Vi har alle lekt med magneter fra tid til annen. Nedenfor er et forsøk på å forklare det grunnleggende bak den hemmelige indre funksjonen til den mystiske magneten.
En magnet er ethvert materiale eller gjenstand som produserer et magnetfelt. Dette magnetfeltet er ansvarlig for egenskapen til en magnet: en kraft som trekker på andre ferromagnetiske materialer og tiltrekker eller avviser andre magneter. En permanent magnet er et objekt laget av et materiale som magnetiseres og skaper sitt eget vedvarende magnetfelt. Materialer som kan magnetiseres, som sterkt tiltrekkes av en magnet, kalles ferromagnetisk. Selv om ferromagnetiske materialer er de eneste som tiltrekkes av en magnet som er sterkt nok til å bli ansett som magnetisk, reagerer alle andre stoffer svakt på et magnetfelt.
Noen fakta om magneter inkluderer:
- magnetens nordpol peker mot den geomagnetiske nordpolen (en sørmagnetisk pol) som ligger i Canada over polarsirkelen.
- nordpoler avviser nordpoler
- sørpoler frastøter sørpolene
- nordpoler tiltrekker seg sørpoler
- sørpoler tiltrekker seg nordpoler
- tiltrekningskraften eller frastøtningen varierer omvendt med avstanden i kvadratet
- styrken til en magnet varierer på forskjellige steder på magneten
- magneter er sterkest på polene
- magneter tiltrekker sterkt stål, jern, nikkel, kobolt, gadolinium
- magneter tiltrekker litt flytende oksygen og andre materialer
- magneter frastøter vann, karbon og bor litt
Mekanikken til hvordan magneter fungerer virkelig brytes helt ned til atomnivået. Når strømmen strømmer i en ledning, opprettes et magnetfelt rundt ledningen. Strøm er ganske enkelt en haug med bevegelige elektroner, og bevegelige elektroner lager et magnetfelt. Slik blir elektromagneter laget for å fungere.
Rundt atomkjernen er det elektroner. Forskere trodde at de hadde sirkulære baner, men har oppdaget at ting er mye mer komplisert. Faktisk tar mønstrene til elektronet i en av disse orbitalene hensyn til Schroedingers bølgeliksninger. Elektroner opptar visse skjell som omgir atomkjernen. Disse skjellene har fått bokstavnavn K, L, M, N, O, P, Q. De har også fått tallnavn, for eksempel 1,2,3,4,5,6,7 (tenk kvantemekanikk). Innenfor skallet kan det eksistere underskall eller orbitaler, med bokstavnavn som s, p, d, f. Noen av disse orbitalene ser ut som kuler, andre ser ut som et timeglass, mens andre liker perler. K-skallet inneholder en s orbital som kalles en 1s orbital. L-skallet inneholder en s og p-orbital som kalles en 2s og 2p orbital. M-skallet inneholder en s, p og d orbital som kalles en 3s, 3p og 3d orbital. N, O, P og Q skjellene inneholder hver en s, p, d og f orbital som kalles en 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, 7d og 7f bane. Disse orbitalene har også forskjellige suborbitaler. Hver kan bare inneholde et visst antall elektroner. Maksimalt 2 elektroner kan oppta en underbane der den ene har en dreining på opp, den andre har en dreining på ned. Det kan ikke være to elektroner med spinn opp i den samme underbanen (Pauli-ekskluderingsprinsippet). Når du har et par elektroner i en underbane, vil deres kombinerte magnetiske felt avbryte hverandre. Hvis du er forvirrende, er du ikke alene. Mange går seg vill her og lurer bare på magneter i stedet for å forske videre.
Når du ser på de ferromagnetiske metallene er det vanskelig å se hvorfor de er så forskjellige fra elementene ved siden av dem på det periodiske systemet. Det er generelt akseptert at ferromagnetiske elementer har store magnetiske momenter på grunn av uparrede elektroner i deres ytre bane. Elektronets sentrifugering antas også å skape et minutt magnetisk felt. Disse feltene har en sammensatt effekt, så når du får en haug av disse feltene sammen, legger de opp til større felt.
For å pakke ting sammen med ‘hvordan fungerer magneter?’, Har atomene i ferromagnetiske materialer en tendens til å ha sitt eget magnetfelt skapt av elektronene som går i bane rundt dem. Små grupper av atomer har en tendens til å orientere seg i samme retning. Hver av disse gruppene kalles et magnetisk domene. Hvert domene har sin egen nordpol og sørpol. Når et stykke jern ikke er magnetisert, vil ikke domenene peke i samme retning, men peke i tilfeldige retninger og avbryte hverandre og forhindre at jernet har en nord- eller sørpol eller er en magnet. Hvis du introduserer strøm (magnetfelt), vil domenene begynne å samkjøre med det eksterne magnetfeltet. Jo mer strøm som brukes, desto høyere antall justerte domener. Når det eksterne magnetfeltet blir sterkere, vil flere og flere av domenene stemme overens med det. Det vil være et punkt hvor alle domenene i jernet er på linje med det ytre magnetfeltet (metning), uansett hvor sterkere magnetfeltet er laget. Etter at det eksterne magnetfeltet er fjernet, vil myke magnetiske materialer gå tilbake til tilfeldig orienterte domener; Imidlertid vil harde magnetiske materialer holde de fleste av sine domener på linje, og skape en sterk permanent magnet. Så, der har du det.
Vi har skrevet mange artikler om magneter for Space Magazine. Her er en artikkel om stolpemagneter, og her er en artikkel om supermagneter.
Hvis du vil ha mer informasjon om magneter, kan du se på kule eksperimenter med magneter, og her er en lenke til en artikkel om supermagneter av Wise Geek.
Vi har også spilt inn en hel episode av Astronomy Cast som handler om magnetisme. Hør her, avsnitt 42: Magnetism Everywhere.
kilder:
Klok nerd
Wikipedia: Magnet
Wikipedia: Ferromagnetisme
