Мы все время от времени играли с магнитами. Ниже приведена попытка объяснить основы тайной внутренней работы таинственного магнита.
Магнит - это любой материал или объект, который создает магнитное поле. Это магнитное поле отвечает за свойство магнита: силу, которая воздействует на другие ферромагнитные материалы и притягивает или отталкивает другие магниты. Постоянный магнит - это объект, изготовленный из материала, который намагничен и создает свое собственное постоянное магнитное поле. Материалы, которые могут намагничиваться, которые сильно притягиваются к магниту, называются ферромагнитными. Хотя ферромагнитные материалы являются единственными, которые притягиваются к магниту достаточно сильно, чтобы их можно было считать магнитными, все другие вещества слабо реагируют на магнитное поле.
Некоторые факты о магнитах включают в себя:
- северный полюс магнита указывает на геомагнитный северный полюс (южный магнитный полюс), расположенный в Канаде над полярным кругом.
- северные полюса отражают северные полюса
- южные полюса отражают южные полюса
- северные полюса притягивают южные полюса
- южные полюса притягивают северные полюса
- сила притяжения или отталкивания изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния
- сила магнита варьируется в разных местах на магните
- магниты самые сильные на своих полюсах
- магниты сильно притягивают сталь, железо, никель, кобальт, гадолиний
- магниты слегка притягивают жидкий кислород и другие материалы
- магниты слегка отталкивают воду, углерод и бор
Механика работы магнитов действительно разрушается вплоть до атомного уровня. Когда ток течет по проводу, вокруг него создается магнитное поле. Ток - это просто группа движущихся электронов, а движущиеся электроны создают магнитное поле. Так работают электромагниты.
Вокруг ядра атома есть электроны. Ученые думали, что у них круговые орбиты, но обнаружили, что все намного сложнее. На самом деле, паттерны электрона на одной из этих орбиталей учитывают волновые уравнения Шредингера. Электроны занимают определенные оболочки, которые окружают ядро атома. Эти снаряды получили буквенные названия K, L, M, N, O, P, Q. Им также дали числовые имена, такие как 1,2,3,4,5,6,7 (подумайте о квантовой механике). Внутри оболочки могут существовать подоболочки или орбитали с такими буквенными именами, как s, p, d, f. Некоторые из этих орбиталей выглядят как сферы, некоторые как песочные часы, а другие как бусы. Оболочка K содержит s-орбиталь, называемую 1s-орбиталью. Оболочка L содержит s и p-орбиталь, называемую 2s и 2p-орбиталью. Оболочка M содержит орбитали s, p и d, называемые 3s, 3p и 3d орбитали. Оболочки N, O, P и Q содержат орбитали s, p, d и f, которые называются 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d и 7f орбитальный. Эти орбитали также имеют различные суборбитали. Каждый может содержать только определенное количество электронов. Максимум 2 электрона могут занимать суборбиталь, где у одного есть вращение вверх, у другого есть вращение вниз. Не может быть двух электронов со спином на одной суборбитали (принцип исключения Паули). Кроме того, когда у вас есть пара электронов на суборбитали, их объединенные магнитные поля взаимно компенсируют друг друга. Если вы сбиты с толку, вы не одиноки. Многие люди теряются здесь и просто интересуются магнитами, вместо того, чтобы продолжать исследования.
Когда вы смотрите на ферромагнитные металлы, трудно понять, почему они так отличаются от элементов рядом с ними в периодической таблице. Общепринято, что ферромагнитные элементы имеют большие магнитные моменты из-за неспаренных электронов на их внешних орбиталях. Считается, что спин электрона также создает небольшое магнитное поле. Эти поля имеют сложный эффект, поэтому, когда вы собираете кучу этих полей вместе, они складываются в большие поля.
Чтобы подвести итог «как работают магниты?», Атомы ферромагнитных материалов имеют тенденцию иметь свое собственное магнитное поле, создаваемое электронами, которые вращаются вокруг них. Небольшие группы атомов стремятся ориентироваться в одном направлении. Каждая из этих групп называется магнитным доменом. Каждый домен имеет свой собственный северный полюс и южный полюс. Когда кусок железа не намагничен, домены не будут указывать в одном и том же направлении, но будут указывать в случайных направлениях, перекрывая друг друга и не давая железу иметь северный или южный полюс или быть магнитом. Если вы введете ток (магнитное поле), домены начнут выравниваться с внешним магнитным полем. Чем больше применяется тока, тем больше количество выровненных доменов. По мере того как внешнее магнитное поле становится сильнее, все больше и больше доменов будут выстраиваться вместе с ним. Будет точка, в которой все домены внутри железа выровнены с внешним магнитным полем (насыщением), независимо от того, насколько сильным является магнитное поле. После удаления внешнего магнитного поля магнитомягкие материалы вернутся в случайно ориентированные домены; однако твердомагнитные материалы сохранят большую часть своих доменов выровненными, создавая сильный постоянный магнит. Итак, вот оно.
Мы написали много статей о магнитах для журнала Space. Вот статья о стержневых магнитах и статья о супермагнитах.
Если вам нужна дополнительная информация о магнитах, посмотрите интересные эксперименты с магнитами, и вот ссылка на статью о супермагнитах от Wise Geek.
Мы также записали целый эпизод «Астрономического актера», посвященный магнетизму. Послушайте, Эпизод 42: Повсюду магнетизм.
Источники:
Мудрый выродок
Википедия: Магнит
Википедия: Ферромагнетизм
