Magnetyzm i jego przyciągające właściwości

Magnetyzm i jego podstawowe cechy. Jak powstają magnesy stałe i jakie są ich właściwości
Magnetyzm od zawsze budził ogromne zainteresowanie. Tajemnicze zjawisko, polegające na wzajemnym przyciąganiu lub odpychaniu pewnych substancji, przez wieki stanowiło zagadkę. Usilne próby zrozumienia istoty magnetyzmu prowadziły często do mylnych, aczkolwiek ciekawych wniosków. Jedna z teorii na ten temat zakładała, że magnesy powodują “wysysanie” powietrza z otaczającej przestrzeni. Oczywiście wytłumaczenie to bardzo szybko upadło, gdyż na jego podstawie trudno było wyjaśnić selektywne oddziaływanie magnesów z otaczającymi je przedmiotami.
Kompas i nawigacja
Intrygujące cechy magnesów trwałych były znane ludziom już w starożytności. Wskazuje na to m.in. samo pojęcie – magnes. Pochodzi ono prawdopodobnie od historycznej krainy noszącej miano Magnezji, ale również miasta Magnezja, obecnie Manisa. Region ten, leżący na terenie dzisiejszej Grecji, jest miejscem, gdzie pozyskiwano minerał zwany magnetytem (a dokładniej “kamieniem magnezyjskim”). Przez kolejne stulecia łączono wyniki doświadczeń, jednak dopiero odkrycia z końca XIX i całego XX wieku pozwoliły na zgłębienie sekretów związanych z magnetyzmem.

Magnetyzm i elektryczność – dwie strony tego samego medalu

Wyładowanie elektryczne

Pełniejsze zrozumienie związku pomiędzy elektrycznością i magnetyzmem wymaga głębszej analizy. W tym wpisie ograniczymy się do ogólnego wskazania źródła magnetycznych właściwości magnesów, ze wskazaniem na jego “elektryczne” korzenie. Warto jednak podkreślić, że elektryczność i magnetyzm to ten sam typ oddziaływań, obserwowany niejako z innych układów odniesienia.

Kilka słów o polu magnetycznym i magnetyzmie

Wyładowanie elektryczne

Praktycznie każdy spotkał się kiedyś z pojęciem pola magnetycznego. Czym jest owo pole? Najprościej rzecz ujmując można powiedzieć, że jest to obszar charakteryzujący się specyficzną właściwością. Jeżeli w obrębie tego obszaru porusza się obiekt posiadający ładunek elektryczny, to obiekt ten zacznie oddziaływać z polem magnetycznym. Oddziaływanie to przyjmie postać siły, której wartość będzie zależna od prędkości, jaką wspomniany obiekt będzie posiadać. Zależność ta przedstawia się w następujący sposób. Im większa jest prędkość z jaką porusza się naładowany obiekt, tym większa jest wartość siły, jaka będzie na niego oddziaływać. Inaczej mówiąc siła oddziałująca na naładowane ciała poruszające się w polu magnetycznym, jest wprost proporcjonalna do prędkości z jaką poruszają się te ciała. Wspomniana siła posiada swoją własną nazwę i określana jest mianem siły Lorentza.

Źródła pola magnetycznego

Wyładowanie elektryczne

Pole  magnetyczne może być wytwarzane przez materiały magnetyczne lub prąd elektryczny. 

Stałe pole magnetostatyczne (rodzaj pola magnetycznego) jest generowane przez:

  • nośniki ładunku elektrycznego poruszające się ze stałą prędkością,
  • przewodniki, przez które płynie stały prąd elektryczny,
  • magnesy stałe (np. magnesy neodymowe),

Drugim rodzajem pola magnetycznego jest zmienne pole magnetyczne indukowane przez zmienne pole elektryczne. Taka sytuacja zachodzi w przypadku:

  • nośników ładunku elektrycznego poruszające się ze zmienną prędkością,
  • przewodników, przez które płynie zmienny prąd elektryczny.

Jak działa magnes trwały?

Wyładowanie elektryczne

Skąd bierze się siła przyciągania magnesów? Odpowiedź na to pytanie kryje się w budowie samych atomów, z których zbudowana jest materia. Aby taka siła powstała, muszą być spełnione dwa warunki. Atomy tworzące magnes muszą posiadać niezapełnione powłoki elektronowe, a także koniecznym jest, aby ich lokalne skupiska wykazywały pewne specyficzne uporządkowanie. Uporządkowanie to sprawia, że wytwarzane przez nie pola magnetyczne nie znoszą się wzajemnie, lecz sumują. W wyniku takiej synchronizacji powstaje “globalne” pole magnetyczne będące sumą pól magnetycznych pochodzących od pojedynczych atomów. W efekcie powstają tzw. domeny magnetyczne, czyli obszary o stałym namagnesowaniu (wynikającym z wzajemnej synergii budujących je atomów). Z opisaną sytuacją mamy do czynienia w przypadku tzw. ferromagnetyków. Dzięki możliwości kompleksowej modyfikacji domen magnetycznych można uzyskać magnesy trwałe.

Ferromagnetyki wykazują zróżnicowaną podatność na modyfikację domen magnetycznych (i tym samym tworzenie z nich magnesów trwałych). Wspomniana modyfikacja polega na umieszczeniu materiału ferromagnetycznego w zewnętrznym polu magnetycznym. Pod jego wpływem następuje uporządkowanie domen magnetycznych i uzyskanie przez ferromagnetyk właściwości magnetycznych.

Ze względu na sposób w jaki ferromagnetyki zachowują się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego wyróżniamy:

  • miękkie – wraz z zanikiem zewnętrznego pola magnetycznego przestają wykazywać cechy magnesu, 
  • półtwarde – ulegają trwałemu namagnesowaniu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, jednak mogą być dosyć łatwo ponownie rozmagnesowane,
  • twarde – uzyskują trwały stan namagnesowania, utrzymujący się po zaniku zewnętrznego pola magnetycznego (w praktyce np. magnesy neodymowe tracą swoją “siłę” o około 1% wartości początkowej na rok).

Fakty dotyczące magnesów

Wyładowanie elektryczne

Chociaż fakty dotyczące magnesów są powszechnie znane, wymieńmy dla porządku ich najważniejsze cechy:

  • każdy magnes ma dwa bieguny – północny (N) i południowy (S). Bieguny magnetyczne to miejsca gdzie spotykają się linie pola wytwarzanego przez magnes,
  • bieguny różnoimienne się przyciągają, a jednoimienne odpychają,
  • nie istnieją monopole magnetyczne. Pomimo symetrii istniejącej między elektrycznością i magnetyzmem, nie zaobserwowano dotąd pojedynczych biegunów magnetycznych. Innymi słowy nie ma możliwości rozdzielenia biegunów magnesu. Gdy magnes zostanie przecięty (na dowolną ilość kawałków), każdy element stanie się nowym, mniejszym magnesem i będzie posiadał dwa bieguny. W przypadku ładunków elektrycznych nie ma problemu ze wskazaniem ładunków ujemnych (np. elektron), i dodatnich (dowolny jon dodatni – kation).
  • magnesy stałe mogą utracić swoje właściwości pod wpływem wysokiej temperatury lub zmiennego pola magnetycznego. Temperatura, w której ferromagnetyk traci właściwości magnetyczne nosi nazwę temperatury Curie.

Czym jest magnes neodymowy?

Wyładowanie elektryczne

Magnes neodymowy to najsilniejszy spośród wszystkich magnesów trwałych. Powstaje z połączenia neodymu, żelaza oraz boru (Nd2Fe14B). Wymienione pierwiastki stanowią podstawę każdego magnesu neodymowego. Ewentualne dodatki mają celu np. zwiększenie odporności na podwyższone temperatury (każdy magnes posiada temperaturę graniczną, przy której trwale traci właściwości magnetyczne).

Magnes do połowów [1]
Magnes do połowów [2]
Magnes do połowów [3]
Magnes do połowów [4]

Magnesy neodymowe powstają w wyniku prasowania sproszkowanych substratów przy działaniu silnego pola magnetycznego.

Magnesy neodymowe mają wiele zastosowań. W ostatnim czasie na popularności zyskały twz. połowy magnesem neodymowym. Jest to rodzaj hobby polegający na przeszukiwaniu zbiorników wodnych, studni, rowów itp. miejsc za pomocą magnesu neodymowego zamocowanego na linie. Sposób ten pozwala na “wyławianie” przedmiotów zawierających w swym składzie żelazo, kobalt czy nikiel. Czas spędzany na świeżym powietrzu w połączeniu z emocjami towarzyszącymi poszukiwaniom stanowią atrakcyjną mieszankę dla coraz większej grupy zapalonych poszukiwaczy.