Co to jest magnetyzm? Definicja, przykłady, fakty

Starożytni ludzie używali kamieni szlachetnych, naturalnych magnesów wykonanych z żelaznego mineralnego magnetytu. W rzeczywistości słowo „magnes” pochodzi od greckich słów magnetis lithos, co oznacza „kamień magnezowy” lub kamień. Thales of Miletus badał właściwości magnetyzmu około 625 pne do 545 pne W tym samym czasie indyjski chirurg Sushruta używał magnesów do celów chirurgicznych. Chińczycy pisali o magnetyzmie w czwartym wieku p.n.e. i opisali użycie kamienia lodowego do przyciągnięcia igły w pierwszym wieku. Jednakże kompas nie był używany do nawigacji aż do XI wieku w Chinach i 1187 w Europie.

Chociaż magnesy były znane, nie było wyjaśnienia ich funkcji do 1819 r., Kiedy to Hans Christian Ørsted przypadkowo odkrył pola magnetyczne wokół przewodów pod napięciem. Związek między elektrycznością a magnetyzmem opisał James Clerk Maxwell w 1873 roku i włączone do Teoria szczególnej teorii względności Einsteina w 1905 r.

Czym więc jest ta niewidzialna siła? Magnetyzm jest spowodowany siłą elektromagnetyczną, która jest jedną z cztery podstawowe siły natury. Wszelkie ruchome ładunki elektryczne (prąd elektryczny) generuje pole magnetyczne prostopadłe do niego.

Oprócz prądu przepływającego przez drut, magnetyzm wytwarzany jest przez spinowe momenty magnetyczne cząstki elementarne, takie jak elektrony. Zatem cała materia jest w pewnym stopniu magnetyczna, ponieważ elektrony krążące wokół jądra atomowego wytwarzają pole magnetyczne. W obecności pola elektrycznego atomy i cząsteczki tworzą dipole elektryczne o dodatnim ładunku jądra poruszają się nieco w kierunku pola, a elektrony o ujemnym ładunku poruszają się w drugą stronę sposób.

Wszystkie materiały wykazują magnetyzm, ale zachowanie magnetyczne zależy od konfiguracji elektronów atomów i temperatury. Konfiguracja elektronów może powodować wzajemne znoszenie momentów magnetycznych (czyniąc materiał mniej magnetycznym) lub wyrównanie (czyniąc go bardziej magnetycznym). Rosnąca temperatura zwiększa losowy ruch termiczny, co utrudnia wyrównanie elektronów i zazwyczaj zmniejsza siłę magnesu.

Magnetyzm można sklasyfikować według przyczyny i zachowania. Główne rodzaje magnetyzmu to:

Diamagnetyzm: Wyświetlane są wszystkie materiały diamagnetyzm, która ma tendencję do odpychania przez pole magnetyczne. Jednak inne rodzaje magnetyzmu mogą być silniejsze niż diamagnetyzm, dlatego obserwuje się je tylko w materiałach, które nie zawierają niesparowanych elektronów. Kiedy pary elektronów są obecne, ich „spinowe” momenty magnetyczne wzajemnie się znoszą. W polu magnetycznym materiały diamagnetyczne są słabo magnesowane w kierunku przeciwnym do przyłożonego pola. Przykłady materiałów diamagnetycznych obejmują złoto, kwarc, wodę, miedź i powietrze.

Paramagnetyzm: W materiał paramagnetyczny, istnieją niesparowane elektrony. Niesparowane elektrony mogą dowolnie ustawiać swoje momenty magnetyczne. W polu magnetycznym momenty magnetyczne wyrównują się i są namagnesowane w kierunku przyłożonego pola, wzmacniając je. Przykłady materiałów paramagnetycznych obejmują magnez, molibden, lit i tantal.

Ferromagnetyzm: Materiały ferromagnetyczne mogą tworzyć magnesy trwałe i są przyciągane przez magnesy. Feromagnet ma niesparowane elektrony, a momenty magnetyczne elektronów mają tendencję do pozostawania w linii, nawet po usunięciu z pola magnetycznego. Przykłady materiałów ferromagnetycznych obejmują żelazo, kobalt, nikiel, stopy tych metali, niektóre stopy metali ziem rzadkich i niektóre stopy manganu.

Antyferromagnetyzm: W przeciwieństwie do ferromagnesów, wewnętrzne momenty magnetyczne elektronów walencyjnych w punkcie antyferromagnetycznym w przeciwnych kierunkach (przeciwrównoległe). Rezultatem jest brak momentu magnetycznego netto lub pola magnetycznego. Antyferromagnetyzm występuje w związkach metali przejściowych, takich jak hematyt, żelazo mangan i tlenek niklu.

Ferrimagnetyzm: Jak ferromagnesy, ferrimagnety zachowują namagnesowanie po usunięciu z pola magnetycznego, ale sąsiednie pary spinów elektronów wskazują w przeciwnych kierunkach. Układ siatki materiału powoduje, że moment magnetyczny skierowany w jednym kierunku jest silniejszy niż ten skierowany w drugim kierunku. Ferrimagnetyzm występuje w magnetycie i innych ferrytach. Podobnie jak ferromagnesy, ferrimagnety przyciągane są do magnesów.

Istnieją również inne rodzaje magnetyzmu, w tym superparamagnetyzm, metamagnetyzm i szkło wirujące.

Niektóre żywe organizmy wykrywają i wykorzystują pola magnetyczne. Zdolność wyczuwania pola magnetycznego nazywa się magnetocepcją. Przykłady stworzeń zdolnych do magnetocepcji obejmują bakterie, mięczaki, stawonogi i ptaki. Ludzkie oko zawiera białko kryptochromowe, które może pozwolić na pewien stopień magnetocepcji u ludzi.

Wiele stworzeń używa magnetyzmu, który jest procesem znanym jako biomagnetyzm. Na przykład chitony to mięczaki, które wykorzystują magnetyt do utwardzenia zębów. Ludzie wytwarzają również magnetyt w tkankach, co może wpływać na funkcje układu odpornościowego i nerwowego.