Jak działa magnes – wszystko co powinniśmy wiedzieć

Pole magnetyczne towarzyszy nam codziennie w wielu różnych sytuacjach. Jego źródła mogą być naturalne (np. Planeta Ziemia) jak i sztuczne – do tych drugich, zaliczamy magnesy.

Magnesy – sztuczne źródło pola magnetycznego

Niniejszy artykuł opisuje naturę magnesów i elektromagnesów – sztucznych źródeł pola magnetycznego.

Czy jest magnetyzm?

Magnetyzm to jedno z najbardziej istotnych zagadnień dotyczących siły elektromagnetycznej. Magnetyzm odnosi się do zjawisk fizycznych wynikających z oddziaływania sił wywołanych przez magnesy, a także inne obiekty będące źródłem pola magnetycznego, które oddziałują z innymi obiektami poprzez wzajemne przyciąganie lub odpychanie. Jednym z najbardziej istotnych elementów opisujących oddziaływanie pola magnetycznego w podejściu klasycznym, jest siła Lorentza, która powoduje, że naelektryzowane cząstki znajdujące się w polu magnetycznym, znajdują się pod jego oddziaływaniem. Naładowane elektrycznie cząstki wskutek poruszania się, powodują powstawanie pola magnetycznego. Wartość siły Lorentza oddziałującej na cząstki umieszczone w polu magnetycznym jest zależna od wartości ładunku, prędkości cząstek i indukcji pola magnetycznego oraz kąta pomiędzy wektorami prędkości i indukcji pola magnetycznego. Wbrew pozorom, wszystkie materiały, z których są wykonane otaczające nas przedmioty, są podatne na działanie pola magnetycznego w mniejszym bądź większym stopniu, co jest charakteryzowane przez podatność magnetyczną. Najwyższą podatność magnetyczną, szczególnie wykazują materiały ferromagnetyczne, takie jak np. żelazo. Współczesne badania nad ferromagnetykami dowiodły, że szczególnie dobre właściwości pod kątem sprawności w przekazywaniu energii wykazuje stal krzemowa – stop żelaza i węgla zawierający domieszkę krzemową. Ten stop jest używany m.in. w produkcji transformatorów energetycznych.

Jak działają magnesy – przeciwieństwa się przyciągają!

Źródłem pola magnetycznego są wirujące ładunki elektryczne, które są tworzone przez elektrony. Wszystkie elektrony mają właściwość momentu pędu lub spinu. Większość elektronów ma tendencję do tworzenia par, w których jeden z nich „skręca się”, a drugi „spina”, zgodnie z zakazem Pauliego, który mówi, że dwa elektrony nie mogą jednocześnie zajmować tego samego stanu energetycznego na powłoce elektronowej będącej elementem budowy atomu. W tym przypadku, pola magnetyczne wirujących ładunków elektrycznych są skierowane względem siebie przeciwnie, więc wzajemnie się znoszą. Jednak niektóre atomy zawierają jeden lub więcej niesparowanych elektronów, których spin może wytworzyć odpowiednio ukierunkowane pole magnetyczne. Kiedy znaczna większość niesparowanych elektronów jest wyrównana ze swoimi spinami w tym samym kierunku, niesparowane elektrony łączą się ze sobą, tworząc pole magnetyczne wystarczająco silne, aby było odczuwalne w skali makroskopowej. Źródłami pola magnetycznego są dipole magnetyczne, tj. cząsteczki, które mają północny (N) i południowy (S) biegun magnetyczny. Przeciwne bieguny (N i S) przyciągają się, a bieguny tego samego znaku (N i N lub S i S) odpychają się. Taki stan rzeczy powoduje, że pole magnetyczne wokół takiego magnesu stałego, zatacza zamknięte linie. Ponieważ pole magnetyczne jest polem wektorowym, a jego linie sił są zamknięte, z punktu widzenia analizy wektorowej, pole magnetyczne jest polem bezźródłowym i wirowym (bezpotencjałowym), w przeciwieństwie do pola elektrycznego, które jest polem źródłowym i bezwirowym (potencjalnym), a jego linie sił są otwarte.

Planeta Ziemia – naturalne źródło pola magnetycznego

Sama planeta Ziemia jest gigantycznym magnesem. Według jednej z teorii, źródłem ziemskiego pola magnetycznego są prądy elektryczne krążące w stopionym metalicznym jądrze Ziemi. Z tego względu, kiedy kompas wskazuje północ, jest to spowodowane ułożeniem igły magnetycznej (wskazówki kierunku) zawieszonej na osi kompasu zgodnie z oddziaływaniem pola magnetycznego Ziemi. Wbrew pozorom, część magnesu, którą nazywamy magnetycznym biegunem północnym, jest w rzeczywistości magnetycznym biegunem południowym, ponieważ przyciąga on północne bieguny magnetyczne igieł kompasu. Ponownie, wynika to z bezźródłowości pola magnetycznego z punktu widzenia analizy wektorowej.

Ferromagnetyzm i domeny magnetyczne

Omawiane wcześniej wyrównanie niesparowanych elektronów, jest uzyskiwane bez ingerencji zewnętrznego pola magnetycznego. W ten sposób, powstaje magnes trwały. Magnesy trwałe są wynikiem ferromagnetyzmu. Przedrostek „ferro” odnosi się do żelaza, ponieważ trwały magnetyzm po raz pierwszy zaobserwowano w postaci naturalnej rudy żelaza zwanej magnetytem, ​​Fe₃O₄. Kawałki magnetytu występujące w naturze, można znaleźć rozproszone na powierzchni ziemi lub w jej pobliżu, wskutek czego zostaną one poddane namagnesowaniu przez ziemskie pole magnetyczne. Na przełomie X i XI w.n.e, Chińczycy odkryli, że magnes, który unosi się na powierzchni wody, zawsze ustawiony jest w linii w kierunku północ-południe. W ten sposób powstał pierwszy kompas magnetyczny, który stał się nieocenioną pomocą w nawigacji, szczególnie kiedy widoczność nieba była ograniczona wskutek zachmurzeń za dnia lub zasłaniania przez gwiazdy. Stwierdzono, że inne metale oprócz żelaza mają właściwości ferromagnetyczne. Należą do nich nikiel, kobalt i niektóre metale ziem rzadkich, takie jak samar lub neodym, które są używane do wytwarzania bardzo mocnych magnesów trwałych. Samo pojęcie magnesu trwałego jest zamiennie używane z określeniem “magnes stały” – jest to magnes, który charakteryzuje się tym, że wokół niego znajduje się pole magnetyczne, które jest stałe w czasie. Strukturę materiałów magnetycznych, tworzą domeny magnetyczne. Są to zbiory pól magnetycznych, swego rodzaju mikroskopijne magnesy, które pod wpływem pola magnetycznego zostają uporządkowane w tym samym kierunku w procesie magnetycznego przejścia fazowego. Na uporządkowanie domen magnetycznych w strukturze materiału ma wpływ nie tylko jego podatność magnetyczna, natężenie pola magnetycznego w jego obrębie, ale także temperatura materiału. W odpowiednio wysokiej temperaturze, tzw. punkt Curie, materiał ferromagnetyczny traci swoje właściwości magnetyczne, staje się materiałem paramagnetycznym, który wykazuja zmniejszoną podatność magnetyczną i słabszą zdolność do uporządkowania domen magnetycznych w tym samym kierunku.

Inne formy magnetyzmu

Magnetyzm przybiera wiele innych form, ale poza ferromagnetyzmem, są one zwykle zbyt słabe, aby można je było zaobserwować z wyjątkiem odpowiednio nawzorcowanej aparatury pomiarowej lub w bardzo niskich temperaturach. Do innych forma magnetyzmu należy m.in. wspomniany wcześniej diamagnetyzm oraz paramagnetyzm. W istocie, materiały magnetyczne, tj. ferromagnetyki, diamagnetyki i paramagnetyki, różnią się względem siebie podatnością magnetyczną. Diamagnetyzm jest spowodowany ruchem orbitalnym elektronów na powłokach elektronowych atomów, co można zaobserwować w takich pierwiastkach jak np. bizmut. Ruchy orbitalne elektronów, powodują powstawanie niewielkich pętli prądowych, które wytwarzają słabe pole magnetyczne, ale wystarczające do zaobserwowania właściwości magnetycznych. Kiedy do materiału diamagnetycznego przyłożymy źródło zewnętrznego pola magnetycznego, wówczas materiał diamagnetyczny będzie odpychany. Istnieją także materiały paramagnetyczne, które zyskują właściwości magnetyczne po umieszczeniu ich w polu magnetycznym oraz tracą je, kiedy usuniemy źródło pola magnetycznego. W paramagnetykach, na poziomie atomowym, niektóre spiny niesparowanych elektronów są porządkowane zgodnie z kierunkiem linii sił pola magnetycznego z zewnątrz, powodując odpychanie od zewnętrznego źródła pola magnetycznego.`

Elektromagnetyzm – czyli jak wykrzesać więcej z magnesu trwałego

W 1820 roku, duński fizyk imieniem Hans Christian Ørsted odkrył, że kiedy przez metaliczny drut (przewód) płynie prąd elektryczny, wokół tego samego przewodu jest indukowane pole magnetyczne. Natomiast 11 lat później, brytyjski fizyk imieniem Michael Faraday, odkrywa zjawisko indukcji elektromagnetycznej, które jest odwrotnym zjawiskiem do tego, co zaobserwował Ørsted. Poruszając magnesem wewnątrz cewki – drutu uformowanego w cylindryczny kształt – zmienne pole magnetyczne powoduje powstawanie zmiennego pola elektrycznego, którego źródłem są ładunki elektryczne. Natomiast uporządkowany ruch ładunków elektrycznych w obwodzie zamkniętym, jest przepływem prądu elektrycznego. Kiedy drut porusza się w polu magnetycznym, pole indukuje prąd w przewodzie. Odwrotnie, pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszający się ładunek elektryczny. Przepuszczając prąd przez przewodnik, uformowany w zwoje, pole magnetyczne wokół przekroju poprzecznego przewodnika można wzmocnić. Dodatkowo, wzmocnieniu pola magnetycznego wokół tego samego przewodu, sprzyja nawinięcie tego przewodu na rdzeń ferromagnetyczny – np. zwykły magnes stały. Wówczas polega magnetyczne wokół przewodu zostaje jeszcze bardziej wzmocnione. Tak działa elektromagnes, który może być zasilany zarówno napięciem stałym, jak i przemiennym.

Zastosowania magnesów i elektromagnesów

Magnesy, jak i elektromagnesy posiadają szereg licznych zastosowań obecnych w licznych gałęziach nauki i techniki. Opracowanie podstaw teoretycznych magnetyzmu i elektromagnetyzmu, przyczyniło się m.in. do wynalezienia elektrycznych maszyn wirujących, które zamieniają energię ruchu obrotowego w energię elektryczną (generatory) lub na odwrót (silniki). Istotnym wynalazkiem wykorzystującym elektromagnetyzm, jest transformator, który pozwala na zmianę poziomów napięcia przemiennego przy przesyłaniu energii elektrycznej od elektrowni do odbiorców docelowych, a także w układach zasilaczy. Badania w zakresie magnetyzmu i elektromagnetyzmu to również istotny fundament w dziedzinie akustyki – niedościgniony wynalazek głośnika magnetoelektrycznego, przetworniki w gitarze elektrycznej, koła tonowe w organach Hammonda, wkładka z igłą w gramofonie, mikrofon czy też głowica w magnetofonie – wszystkie te urządzenia wykorzystują podzespoły wykonane z materiałów ferromagnetycznych. Również istotnym wynalazkiem wykorzystującym ferromagnetyki, jest komputerowy dysk twardy. Co ciekawe, zarówno w dyskach twardych, jak i dużych generatorach w elektrowniach, coraz częściej stosuje się magnesy neodymowe, które są wykonane ze spiekanego stopu sproszkowanego żelaza, boru i neodymu. Takie magnesy odznaczają się szczególnie wysoką odpornością na ciepło (punkt Curie w 310°C) i wytwarzają bardzo silne pole magnetyczne. Z tego powodu, podczas procedury montażu urządzeń opartych na magnesach neodymowych wymagane jest zachowanie szczególnie wzmożonej ostrożności, ze względu na wzmożone ryzyko uszkodzenia magnesu oraz przedmiotów, które magnes będzie do siebie przyciągał. Ponadto musimy uważać także na siebie samych – nieostrożne obchodzenie się z magnesami neodymowymi może doprowadzić do poważnego uszkodzenia ciała. Kupując magnesy neodymowe, należy dobrać ich odpowiednie wymiary pod naszą aplikację.