Магнетизм определяется как явление притяжения и отталкивания, создаваемое движущимся электрическим зарядом. Зона воздействия вокруг движущегося заряда состоит как из электрического, так и из магнитного поля. Самый известный пример магнетизма – стержневой магнит, который притягивается магнитным полем и может притягивать или отталкивать другие магниты.
История
Древние люди использовали магниты, природные магниты, сделанные из железного минерала магнетита. Фактически, слово «магнит» происходит от греческих слов magnetis lithos , что означает «магнезианский камень» или магнитный камень. Фалес Милетский исследовал свойства магнетизма примерно с 625 г. до н.э. – 545 г. до н.э. Примерно в то же время индийский хирург Сушрута использовал магниты в хирургических целях. Китайцы писали о магнетизме в четвертом веке до нашей эры и описали использование магнитного камня для притягивания иглы в первом веке. Однако компас не использовался для навигации до 11 века в Китае и 1187 года в Европе.
Хотя магниты были известны, объяснения их функции не было до 1819 года, когда Ганс Кристиан Эрстед случайно обнаружил магнитные поля вокруг проводов под напряжением. Взаимосвязь между электричеством и магнетизмом была описана Джеймсом Клерком Максвеллом в 1873 году и включена в специальную теорию относительности Эйнштейна в 1905 году.
Причины магнетизма
Итак, что это за невидимая сила? Магнетизм вызывается электромагнитной силой, которая является одной из четырех фундаментальных сил природы. Любой движущийся электрический заряд (электрический ток) создает магнитное поле, перпендикулярное ему.
Помимо тока, проходящего по проводу, магнетизм создается спиновыми магнитными моментами элементарных частиц, таких как электроны. Таким образом, вся материя в некоторой степени магнитна, потому что электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, создают магнитное поле. В присутствии электрического поля атомы и молекулы образуют электрические диполи, при этом положительно заряженные ядра движутся немного в направлении поля, а отрицательно заряженные электроны движутся в противоположном направлении.
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 нейтрализуют друг друга (делая материал менее магнитным) или выравниваются (делая его более магнитным).. Повышение температуры увеличивает случайное тепловое движение, затрудняя выравнивание электронов и обычно уменьшая силу магнита.
Магнетизм можно классифицировать по его причине и поведению. Основными типами магнетизма являются:
Диамагнетизм : все материалы демонстрируют диамагнетизм, то есть тенденцию к отталкиванию магнитным полем. Однако другие типы магнетизма могут быть сильнее диамагнетизма, поэтому он наблюдается только в материалах, которые не содержат неспаренных электронов. Когда присутствуют пары электронов, их «спиновые» магнитные моменты нейтрализуют друг друга. В магнитном поле диамагнитные материалы слабо намагничиваются в направлении, противоположном приложенному полю. Примеры диамагнитных материалов: золото, кварц, вода, 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 притягиваются к ним. Ферромагнетик имеет неспаренные электроны, плюс магнитные моменты электронов имеют тенденцию оставаться выровненными даже при удалении из магнитного поля. Примеры ферромагнетиков включают железо, кобальт, никель, сплавы этих металлов, некоторые сплавы редкоземельных элементов и некоторые сплавы марганца.
Антиферромагнетизм : в отличие от ферромагнетиков. , собственные магнитные моменты валентных электронов в антиферромагнетике направлены в противоположные стороны (антипараллельно). В результате отсутствует чистый магнитный момент или магнитное поле. Антиферромагнетизм проявляется в соединениях переходных металлов, таких как гематит, железо-марганец и оксид никеля.
Ферримагнетизм : как и ферромагнетики, ферримагнетики сохраняют намагниченность при удалении от магнитного поля. поля, но соседние пары электронных спинов направлены в противоположные стороны. Структура решетки материала делает магнитный момент, направленный в одном направлении, более сильным, чем магнитный момент, направленный в другом направлении. Ферримагнетизм встречается в магнетите и других ферритах. Как и ферромагнетики, ферримагнетики притягиваются к магнитам.
Есть и другие типы магнетизма, включая суперпарамагнетизм, метамагнетизм и спиновое стекло.
Свойства магнитов
Магниты образуются, когда ферромагнитные или ферримагнитные материалы подвергаются воздействию электромагнитного поля. Магниты обладают определенными характеристиками:
- Магнитное поле окружает магнит..
- Магниты притягивают ферромагнитные и ферримагнитные материалы и могут превращать их в магниты.
- У магнита два полюса, которые отталкиваются, как полюса, и притягивают противоположные полюса. Северный полюс отталкивается северными полюсами других магнитов и притягивается к южным полюсам. Южный полюс отталкивается южным полюсом другого магнита, но притягивается к своему северному полюсу.
- Магниты всегда существуют в виде диполей. Другими словами, вы не можете разрезать магнит пополам, чтобы разделить север и юг. При разрезании магнита образуются два меньших магнита, каждый из которых имеет северный и южный полюса.
- Северный полюс магнита притягивается к северному магнитному полюсу Земли, а южный полюс магнита притягивается к полюсу Земли. южный магнитный полюс. Это может сбить с толку, если вы остановитесь и рассмотрите магнитные полюса других планет. Для работы компаса 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 ощущать магнитное поле называется магнитоцепцией. Примеры существ, способных к магнитоцепции, включают бактерии, моллюски, членистоногие и птицы. Человеческий глаз содержит белок криптохром, который может допускать некоторую степень магнитоцепции у людей.
Многие существа используют магнетизм, который является процессом, известным как биомагнетизм. Например, хитоны – это моллюски, которые используют магнетит для укрепления своих зубов. Люди также производят магнетит в тканях, что может влиять на функции иммунной и нервной системы.
Основные выводы о магнетизме
- 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.
- При разрезании магнита образуются два новых магнита, каждый с северным и южным полюсами.
Источники
- Du Trémolet de Lacheisserie, Этьен; Gignoux, Damien; Шленкер, Мишель. «Магнетизм: основы». Springer, стр. 3–6. ISBN 0-387-22967-1. (2005)
- Киршвинк, Джозеф Л.; Кобаяши-Киршвинк, Ацуко; Диаз-Риччи, Хуан С.; Киршвинк, Стивен Дж. «Магнетит в тканях человека: механизм биологического воздействия слабых магнитных полей снч». Приложение по биоэлектромагнетизму . 1: 101–113. (1992)