magnet

Magnet je objekt, ktorý v priestore vo svojom okolí vytvára magnetické pole. Môže mať formu permanentného magnetu alebo elektromagnetu. Permanentné magnety nepotrebujú k vytváraniu magnetického poľa žiadnu vonkajšiu energiu. Vyskytujú sa prirodzene v niektorých nerastoch, ale dajú sa tiež vyrobiť. Elektromagnety potrebujú k vytvoreniu magnetického poľa elektrickú energiu.

Vlastnosti magnetov

Magnety sú priťahované alebo odpudzované inými materiálmi. Materiál, ktorý je silno priťahovaný k magnetu má vysokú permeabilitu. Železo a oceľ sú dva príklady materiálov s veľmi vysokou permeabilitou a sú veľmi silno priťahované magnetmi. Voda má tak nízku permeabilitu, že je magnetickým poľom ľahko odpudzovaná.

SI-je jednotkou magnetickej indukcie, ktorá je nesprávne považovaná za „intenzitu“ magnetického poľa, je tesla (značka T). Homogénne magnetické pole, majúce magnetickú indukciu 1 T pôsobí na každý meter priameho vodiča pretekaného elektrickým prúdom 1 ampér silou 1 newton. Jednotkou SI intenzity magnetického poľa je ampér na meter (A/m). Jednotkou SI magnetického toku je Weber (značka Wb). Magnetický tok je súčinom magnetickej indukcie a plochy, ktorou pole prechádza; 1 Wb = 1 T·m². Je to veľmi vysoká hodnota magnetického toku.

História

Slovo magnet pochádza z gréckeho μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), čo znamená „magnéziový kameň“. Magnesia bola oblasť v Antickom Grécku, dnešná Manisa v Turecku, kde boli objavené zásoby magnetitu už v antike. Starodávni čínski navigátori boli medzi prvými zaznamenanými užívateľmi magnetických kompasov.

V mytológii arabských moreplavcov hrala významnú rolu povesť o magnetovej hore. V pätnástom storočí sa Arabi magnetovej hory báli natoľko, že vo svojich plavidlách nepoužívali žiadne železné predmety (teda ani klince).

Fyzikálny pôvod magnetizmu

Permanentné magnety

Hmota je zložená z častíc ako sú protóny, neutróny a elektróny a všetky majú základnú vlastnosť: kvantový mechanický spin. Spin dáva každej tejto častici určité magnetické pole. Preto by sa dalo očakávať, že všetka hmota bude magnetická, aj antihmota by mala magnetické vlastnosti. Napriek tomu to tak nie je.

V každom atóme a molekule je spin týchto častíc prísne usporiadaný podľa Pauliho vylučovacieho princípu. Tento princíp usporiadania spinu ale neplatí na veľkú vzdialenosť medzi atómami a molekulami. Bez tohto vzdialeného usporiadania tu nevzniká sieťové magnetické pole, pretože magnetický moment každej z častíc je vyrušený momentom ostatných častíc.

Permanentné magnety sú zvláštne v tom, že pri nich vzdialené usporiadanie existuje. Najvyšší stupeň usporiadania existuje v magnetických doménach. To sa dá prirovnať k mikroskopickým susedstvám, v ktorých je silné pôsobenie medzi časticami a výsledkom toho je vysoká úroveň usporiadanosti. Čím vyššia je usporiadanosť v doméne, tým silnejšie je výsledné pole.

Vzdialené usporiadanie (a výsledné silné magnetické pole) je hlavným znakom feromagnetických materiálov.

Elektrické vytvorenie magnetizmu

Elektróny hrajú hlavnú rolu vo vytváraní magnetického poľa. Vo vnútri atómu môžu elektróny existovať buď samostatne alebo v pároch na akomkoľvek orbite. Ak sú spárované, tak jednotlivé elektróny z tohto páru majú opačný spin – jeden horný, druhý dolný. Fakt, že spiny sú opačné znamená, že jeden druhého vyrušia. Ak sú všetky elektróny spárované, magnetické pole sa nevytvorí.

V niektorých atómoch sú nespárované elektróny. Všetky magnety majú nespárované elektróny, ale nie všetky atómy s nespárovanými magnetmi sú feromagnetické. Aby bol materiál feromagnetický, musí obsahovať nespárované elektróny, ale tieto na sebe musia pôsobiť cez veľkú vzdialenosť tak, aby boli všetky orientované na rovnakú stranu. Špecifické postavenie elektrónov v atóme (a taktiež vzdialenosť medzi atómami) je to čo vytvára vzdialené usporiadanie. Elektróny majú nižšiu energiu pokiaľ sú rovnako orientované.

Elektromagnety

Elektromagnet vo svojej najjednoduchšej forme, je drôt zvinutý do jednej alebo viacerých slučiek. Takejto slučke sa hovorí solenoid. Keď slučkou prechádza elektrický prúd, vytvorí sa okolo nej magnetické pole. Orientácia tohto poľa sa dá určiť podľa pravidla pravej ruky. Sila poľa je ovplyvnená niekoľkými faktormi. Počet slučiek určuje rozsah pôsobenia, množstvo prúdu určuje množstvo aktivity a materiál v jadre určuje elektrický odpor. Čím viac slučiek a čím vyšší prúd, tím silnejšie magnetické pole vznikne.

Ak je slučka vo svojom strede dutá, bude generovať len veľmi slabé pole. Do stredu cievky možno vkladať rôzne feromagnetické alebo paramagnetické veci, čo zosilní ich magnetické pole, napríklad železný klinec. Pre tento účel sa bežne používa mäkké železo. Pridanie takýchto vecí môže pole zosilniť stokrát až tisíckrát.

Na dlhé vzdialenosti sa magnetické polia riadia zákonom nepriameho štvorca. To znamená, že sila poľa je nepriamo úmerná štvorcu vzdialenosti od magnetu.

Ak je magnet v kontakte s rovným kovovým plátkom, sila potrebná na ich oddelenie musí byť tým väčšia, čím tesnejší je kontakt medzi oboma povrchmi. Čím rovnejšie povrchy, tým je medzi nimi väčší počet styčných bodov a tým je menší odpor medzi magnetickým okruhom a magnetickým poľom.

Elektromagnety sa používajú v mnohých prípadoch, od urýchľovača častíc cez žeriavy na šrotovisku až po stroje pre magnetickú rezonanciu. Existujú taktiež špeciálne procesy, ktoré vyžadujú viac než jednoduchý dvojpólový magnet, ako napríklad štvorpólový magnet, ktorý sa používa pre zaostrovanie lúčov častíc.

Ak slučkou elektromagnetu prechádza dostatok prúdu, magnetická sila medzi susediacimi slučkami cievky môže spôsobiť, že sa elektromagnet rozdrví vlastnou magnetickou silou.

Charakteristiky magnetov

Permanentné magnety a dvojpóly[

Všetky magnety majú aspoň dva póly: čiže majú najmenej jeden severný a jeden južný pól. Póly nie sú párom vecí na alebo vo vnútri magnetu. Na začiatku článku je obrázok magnetu, póly na ňom vyzerajú ako dve špecifické oblasti, pretože najväčšia povrchová intenzita poľa sa objavuje na póloch magnetu, ale neznamená to, že ide o špecifické oblasti.

K pochopeniu pólov si možno predstaviť rad ľudí, ktorí sa všetci pozerajú rovnakým smerom a stoja v jednej rovine. Aj keď môžeme vymedziť oblasť, kde sa nachádzajú všetky čelá a kde všetky tylá, neexistuje jediný bod v ktorom by sa nachádzali všetky. Každý jediný človek má na jednej strane čelo a na druhej týl. Keď sa rad rozdelí na polovicu, každá polovica bude stále mať čelo a týl. Dokonca i keď rad rozdelíme na jednotlivé osoby, každá z nich bude mať svoje čelo a týl. Takto sa dá postupovať do nekonečna.

Rovnaké je to s magnetmi. Na magnete nie je miesto, kde by sa nachádzali všetky južné či severné póly. Keď sa magnet rozdelí na dva, tak obidva budú mať severný aj južný pól. Tieto dva menšie magnety sa dajú ďalej rozdeliť a každý diel bude mať zase oba póly. Vo väčšine prípadov sa stane, že keď budeme materiál rozdeľovať na stále menšie a menšie časti, časom sa dostaneme do bodu, kedy už budú jednotlivé čiastočky natoľko malé, že si nedokážu udržať magnetické pole. Napriek tomu sa ale nestanú oddelenými pólmi, len stratia schopnosť udržať si magnetické pole. Niektoré materiály ale môžeme rozdeliť až na molekulárnu úroveň a stále si zachovajú pole s južným a severným pólom. Existujú teórie o samostatných južných a severných póloch – magnetických monopóloch, ale taký monopól ešte nebol nikde nájdený.

Určenie severného pólu a zemské magnetické pole

Štandardné pomenovanie pólov magnetu je dôležité. Už v histórii termíny severný a južný ukazovali na uvedomenie si vzťahu medzi magnetmi a magnetickým poľom zeme. Voľne podopretý magnet sa časom vždy natočí od severu k juhu, pretože je priťahovaný k severnému a južnému zemskému pólu. Koniec magnetu, ktorý smeruje k zemskému geografickému severnému pólu, sa označuje ako severný pól magnetu, časť smerujúca k juhu zase ako južný pól magnetu.

Súčasný geografický severný pól je vlastne magnetickým juhom. Aby sa situácia ešte skomplikovala, zmagnetizované horniny na oceánskom dne ukazujú, že magnetické pole Zeme sa v minulosti otočilo, takže toto pomenovanie pólov bude v budúcnosti pravdepodobne zase naopak.

Našťastie použitím elektromagnetu a pravidla pravej ruky sa dá orientácia magnetického poľa magnetu určiť aj bez znalostí zemského geomagnetického poľa.

Aby sa predišlo problémom medzi geografickými a magnetickými pólmi, pri magnetoch sa často používa označenie pozitívny a negatívny pól. Pozitívny je ten, ktorý sa otáča na sever.