Cum funcționează un magnet?
Când apropiați un magnet de o lingură, acesta o atrage – chiar și fără să o atingă. Asta deoarece un magnet creează în jurul său un câmp magnetic. Datorită acestui câmp, un magnet poate atrage sau respinge alți magneți și poate acționa asupra materialelor feromagnetice (cum ar fi fierul sau oțelul obișnuit).
Pentru o vizionare mai confortabilă, puteți activa subtitrările în limba română din meniul de setări ⚙️.
Câmpul magnetic este invizibil, dar îl putem observa cu ajutorul piliturii de fier. Dacă așezăm un magnet sub o foaie de hârtie și presărăm pilitură de fier deasupra, aceasta se aranjează în linii caracteristice. Aceste linii se numesc linii de câmp magnetic și indică direcția și forța relativă a câmpului. Cu cât liniile sunt mai apropiate, cu atât câmpul magnetic este mai puternic în acea zonă [00:23].
Liniile de câmp magnetic pornesc dintr-un capăt al magnetului și se îndreaptă spre celălalt, ceea ce le definește direcția. Acestea formează bucle închise. Locurile în care liniile câmpului magnetic ies și intră în magnet se numesc polii magnetului:
- polul nordic (N) este cel din care ies liniile de câmp,
- iar polul sudic (S) este cel în care intră liniile de câmp.
Direcția liniilor de câmp magnetic și modul în care acestea formează bucle închise, alături de tendința lor de a urma traseele cele mai line și mai eficiente din punct de vedere energetic, determină comportamentul pe care îl au doi magneți când se află unul lângă celălalt.
Deși fiecare magnet își poate închide în interiorul său liniile de câmp, prezența unui pol opus în apropiere face ca liniile de câmp să urmeze o traiectorie mai lină și mai eficientă din punct de vedere energetic. Prin urmare, când avem poli opuși (N–S), liniile de câmp se leagă între magneți și formează un singur câmp magnetic. Rezultatul este atracția.
În schimb, atunci când sunt orientați unul spre celălalt poli identici (N–N sau S–S), liniile de câmp nu se pot conecta fără întrerupere – căci ar fi orientate în direcții opuse. O astfel de dispunere este nefavorabilă din punct de vedere energetic, astfel încât câmpul magnetic este împins în spațiul înconjurător. Această deviere a câmpului spre exterior se manifestă ca forță de respingere între magneți.
Poate vă întrebați: putem lua doar un pol nordic sau doar un pol sudic dintr-un magnet? Nu. Un „pol” nu este o parte a magnetului pe care să o putem îndepărta – este locul în care liniile câmpului magnetic ies din magnet sau locul în care intră în acesta. Deoarece liniile câmpului magnetic formează bucle închise, trebuie să fie întotdeauna prezenți ambii poli.
Prin urmare, dacă tăiem un magnet, nu separăm polul nordic de polul sudic. Câmpul magnetic din fiecare parte se rearanjează pentru a forma din nou bucle închise – și astfel se creează două perechi noi de puncte din care ies și în care intră liniile de câmp. Obținem astfel doi magneți mai mici, fiecare având propriul pol nordic și sudic. Acest principiu este valabil și când un magnet este divizat în părți și mai mici – nu vom obține „un singur pol” separat.
Știm deja că există întotdeauna doi poli. Dar de unde provine câmpul magnetic în sine? Pentru a înțelege acest lucru, trebuie să ne îndreptăm atenția către nivelul atomic – către electroni, spinul acestora și modul în care efectele lor magnetice din cadrul atomilor (și dintre atomi) se combină sau se anulează reciproc. Acest lucru determină dacă un material este atras de un magnet, dacă poate să-și organizeze structura astfel încât să devină un magnet cu propriul câmp magnetic sau dacă reacția sa la un câmp magnetic este atât de slabă încât abia o observăm în viața de zi cu zi.
Cum apare magnetismul?
[02:17]Pentru a înțelege de unde provine câmpul magnetic, trebuie să ne îndreptăm atenția către nivelul atomic. În centrul unui atom se află nucleul, format din protoni, încărcați pozitiv, și neutroni, neutri din punct de vedere electric. În jurul nucleului se află electroni, încărcați negativ.
Știm că electronii, protonii și neutronii au masă. Protonii și electronii au sarcină electrică. Mai au aceste particule și altă proprietate?
Da, una esențială pentru magnetism, chiar dacă nu se vorbește prea des despre ea. Se numește spin.
Spinul este o proprietate pur cuantică fără echivalent în fizica clasică. Datorită spinului, particulele elementare au un moment magnetic – un efect magnetic. Pe scurt, ne putem imagina particulele cu spin ca pe niște magneți minusculi.
Toate particulele elementare au spin, dar efectul magnetic al spinului este cel mai pronunțat în cazul electronilor. De aceea electronii sunt esențiali pentru magnetism.
Spinul electronic este principalul factor care contribuie la magnetismul unui atom, deși nu este singurul. Când un electron se mișcă în jurul nucleului, se comportă ca un curent electric minuscul – iar orice curent generează un câmp magnetic. Acest câmp reprezintă a doua contribuție la magnetismul atomului și se numește câmp magnetic orbital.
Prin urmare, s-ar putea crede că orice atom trebuie să fie magnetic – electronii au un moment magnetic datorită spinului și, în plus, se mișcă în interiorul atomului, creând astfel un câmp magnetic orbital. Așadar, la prima vedere, orice atom ar trebui să fie magnetic, și, prin urmare, orice material alcătuit din astfel de atomi.
În realitate însă, lucrurile nu stau chiar așa de simplu. În mulți atomi, efectele magnetice ale electronilor se anulează reciproc, astfel încât la nivelul atomului în ansamblu nu rezultă un moment magnetic. Și chiar dacă atomii individuali au un moment magnetic, acest lucru nu înseamnă totuși că materialul va manifesta un comportament magnetic – fie ca magnet, fie reacționând vizibil la un câmp magnetic.
De ce nu sunt magnetice toate materialele?
[04:09]Pentru ca un material să fie magnetic în ansamblu, nu este suficient ca electronii să aibă spin și să creeze un câmp magnetic. Trebuie îndeplinite mai multe condiții la diferite niveluri:
- O dispunere favorabilă a electronilor în atom – astfel încât atomul să aibă un moment magnetic, de obicei datorită prezenței unor electroni nepereche.
- O dispunere favorabilă a atomilor într-un corp solid – astfel încât momentele magnetice ale atomilor vecini să se poată alinia între ele și să permită formarea unor domenii magnetice.
- Dispunerea și comportamentul favorabil al domeniilor magnetice – astfel încât materialul să prezinte un comportament magnetic.
Să analizăm mai în detaliu fiecare condiție în parte:
1. Dispunerea favorabilă a electronilor în atom
Electronii dintr-un atom ocupă orbitalii. Un orbital poate conține cel mult doi electroni. Dacă într-un orbital se află doi electroni, aceștia au spini opuși, iar efectele lor magnetice se anulează reciproc în mare măsură. Tot astfel, efectele mișcării lor în interiorul atomului se pot anula și ele reciproc.
Un orbital complet ocupat nu contribuie, de obicei, la magnetismul general al atomului. Pentru ca un atom să contribuie la magnetism, acesta trebuie să aibă cel puțin un electron nepereche – adică un electron aflat singur pe un orbital.
2. Dispunerea favorabilă a atomilor într-un solid
Simpla prezență a electronilor nepereche și efectul magnetic al atomilor individuali nu sunt suficiente pentru ca un material în ansamblu să se comporte ca un magnet.
Aceasta deoarece magnetismul unui material în ansamblu este influențat și de dispunerea atomilor într-un corp solid. În unele materiale, momentele magnetice ale atomilor vecini se pot alinia în aceeași direcție, ceea ce este avantajos din punct de vedere energetic pentru sistem. În alte materiale însă, aceste momente nu sunt aliniate uniform, iar rezultatul este că materialul în ansamblu nu este magnetic.
Dreapta: momente nealiniate – momentele lor magnetice se anulează reciproc.
Chiar dacă momentele magnetice ale atomilor dintr-un material sunt capabile să se alinieze, de obicei, ele nu se aliniază uniform pe întregul volum al materialului. În schimb, acestea se aliniază doar la nivel local – în regiuni mai mici numite domenii magnetice.
Fiecare bucată de material este alcătuită, de obicei, din numeroase astfel de domenii. În cadrul unui domeniu, momentele magnetice ale atomilor sunt orientate în aceeași direcție, dar domeniile individuale pot avea orientări diferite. Prin urmare, efectele lor magnetice se pot anula reciproc.
– efectele magnetice individuale ale acestora se anulează reciproc.
De exemplu, într-o bucată obișnuită de fier există numeroase domenii orientate în mod diferit. Prin urmare, efectele lor se anulează reciproc, iar fierul în sine nu prezintă proprietăți magnetice. Doar atunci când fierul este plasat într-un câmp magnetic extern (de exemplu, lângă un magnet sau într-un câmp creat de un curent electric), domeniile se pot rearanja și pot începe să se orienteze mai uniform. Abia atunci materialul dobândește proprietăți magnetice.
Materiale magnetic moi și materiale magnetic dure
[08:27]În secțiunea anterioară, am văzut că magnetismul unui material este determinat de comportamentul domeniilor magnetice. Aceasta ridică o întrebare importantă: ce se întâmplă când câmpul magnetic extern este eliminat?
Diferența dintre materiale constă în gradul de legătură al domeniilor în cadrul structurii cristaline a materialului și în ușurința cu care acestea își pot relua dispunerea inițială după eliminarea câmpului.
Materialele în care domeniile revin cu ușurință la starea lor inițială dezordonată după eliminarea câmpului se numesc materiale magnetic moi. În schimb, materialele în care domeniile sunt legate mai strâns, astfel încât, odată aliniate, își pot menține această dispunere chiar și în absența unui câmp magnetic extern, se numesc materiale magnetic dure.
Magnet permanent
[09:13]Un magnet permanent este un material magnetic dur care a fost magnetizat – domeniile sale sunt aliniate și, după îndepărtarea câmpului extern, nu revin spontan la o stare neordonată. Prin urmare, își poate menține propriul câmp magnetic pentru o perioadă îndelungată.
Pentru fabricarea magneților permanenți puternici se utilizează materiale și aliaje speciale, cum ar fi cele pe bază de neodim, fier și bor.
Urmăriți videoclipul pentru a înțelege și mai bine – imaginile clare și exemplele concrete vă vor explica rapid fenomenul magnetismului.
