Τι είναι ο μαγνητισμός; Ορισμός, παραδείγματα, γεγονότα

Οι αρχαίοι χρησιμοποίησαν κιγκλιδώματα, φυσικούς μαγνήτες κατασκευασμένους από μαγνητίτη σιδήρου. Στην πραγματικότητα, η λέξη "μαγνήτης" προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις μαγνήτης λίθος, που σημαίνει "μαγνησιακή πέτρα" ή πλακόστρωτο. Ο Θάλης της Μιλήτου διερεύνησε τις ιδιότητες του μαγνητισμού γύρω στο 625 π.Χ. έως το 545 π.Χ. Ο Ινδός χειρούργος Sushruta χρησιμοποίησε μαγνήτες για χειρουργικούς σκοπούς περίπου την ίδια ώρα. Οι Κινέζοι έγραψαν για τον μαγνητισμό τον 4ο αιώνα Π.Κ.Χ. και περιγράφουν με τη χρήση ενός υποστρώματος για να προσελκύσουν μια βελόνα στον πρώτο αιώνα. Ωστόσο, το πυξίδα δεν χρησιμοποιήθηκε για ναυσιπλοΐα μέχρι τον 11ο αιώνα στην Κίνα και 1187 στην Ευρώπη.

Ενώ οι μαγνήτες ήταν γνωστοί, δεν υπήρχε εξήγηση για τη λειτουργία τους μέχρι το 1819, όταν ο Hans Christian Ørsted ανακάλυψε τυχαία μαγνητικά πεδία γύρω από ζωντανά καλώδια. Η σχέση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού περιγράφηκε από James Clerk Maxwell το 1873 και ενσωματώθηκε σε Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Αϊνστάιν το 1905.

Τι είναι λοιπόν αυτή η αόρατη δύναμη; Μαγνητισμός προκαλείται από την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η οποία είναι μια από τις τέσσερις βασικές δυνάμεις της φύσης. Κάθε κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο (ηλεκτρικό ρεύμα) παράγει ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο προς αυτό.

Εκτός από το ρεύμα που διέρχεται μέσω ενός σύρματος, το μαγνητισμό παράγεται από τις περιστροφικές μαγνητικές ροπές του στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια. Έτσι, όλη η ύλη είναι μαγνητική σε κάποιο βαθμό επειδή τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από έναν ατομικό πυρήνα παράγουν ένα μαγνητικό πεδίο. Παρουσία ενός ηλεκτρικού πεδίου, τα άτομα και τα μόρια σχηματίζουν ηλεκτρικά δίπολα, με θετικά φορτισμένα οι πυρήνες μετακινούν ένα μικρό κομμάτι προς την κατεύθυνση του πεδίου και τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια κινούν το άλλο τρόπος.

Όλα τα υλικά παρουσιάζουν μαγνητισμό, αλλά η μαγνητική συμπεριφορά εξαρτάται από τη διαμόρφωση ηλεκτρονίων των ατόμων και τη θερμοκρασία. Η διαμόρφωση των ηλεκτρονίων μπορεί να προκαλέσει την ακύρωση των μαγνητικών στιγμών η μία από την άλλη (καθιστώντας το υλικό λιγότερο μαγνητικό) ή να ευθυγραμμιστεί (καθιστώντας το μαγνητικότερο). Η αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνει την τυχαία θερμική κίνηση, καθιστώντας πιο δύσκολο τα ηλεκτρόνια να ευθυγραμμιστούν και συνήθως μειώνοντας την ισχύ ενός μαγνήτη.

Ο μαγνητισμός μπορεί να ταξινομείται ανάλογα με την αιτία και τη συμπεριφορά του. Οι κύριοι τύποι μαγνητισμού είναι:

Διαμαγνητισμός: Όλα τα υλικά εμφανίζονται διαμαγνητισμό, η οποία είναι η τάση να απορρίπτεται από ένα μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, άλλοι τύποι μαγνητισμού μπορεί να είναι ισχυρότεροι από ό, τι ο διαμαγνητισμός, επομένως παρατηρείται μόνο σε υλικά που δεν περιέχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Όταν υπάρχουν ζεύγη ηλεκτρονίων, οι μαγνητικές ροπές τους "περιστροφής" ακυρώνουν το ένα το άλλο. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα διαμαγνητικά υλικά είναι ασθενώς μαγνητισμένα στην αντίθετη κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου πεδίου. Παραδείγματα διαμαγνητικών υλικών είναι ο χρυσός, ο χαλαζίας, το νερό, ο χαλκός και ο αέρας.

Παραμαγνητισμός: Σε ένα παραμαγνητικό υλικό, υπάρχουν μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια. Τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια είναι ελεύθερα να ευθυγραμμίσουν τις μαγνητικές στιγμές τους. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται και μαγνητίζονται προς την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου πεδίου, ενισχύοντας το. Παραδείγματα παραμαγνητικών υλικών είναι το μαγνήσιο, το μολυβδαίνιο, το λίθιο και το ταντάλιο.

Ferromagnetism: Τα σιδηρομαγνητικά υλικά μπορούν να σχηματίσουν μόνιμους μαγνήτες και έλκονται από μαγνήτες. Ένας σιδηρομαγνήτης έχει μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια, ενώ οι μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων τείνουν να παραμένουν ευθυγραμμισμένες ακόμη και όταν αφαιρούνται από ένα μαγνητικό πεδίο. Παραδείγματα σιδηρομαγνητικών υλικών είναι ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο, τα κράματα αυτών των μετάλλων, ορισμένα κράματα σπανίων γαιών και ορισμένα κράματα μαγγανίου.

Αντιφερομαγνητισμός: Σε αντίθεση με τους σιδηρομαγνήτες, οι εγγενείς μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων σθένους σε ένα σημείο αντισφαιρομαγνήτη σε αντίθετες κατευθύνσεις (αντι-παράλληλες). Το αποτέλεσμα δεν είναι καθαρή μαγνητική ροπή ή μαγνητικό πεδίο. Ο αντισφαιρομαγνητισμός παρατηρείται σε ενώσεις μεταβατικών μετάλλων, όπως ο αιματίτης, ο μαγγάνιο του σιδήρου και το οξείδιο του νικελίου.

Φερμιναγνητισμός: Όπως οι σιδηρομαγνήτες, τα φερριμαγνήτες διατηρήσουν τη μαγνήτιση όταν αφαιρεθεί από ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά γειτονικά ζεύγη περιστροφών ηλεκτρονίων δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις. Η διάταξη πλέγματος του υλικού καθιστά τη μαγνητική ροπή που δείχνει προς μία κατεύθυνση ισχυρότερη από εκείνη που δείχνει προς την άλλη κατεύθυνση. Ο φερριμαγνητισμός εμφανίζεται σε μαγνητίτη και άλλα φερρίτη. Όπως και οι σιδηρομαγνήτες, τα φερριμαγνήτες προσελκύονται από τους μαγνήτες.

Υπάρχουν και άλλοι τύποι μαγνητισμού, συμπεριλαμβανομένου του υπερπαραμαγνετισμού, του μεταμαγνητισμού και του γυαλιού.

Μερικοί ζώντες οργανισμοί ανιχνεύουν και χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία. Η ικανότητα να ανιχνεύει ένα μαγνητικό πεδίο ονομάζεται μαγνητοεκτύπωση. Παραδείγματα πλάσματα ικανά για μαγνητοπαραγωγή περιλαμβάνουν βακτηρίδια, μαλάκια, αρθρόποδα και πουλιά. Το ανθρώπινο μάτι περιέχει μια κρυπτοχρωμική πρωτεΐνη η οποία μπορεί να επιτρέψει κάποιο βαθμό μαγνητοεκκρίσεων στους ανθρώπους.

Πολλά πλάσματα χρησιμοποιούν μαγνητισμό, η οποία είναι μια διαδικασία γνωστή ως βιομαγνητισμός. Για παράδειγμα, τα χιτώνα είναι μαλάκια που χρησιμοποιούν μαγνητίτη για να σκληρύνουν τα δόντια τους. Οι άνθρωποι παράγουν επίσης μαγνητίτη σε ιστό, η οποία μπορεί να επηρεάσει τις λειτουργίες του ανοσοποιητικού και του νευρικού συστήματος.