Всі ми час від часу грали з магнітами. Нижче - спроба пояснити основи таємної внутрішньої роботи таємничого магніту.
Магніт - це будь-який матеріал або предмет, який виробляє магнітне поле. Це магнітне поле відповідає за властивість магніту: силу, яка тягне за собою інші феромагнітні матеріали та притягує або відштовхує інші магніти. Постійний магніт - це предмет, виготовлений з матеріалу, який намагнічується і створює власне стійке магнітне поле. Матеріали, які можна намагнічувати, які сильно притягуються до магніту, називають феромагнітними. Хоча феромагнітні матеріали є єдиними, що притягуються до магніту досить сильно, щоб їх можна вважати магнітними, всі інші речовини слабо реагують на магнітне поле.
Деякі факти про магніти включають:
- північний полюс магніту вказує на геомагнітний північний полюс (південний магнітний полюс), розташований у Канаді над Полярним колом.
- північні полюси відштовхують північні полюси
- південні полюси відштовхуються південними полюсами
- північні полюси приваблюють південні полюси
- південні полюси приваблюють північні полюси
- сила тяжіння або відштовхування змінюється обернено в залежності від відстані у квадраті
- сила магніту змінюється в різних місцях на магніті
- магніти найсильніші на своїх полюсах
- магніти сильно приваблюють сталь, залізо, нікель, кобальт, гадоліній
- магніти трохи притягують рідкий кисень та інші матеріали
- магніти трохи відштовхують воду, вуглець і бор
Механіка роботи магнітів справді руйнується аж до атомного рівня. Коли струм тече в дроті, навколо проводу створюється магнітне поле. Струм - це просто купа рухомих електронів, а рухомі електрони створюють магнітне поле. Ось так змушують працювати електромагніти.
Навколо ядра атома є електрони. Вчені думали, що у них кругові орбіти, але виявили, що все набагато складніше. Власне, закономірності електрона в межах однієї з цих орбіталей враховують хвильові рівняння Шрьодінгера. Електрони займають певні оболонки, які оточують ядро атома. Цим оболонкам дали літерні назви K, L, M, N, O, P, Q. Їм також були дані імена чисел, наприклад, 1,2,3,4,5,6,7 (думаю, квантова механіка). Всередині оболонки можуть існувати підгрубки або орбіталі з назви букв, такі як s, p, d, f. Деякі з цих орбіталей виглядають як кулі, деякі - як пісочний годинник, інші - як намистини. Оболонка K містить орбіталу s, яку називають орбіталлю 1s. Оболонка L містить орбіталь s і p, що називається орбіталлю 2s та 2p. Оболонка M містить орбіталь s, p та d, яку називають орбіталлю 3s, 3p та 3d. Оболонки N, O, P і Q містять орбіталь s, p, d і f, яку називають 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Орбіталь 7d і 7f. Ці орбіталі також мають різні суб-орбіталі. Кожен може містити лише певну кількість електронів. Максимум 2 електрони можуть займати суб-орбіталь, де один має спін вгору, а інший має спін вниз. Не може бути двох електронів, що розгортаються в одній під орбіталі (принцип виключення Паулі). Крім того, коли у вас є пара електронів в під орбіталі, їх об'єднані магнітні поля відмінять один одного. Якщо ви плутаєте, ви не самотні. Багато людей тут губляться і просто дивуються магнітам, а не далі вивчають.
Коли ви дивитесь на феромагнітні метали, важко зрозуміти, чому вони настільки різні, утворюють елементи поруч із ними на періодичній таблиці. Загальноприйнято вважати, що феромагнітні елементи мають великі магнітні моменти через парні електрони на їх зовнішніх орбіталях. Спін електрона також вважається для створення хвилинного магнітного поля. Ці поля мають складний ефект, тому коли ви збираєте купу цих полів разом, вони додаються до більших полів.
Для завершення роботи над питанням "як працюють магніти?", Атоми феромагнітних матеріалів мають власне магнітне поле, створене електронами, які їх обертають. Невеликі групи атомів прагнуть орієнтуватися в одному напрямку. Кожну з цих груп називають магнітною областю. Кожен домен має свій північний і південний полюс. Якщо шматок заліза не намагнічений, домени не будуть вказувати в одному напрямку, але будуть вказувати у випадкових напрямках, відміняючи один одного і не дозволяючи залізо мати північний або південний полюс або бути магнітом. Якщо ввести струм (магнітне поле), домени почнуть узгоджуватися із зовнішнім магнітним полем. Чим більше застосовується поточний, тим більша кількість вирівняних доменів. По мірі того, як зовнішнє магнітне поле стає сильнішим, все більше і більше доменів будуть вирівнюватися з ним. Буде момент, коли всі домени всередині заліза вирівняні із зовнішнім магнітним полем (насиченням), незалежно від того, наскільки сильнішим є магнітне поле. Після видалення зовнішнього магнітного поля м'які магнітні матеріали повернуться до випадково орієнтованих областей; однак тверді магнітні матеріали дозволять утримувати більшу частину своїх областей, створюючи міцний постійний магніт. Отже, там у вас є.
Ми написали багато статей про магніти для журналу Space. Ось стаття про барні магніти, і ось стаття про супермагніти.
Якщо вам потрібна додаткова інформація про магніти, перегляньте кілька цікавих експериментів з магнітами, і ось посилання на статтю про супермагніти від Wise Geek.
Ми також записали цілий епізод Астрономічної ролі про магнетизм. Слухайте тут, Епізод 42: Магнетизм скрізь.
Джерела:
Мудрий Geek
Вікіпедія: Магніт
Вікіпедія: Феромагнетизм
