magnet

Magnet je objekt, koji u prostoru u svojoj blizini stvara magnetno polje. Može imati obliku permanentnog magneta ili elektromagneta. Permanentni magneti ne zahtijevaju nikakvu vanjsku energiju za stvaranje magnetnog polja. Pojavljuju se prirodno u nekim mineralima, ali se mogu i izraditi. Elektromagneti zahtijevaju električnu energiju za stvaranje magnetnog polja.

Svojstva magneta

Magneti su privlačeni ili odbijeni drugim materijalima. Materijal koji je jako privlačen magnetom ima visoku permeabilnost. Železo i čelik su dva primjera materijala s vrlo visokom permeabilnošću i jako su privlačeni magnetima. Voda ima toliko nisku permeabilnost da je magnetnim poljem lako odbijena.

SI-jedinica za magnetsku indukciju, koja je pogrešno smatrana za „intenzitet“ magnetnog polja, je tesla (oznaka T). Homogeno magnetno polje, koje ima magnetsku indukciju 1 T djeluje na svaki metar pravog vodiča koji prenosi struju od 1 amper silom 1 newton. Jedinica SI za intenzitet magnetnog polja je amper po metru (A/m). Jedinica SI magnetnog toka je Weber (oznaka Wb). Magnetni tok je produkt magnetske indukcije i površine kroz koju prolazi polje; 1 Wb = 1 T·m². To je vrlo visoka vrijednost magnetnog toka.

Povijest

Riječ magnet potječe iz grčkog μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), što znači „magnezijev kamen“. Magnesia je bila regija u Antickom Grčkoj, današnja Manisa u Turskoj, gdje su bile otkrivene rezerve magnetita već u antici. Stari kineski plovci bili su među prvima zabilježenim korisnicima magnetskih kompasa.

U mitologiji arapskih moreplovaca važnu ulogu igrala je priča o magnetnoj planini. U petnaestom stoljeću Arabi su bili toliko strahovali od magnetne planine da su u svojim brodovima koristili bilo kakve željezne predmete (pa ni čavle).

Fizički uzrok magnetizma

Permanentni magneti

Materija je sastavljena od čestica kao što su protoni, neutroni i elektroni i sve imaju osnovno svojstvo: kvantni mehanički spin. Spin daje svakoj ovoj čestici određeno magnetno polje. Stoga bi se moglo očekivati da će svaka materija biti magnetska, čak antimaterija ima magnetska svojstva. Iako to nije slučaj.

U svakom atomu i molekuli spin ove čestice je strogo organiziran prema Pauliho isključivačkom principu. Ovaj princip organizacije spinova ne vrijedi na veliku udaljenost između atoma i molekula. Bez ove udaljene organizacije neće nastati mrežno magnetno polje, jer je magnetski moment svake čestice poništen momentom drugih čestica.

Permanentni magneti su posebni u tome što u njima postoji udaljena organizacija. Najviši stupanj organizacije postoji u magnetnim domenama. To se može usporediti s mikroskopskim susjedstvima, gdje postoji jako djelovanje između čestica, a rezultat je visok stupanj organizacije. Što je viša organizacija u domeni, to je jakije rezultirajuće polje.

Udaljena organizacija (i rezultirajuće jako magnetno polje) je glavna karakteristika feromagnetskih materijala.

Električko stvaranje magnetizma

Elektroni igraju ključnu ulogu u stvaranju magnetnog polja. Unutar atoma elektroni mogu postojati samostalno ili u parovima na bilo kojoj orbiti. Ako su parirani, pojedinačni elektroni iz tog para imaju suprotni spin – jedan gore, drugi dolje. Činjenica da su spinovi suprotni znači da jedan poništava drugi. Ako su svi elektroni parirani, neće se stvoriti magnetno polje.

U nekim atomima postoje neparni elektroni. Svi magneti imaju neparni elektrone, ali ne svi atomi s neparnim elektronima su feromagnetski. Da bi materijal bio feromagnetski, mora sadržavati neparni elektrone, ali ti moraju djelovati na veliku udaljenost tako da su svi usmjereni prema istom smjeru. Specifična pozicija elektrona u atomu (i također udaljenost između atoma) je ono što stvara udaljenu organizaciju. Elektroni imaju nižu energiju dok su usmjereni na isti način.

Elektromagneti

Elektromagnet u svojoj najjednostavnijoj formi je žica zavijena u jednu ili više zavojnica. Takvoj zavojnici se kaže solenoid. Kada struja prolazi kroz zavojnicu, stvara se oko nje magnetno polje. Smjer ovog polja se može odrediti prema pravilu desne ruke. Jakost polja je utjecana više faktora. Broj zavojnica određuje raspon djelovanja, količina struje određuje količinu aktivnosti, a materijal u jezgru određuje električni otpor. Što je više zavojnica i viša struja, to je jakije magnetno polje.

Ako je zavojnica u sredini prazna, generiraće vrlo slabo polje. U sredinu zavojnice može se ubaciti različiti feromagnetski ili paramagnetski predmeti, što će pojačati njihovo magnetno polje, npr. željezni čavli. Za ovu svrhu se često koristi meko željezo. Dodavanje takvih predmeta može pojačati polje stotinu do tisuću puta.

Na daleke udaljenosti magnetna polja se upravljaju zakonom obrnute kvadratne udaljenosti. To znači da je jakost polja obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti od magneta.

Ako je magnet u kontaktu s ravnom kovinskom pločom, sila potrebna za njihovo razdvajanje mora biti toliko veća, koliko je bliže kontakt između dvije površine. Što su ravne površine, to je više dodirnih točaka između njih i manje otpora između magnetskog kruga i magnetskog polja.

Elektromagneti se koriste u mnogim slučajevima, od ubrzivača čestica kroz kranove na otpadnom području do strojeva za magnetnu rezonanciju. Postoje i posebni procesi koji zahtijevaju više od jednostavnog dvopolnog magneta, kao npr. četveropolni magnet, koji se koristi za fokusiranje snopa čestica.

Ako kroz elektromagnet prolazi dovoljno struje, magnetska sila između susjednih zavojnica zavojnice može uzrokovati da se elektromagnet razbije vlastitom magnetskom silom.

Karakteristike magneta

Permanentni magneti i dvopolni[

Svi magneti imaju barem dva pola: tj. imaju najmanje jedan sjeverni i jedan južni pol. Pola nisu par predmeta na ili unutar magneta. Na početku članka je slika magneta, pola na njoj izgledaju kao dvije specifične regije, jer se najveća površinska jakost polja pojavljuje na polovima magneta, ali to ne znači da su to specifične regije.

Da biste razumjeli pola, možete zamisliti red ljudi koji se svi gledaju istim smjerom i stoje u jednoj ravnini. Iako možemo odrediti regiju gdje se nalaze svi licani i gdje svi leđa, ne postoji jedan točka gdje se nalaze svi. Svaki pojedinci ima licu na jednoj strani i leđa na drugoj. Kada se red podijeli na polovinu, svaka polovica će imati licu i leđa. Čak i kada se red podijeli na pojedince, svaki će imati svoju licu i leđa. Na ovaj način se može nastaviti u beskonačnost.

Isto je i s magnetima. Na magneta nema mjesta gdje se nalaze svi južni ili sjeverni pola. Kada se magnet podijeli na dva, oba će imati sjeverni i južni pol. Ova dva manja magneta se mogu dalje podijeliti i svaki dio će imati oba pola. U većini slučajeva, kada budemo materijal dijeliti na sve manje i manje dijelove, jednog dana ćemo doći do točke gdje će pojedine čestice biti toliko male da neće moći zadržati magnetsko polje. Iako to neće postati odvojeni polovi, samo će izgubiti sposobnost zadržavanja magnetskog polja. Neke materijale možemo dijeliti sve do molekularne razine i i dalje će zadržavati polje s južnim i sjevernim polom. Postoje teorije o odvojenim južnim i sjevernim polovima – magnetnim monopolima, ali takav monopol još nije pronađen nigdje.

Određivanje sjevernog pola i zemaljsko magnetno polje

Standardna oznaka polova magneta je važna. U povijesti riječi sjeverni i južni pokazivali su na svjesnost odnosa između magneta i magnetnog polja Zemlje. Slobodno poduprti magnet se uvijek vremenom okreće od sjevera prema jugu, jer ga privlače sjeverni i južni geografski polovi. Kraj magneta koji pokazuje prema zemljinom geografskom sjevernom polu, označuje se kao sjeverni pol magneta, dio koji pokazuje prema jugu pak kao južni pol magneta.

Trenutni geografski sjeverni pol je zapravo magnetni jug. Da bi se situacija još dodatno komplicirala, magnetizirane stijene na dnu oceana pokazuju da se magnetno polje Zemlje u prošlosti okrenulo, pa će ovo pomenovanje polova u budućnosti vjerojatno biti opet obrnuto.

Srećom, upotrebom elektromagneta i pravila desne ruke, moguće je odrediti orijentaciju magnetnog polja magneta bez znanja o zemaljskom geomagnetnom polju.

Da bi se izbjegli problemi između geografskih i magnetnih polova, kod magneta često se koristi oznaka povoljni i negativni pol. Povoljni je onaj koji se okreće prema sjeveru.