīgi, un veido periodiskā tabulā blakus esošos elementus. Ir vispārpieņemts, ka feromagnētiskajiem elementiem ir lieli magnētiskie momenti, jo to ārējās orbitālēs nav pāra elektronu. Tiek uzskatīts, ka arī elektronu griešanās rada minūtes magnētisko lauku. Šiem laukiem ir salikšanas efekts, tāpēc, kad jūs saņemat šo lauku kopu, tie tiek pievienoti lielākiem laukiem.
Aplūkojot jautājumu “kā darbojas magnēti?”, Feromagnētisko materiālu atomiem parasti ir savs magnētiskais lauks, ko rada elektroni, kas tos riņķo. Nelielām atomu grupām ir tendence orientēties vienā virzienā. Katru no šīm grupām sauc par magnētisko domēnu. Katram domēnam ir savs ziemeļpols un dienvidu pole. Ja dzelzs gabals netiek magnetizēts, domēni netiks norādīti tajā pašā virzienā, bet būs vērsti nejauši, atceļot viens otru un neļaujot dzelzs ziemeļu vai dienvidu polim vai būt magnētam. Ja jūs ieviesīsit strāvu (magnētisko lauku), domēni sāks rindoties ar ārējo magnētisko lauku. Jo jaunāka tiek piemērota, jo lielāks ir saskaņoto domēnu skaits. Tā kā ārējais magnētiskais lauks kļūst stiprāks, arvien vairāk un vairāk domēnu ar to sakārtosies. Būs punkts, kurā visi dzelzs domēni ir saskaņoti ar ārējo magnētisko lauku (piesātinājumu) neatkarīgi no tā, cik magnētiskais lauks ir spēcīgāks. Pēc ārējā magnētiskā lauka noņemšanas mīkstie magnētiskie materiāli atgriezīsies nejauši orientētos domēnos; tomēr cietie magnētiskie materiāli lielāko daļu domēnu sakārtos, izveidojot spēcīgu pastāvīgo magnētu. Tātad, tur jums tas ir.
Mēs esam uzrakstījuši daudzus rakstus par magnātiem Space Magazine. Šis ir raksts par stieņu magnētiem, un šeit ir raksts par super magnētiem.
Ja vēlaties iegūt vairāk informācijas par magnētiem, apskatiet dažus lieliskus eksperimentus ar magnētiem, un šeit ir saite uz Wise Geek rakstu par supermagnetiem.
Mēs esam ierakstījuši arī veselu epizodi no astronomijas, kas stāsta par magnētismu. Klausieties šeit, 42. epizode: magnētisms visur.
Avoti:
Gudrs Geeks
Wikipedia: magnēts
Wikipedia: Feromagnētisms
