Olemme kaikki pelanneet magneeteilla aika ajoin. Seuraavaksi yritetään selittää salaperäisen magneetin salaisten sisäisten toimintojen perusteet.
Magneetti on mikä tahansa materiaali tai esine, joka tuottaa magneettikentän. Tämä magneettikenttä vastaa magneetin ominaisuudesta: voima, joka vetää muihin ferromagneettisiin materiaaleihin ja houkuttelee tai hylkää muita magneetteja. Kestomagneetti on esine, joka on valmistettu materiaalista, joka magnetoidaan ja luo oman pysyvän magneettikentän. Magnetoitavia materiaaleja, jotka vetävät voimakkaasti magneettia, kutsutaan ferromagneettisiksi. Vaikka ferromagneettiset materiaalit ovat ainoita, jotka vetävät magneettia tarpeeksi voimakkaasti, jotta niitä voidaan pitää yleisesti magneettina, kaikki muut aineet reagoivat heikosti magneettikentään.
Joitakin faktoja magneetteista ovat:
- magneetin pohjoisnapa osoittaa geomagneettiseen pohjoisnapaan (eteläinen magneettinapa), joka sijaitsee Kanadassa napapiirin yläpuolella.
- pohjoisnavat hylkivät pohjoisnavat
- etelänavat torjuvat etelänavat
- pohjoisnavat houkuttelevat etelänapoja
- etelänavat houkuttelevat pohjoisnapoja
- vetovoima tai torjuntavoima vaihtelee käänteisesti etäisyyden suhteen neliöön
- magneetin lujuus vaihtelee magneettin eri kohdissa
- Magneetit ovat vahvin napoillaan
- magneetit houkuttelevat voimakkaasti terästä, rautaa, nikkeliä, kobolttia, gadoliinia
- magneetit houkuttelevat hieman nestemäistä happea ja muita materiaaleja
- magneetit hylkivät hieman vettä, hiiltä ja booria
Magneettien toiminnan mekaniikka hajoaa todella atomitasolle. Kun virta virtaa johdossa, langan ympärille syntyy magneettikenttä. Virta on yksinkertaisesti joukko liikkuvia elektroneja, ja liikkuvat elektronit tekevät magneettikentän. Näin sähkömagneetit saadaan toimimaan.
Atomin ytimen ympärillä on elektroneja. Tutkijat ajattelivat, että heillä oli pyöreä kiertorata, mutta ovat huomanneet, että asiat ovat paljon monimutkaisempia. Itse asiassa elektronin kuviot yhdessä näistä orbitaaleista ottavat huomioon Schroedingerin aaltoyhtälöt. Elektronit miehittävät tietyt kuoret, jotka ympäröivät atomin ydintä. Näille kuorille on annettu kirjainimet K, L, M, N, O, P, Q. Heille on myös annettu numeronimi, kuten 1,2,3,4,5,6,7 (ajattele kvantmekaniikkaa). Kuoren sisällä voi olla alakuoria tai kiertoratoja, joissa on kirjainimet, kuten s, p, d, f. Jotkut näistä orbitaaleista näyttävät palloilta, toiset kuin tiimalasi, toiset taas kuin helmet. K-kuori sisältää orbitaalin, jota kutsutaan 1s: n kiertoradaksi. L-kuori sisältää s- ja p-kiertoradan, jota kutsutaan 2s- ja 2p-kiertoradaksi. M-kuori sisältää s-, p- ja d-kiertoradan, jota kutsutaan 3s, 3p ja 3d kiertoradaksi. N, O, P ja Q-kuoret sisältävät kumpikin s, p, d ja f-kiertoradan, jota kutsutaan 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d ja 7f kiertorata. Näillä rataväylillä on myös erilaisia sub-kiertoratoja. Jokainen voi sisältää vain tietyn määrän elektroneja. Enintään 2 elektronia voi miehittää suborbitaalin, jossa toisella on spin ylöspäin, toisella spin alhaalla. Ei voi olla kahta elektronia, joiden spin ylöspäin samassa sub-orbitaalissa (Paulin poissulkemispääoma). Lisäksi, kun sinulla on pari elektronia sub-orbitaalissa, niiden yhdistetyt magneettikentät kumoavat toisiaan. Jos olet hämmentynyt, et ole yksin. Monet ihmiset eksyvät täällä ja vain ihmettelevät magneetteja sen sijaan, että jatkaisivat tutkimusta.
Kun katsot ferromagneettisia metalleja, on vaikea ymmärtää, miksi ne ovat niin erilaisia, muodostaen jaksollisen taulukon vieressä olevat elementit. On yleisesti hyväksyttyä, että ferromagneettisilla elementeillä on suuret magneettiset momentit, koska niiden ulko-kiertoradalla ovat parittomat elektronit. Elektronin spin-arvon ajatellaan myös muodostavan minuutin magneettikentän. Nämä kentät ovat yhdistävä vaikutus, joten kun saat joukon näitä kenttiä yhdessä, ne lisäävät suurempia kenttiä.
Kääriytyäkseen kysymykseen siitä, miten magneetit toimivat? Ferromagneettisten materiaalien atomeilla on yleensä oma magneettikenttä, joka on luotu niitä kiertävien elektronien avulla. Pienillä atomiryhmillä on taipumus suuntautua samaan suuntaan. Jokaista näistä ryhmistä kutsutaan magneettiseksi alueeksi. Jokaisella verkkotunnuksella on oma pohjoisnapa ja etelänapa. Kun rautaosaa ei magnetoida, domeenit eivät osoita samaan suuntaan, vaan osoittavat satunnaisiin suuntiin poistamalla toisiaan ja estämällä rautaa pitämästä pohjois- tai etelänapaa tai olemasta magneettia. Jos syötät virran (magneettikenttä), domeenit alkavat linjautua ulkoisen magneettikentän kanssa. Mitä nykyisempää käytetään, sitä suurempi on kohdistettujen verkkotunnusten lukumäärä. Kun ulkoinen magneettikenttä vahvistuu, yhä useammat domeenit linjautuvat sen kanssa. Siellä on kohta, jossa kaikki raudan domeenit ovat kohdistettu ulkoisen magneettikentän (kylläisyyden) suhteen riippumatta siitä, kuinka voimakkaasti magneettikenttä tehdään. Kun ulkoinen magneettikenttä on poistettu, pehmeät magneettiset materiaalit palaavat satunnaisesti suuntautuneisiin alueisiin; kovat magneettiset materiaalit pitävät kuitenkin suurimman osan domeeneistaan linjassa, jolloin muodostuu vahva pysyvä magneetti. Joten, siellä sinulla on se.
Olemme kirjoittaneet monia artikkeleita magneetteista Space Magazine -lehteen. Tässä on artikkeli baarimagneeteista ja tässä artikkeli supermagneeteista.
Jos haluat lisätietoja magneeteista, tutustu hienoihin kokeisiin magneeteilla. Tässä on linkki Wise Geekin artikkeliin supermagneeteista.
Olemme myös nauhoittaneet koko jakson tähtitiede-näyttelijöistä, jotka käsittelevät kaikkia magneettisuuksia. Kuuntele tästä, jakso 42: Magnetismi kaikkialla.
Lähteet:
Viisas Geek
Wikipedia: Magneetti
Wikipedia: Ferromagneettisuus
