Простое введение в магнетизм
Магнетизм определяется как привлекательное и отталкивающее явление, создаваемое движущимся электрическим зарядом. Зона воздействия вокруг движущегося заряда состоит из электрического поля и магнитного поля. Наиболее известным примером магнетизма является стержневой магнит, который притягивается к магнитному полю и может притягивать или отталкивать другие магниты.
Причины магнетизма
Магнетизм вызван электромагнитной силой, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы. Любой движущийся электрический заряд ( электрический ток ) генерирует магнитное поле, перпендикулярное ему.
В дополнение к току, проходящему по проволоке, магнетизм создается спиновыми магнитными моментами элементарных частиц , таких как электроны. Таким образом, вся материя в некоторой степени магнитна, потому что электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, создают магнитное поле. В присутствии электрического поля атомы и молекулы образуют электрические диполи, причем положительно заряженные ядра движутся чуть-чуть в направлении поля, а отрицательно заряженные электроны движутся в другую сторону.
Магнитные материалы
Все материалы обладают магнетизмом, но магнитное поведение зависит от электронной конфигурации атомов и температуры. Электронная конфигурация может привести к тому, что магнитные моменты взаимно компенсируют друг друга (делая материал менее магнитным) или выравнивают (делая его более магнитным). Повышение температуры увеличивает случайное тепловое движение, затрудняя выравнивание электронов и обычно уменьшая силу магнита.
Магнетизм может быть классифицирован в соответствии с его причиной и поведением. Основными видами магнетизма являются:
Диамагнетизм : все материалы демонстрируют диамагнетизм , который является тенденцией к отражению магнитным полем. Тем не менее, другие виды магнетизма могут быть сильнее, чем диамагнетизм, поэтому он наблюдается только в материалах, которые не содержат неспаренных электронов. Когда присутствуют пары электронов, их «спиновые» магнитные моменты взаимно компенсируются. В магнитном поле диамагнитные материалы слабо намагничены в направлении, противоположном приложенному полю. Примеры диамагнитных материалов включают золото, кварц, воду, медь и воздух.
Парамагнетизм : в парамагнитном материале есть неспаренные электроны. Непарные электроны могут свободно выравнивать свои магнитные моменты. В магнитном поле магнитные моменты выравниваются и намагничиваются в направлении приложенного поля, усиливая его. Примеры парамагнитных материалов включают магний, молибден, литий и тантал.
Ферромагнетизм : ферромагнитные материалы могут образовывать постоянные магниты и притягиваться к магнитам. Ферромагнетик имеет неспаренные электроны, плюс магнитные моменты электронов имеют тенденцию оставаться выровненными даже при удалении из магнитного поля. Примеры ферромагнитных материалов включают железо, кобальт, никель, сплавы этих металлов, некоторые редкоземельные сплавы и некоторые марганцевые сплавы.
Антиферромагнетизм . В отличие от ферромагнетиков, собственные магнитные моменты валентных электронов в антиферромагнетике указывают в противоположных направлениях (антипараллельно). В результате нет чистого магнитного момента или магнитного поля. Антиферромагнетизм проявляется в соединениях переходных металлов, таких как гематит, железо-марганец и оксид никеля.
Ферримагнетизм . Как и ферромагнетики, ферримагнетики сохраняют намагниченность при удалении из магнитного поля, но соседние пары спинов электронов указывают в противоположных направлениях. Расположение решетки материала делает магнитный момент, указывающий в одном направлении, сильнее, чем тот, который указывает в другом направлении. Ферримагнетизм встречается в магнетите и других ферритах. Как и ферромагнетики, ферримагнетики притягиваются к магнитам.
Есть и другие виды магнетизма, в том числе суперпарамагнетизм, метамагнетизм и спиновое стекло.
Свойства магнитов
Магниты образуются, когда ферромагнитные или ферримагнитные материалы подвергаются воздействию электромагнитного поля. Магниты отображают определенные характеристики:
- Магнит окружает магнитное поле.
- Магниты притягивают ферромагнитные и ферримагнитные материалы и могут превращать их в магниты.
- Магнит имеет два полюса, которые отталкиваются как полюса и притягивают противоположные полюса. Северный полюс отталкивается от северных полюсов других магнитов и притягивается к южным полюсам. Южный полюс отталкивается южным полюсом другого магнита, но притягивается к его северному полюсу.
- Магниты всегда существуют в виде диполей . Другими словами, вы не можете разрезать магнит пополам, чтобы отделить север и юг. Резка магнита делает два меньших магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюса.
- Северный полюс магнита притягивается к северному магнитному полюсу Земли, тогда как южный полюс магнита притягивается к южному магнитному полюсу Земли. Это может сбивать с толку, если вы перестанете рассматривать магнитные полюса других планет. Чтобы компас функционировал, северный полюс планеты - это, по сути, южный полюс, если бы мир был гигантским магнитом!
Магнетизм в живых организмах
Некоторые живые организмы обнаруживают и используют магнитные поля. Способность чувствовать магнитное поле называется магнитоприемом. Примеры существ, способных к магнитовосприятию, включают бактерии, моллюсков, членистоногих и птиц. Человеческий глаз содержит криптохромный белок, который может обеспечивать некоторую степень магнитного восприятия у людей.
Многие существа используют магнетизм, который известен как биомагнетизм. Например, хитоны - это моллюски, которые используют магнетит для укрепления зубов. Люди также производят магнетит в ткани, что может повлиять на функции иммунной и нервной системы.
Ключи от магнетизма на вынос
- Магнетизм возникает из-за электромагнитной силы движущегося электрического заряда.
- Магнит имеет невидимое магнитное поле, окружающее его, и два конца, называемые полюсами. Северный полюс указывает на северное магнитное поле Земли. Южный полюс указывает на южное магнитное поле Земли.
- Северный полюс магнита притягивается к южному полюсу любого другого магнита и отталкивается северным полюсом другого магнита.
- Резка магнита образует два новых магнита, каждый с северным и южным полюсами.