Kas yra magnetizmas? Apibrėžimas, pavyzdžiai, faktai

Senovės žmonės naudojo ludestones, natūralius magnetus, pagamintus iš geležies mineralinio magnetito. Iš tikrųjų žodis „magnetas“ kilęs iš graikų kalbos žodžių magnetas litos, kuris reiškia „Magnezijos akmuo“ arba lodestonas. Thalesas iš Mileto ištyrė magnetizmo savybes maždaug nuo 625 BCE iki 545 BCE. Indijos chirurgas Sushruta maždaug tuo pačiu metu naudojo magnetus chirurginiais tikslais. Kinai rašė apie magnetizmą ketvirtajame amžiuje prieš mūsų erą ir aprašė, kaip panaudodami pustomą akmenį pritraukti adatą pirmajame amžiuje. Tačiau kompasas navigacijai nebuvo naudojamas iki XI amžiaus Kinijoje ir 1187 Europoje.

Nors magnetai buvo žinomi, jų funkcijos paaiškinti nebuvo galima iki 1819 m., Kai Hansas Christianas Ørstedas atsitiktinai aptiko magnetinius laukus aplink gyvus laidus. Elektros ir magnetizmo santykį apibūdino Jamesas Clerkas Maxwellas 1873 m. ir įtrauktas į Einšteino specialiojo reliatyvumo teorija 1905 m.

Taigi, kas yra ši nematoma jėga? Magnetizmas sukelia elektromagnetinė jėga, kuri yra viena iš keturios pagrindinės jėgos gamtos. Bet koks judantis elektros krūvis (elektros srovė) sukuria statmeną magnetinį lauką.

Be srovės, einančios per laidą, magnetiškumą sukuria sukimosi magnetiniai momentai elementariosios dalelės, pavyzdžiui, elektronai. Taigi visa materija tam tikru laipsniu yra magnetinė, nes elektronai, skriejantys aplink atominį branduolį, sukuria magnetinį lauką. Esant elektriniam laukui, atomai ir molekulės sudaro elektrinius dipolius, turinčius teigiamą krūvį branduoliai, judantys maža dalele lauko, ir neigiamai įkrauti elektronai, judantys kita linkme būdas.

Visos medžiagos pasižymi magnetizmu, tačiau magnetinis elgesys priklauso nuo atomų elektronų konfigūracijos ir temperatūros. Dėl elektronų konfigūracijos magnetiniai momentai gali panaikinti vienas kitą (padaryti medžiagą mažiau magnetišką) arba sulygiuoti (padaryti ją labiau magnetinę). Kylant temperatūrai, padidėja atsitiktinis šiluminis judesys, dėl to elektronams tampa sunkiau sulygiuoti ir paprastai sumažėja magneto stipris.

Magnetizmas gali būti klasifikuojamas pagal jo priežastį ir elgesį. Pagrindinės magnetizmo rūšys yra:

Diamagnetizmas: Rodomos visos medžiagos diamagnetizmas, tai yra polinkis atstumti magnetinį lauką. Tačiau kiti magnetizmo tipai gali būti stipresni nei diamagnetizmas, todėl jis pastebimas tik tose medžiagose, kuriose nėra nesuporuotų elektronų. Kai yra elektronų poros, jų „sukinio“ magnetiniai momentai panaikina vienas kitą. Magnetiniame lauke diamagnetinės medžiagos silpnai įmagnetinamos priešinga nukreipto lauko kryptimi. Diamagnetinių medžiagų pavyzdžiai yra auksas, kvarcas, vanduo, varis ir oras.

Paramagnetizmas: A paramagnetinė medžiaga, yra nesusieti elektronai. Nesuderinti elektronai gali laisvai derinti savo magnetinius momentus. Magnetiniame lauke magnetiniai momentai sulygiuojami ir įmagnetuojami taikomo lauko kryptimi, jį sustiprinant. Paramagnetinių medžiagų pavyzdžiai yra magnis, molibdenas, ličio ir tantalo.

Feromagnetizmas: Feromagnetinės medžiagos gali sudaryti nuolatinius magnetus ir jas traukia. Feromagnetas turi nesuporuotų elektronų, be to, elektronų magnetiniai momentai linkę išlikti išlyginti net ir pašalinus juos iš magnetinio lauko. Feromagnetinių medžiagų pavyzdžiai yra geležis, kobaltas, nikelis, šių metalų lydiniai, kai kurie retųjų žemių lydiniai ir kai kurie mangano lydiniai.

Antiferromagnetizmas: Priešingai nei feromagnetai, valentinių elektronų vidiniai magnetiniai momentai antiferromagnetiniame taške yra priešingomis kryptimis (anti-paralelūs). Rezultatas nėra grynasis magnetinis momentas ar magnetinis laukas. Antiferromagnetizmas pastebimas pereinamųjų metalų junginiuose, tokiuose kaip hematitas, geležies manganas ir nikelio oksidas.

Ferimagnetizmas: Kaip feromagnetai, ferrimagnetai išlaikyti įmagnetinimą kai pašalinamas iš magnetinio lauko, bet gretimos elektronų sukinio poros nukreiptos priešingomis kryptimis. Medžiagos grotelių išdėstymas padaro magnetinį momentą, nukreiptą į vieną pusę stipresnį, nei nukreiptą kita kryptimi. Ferimagnetizmas pasireiškia magnetite ir kituose ferituose. Kaip ir feromagnetai, feromagnetai traukia magnetus.

Yra ir kitų tipų magnetizmo, įskaitant superparamagnetizmą, metamagnetizmą ir besisukantį stiklą.

Kai kurie gyvi organizmai aptinka ir naudoja magnetinius laukus. Gebėjimas pajusti magnetinį lauką vadinamas magnetocepcija. Gyvūnų, galinčių magnetine prasme, pavyzdžių yra bakterijos, moliuskai, nariuotakojai ir paukščiai. Žmogaus akyje yra kriptochromo baltymo, kuris žmonėms gali leisti šiek tiek magnetocepcijos.

Daugelis tvarinių naudoja magnetizmą, kuris yra procesas, žinomas kaip biomagnetizmas. Pavyzdžiui, chitonai yra moliuskai, kurie naudoja magnetitą sukietėjus dantims. Žmonės taip pat audinyje gamina magnetitą, kuris gali paveikti imuninę ir nervų sistemos funkcijas.