Vitenskapen om hvordan magneter fungerer
Andrew Brookes/Getty Images
Kraften som produseres av en magnet er usynlig og mystifiserende. Har du noen gang lurt på hvordan magneter fungerer ?
Viktige ting: Hvordan magneter fungerer
- Magnetisme er et fysisk fenomen der et stoff tiltrekkes eller frastøtes av et magnetfelt.
- De to kildene til magnetisme er elektrisk strøm og spinnmagnetiske momenter av elementære partikler (først og fremst elektroner).
- Et sterkt magnetfelt dannes når de elektronmagnetiske momentene til et materiale er på linje. Når de er uordnet, blir materialet verken sterkt tiltrukket eller frastøtt av et magnetfelt.
Hva er en magnet?
En magnet er ethvert materiale som er i stand til å produsere en magnetfelt . Siden enhver elektrisk ladning i bevegelse genererer et magnetfelt, elektroner er små magneter. Denne elektriske strømmen er en kilde til magnetisme. Imidlertid er elektronene i de fleste materialer tilfeldig orientert, så det er lite eller ingen netto magnetfelt. For å si det enkelt, har elektronene i en magnet en tendens til å være orientert på samme måte. Dette skjer naturlig i mange ioner, atomer og materialer når de avkjøles, men er ikke like vanlig ved romtemperatur. Noen grunnstoffer (f.eks. jern, kobolt og nikkel) er ferromagnetiske (kan induseres til å bli magnetisert i et magnetfelt) ved romtemperatur. For disse elementer , er det elektriske potensialet lavest når de magnetiske momentene til valenselektronene er innrettet. Mange andre elementer er diamagnetisk . De uparrede atomene i diamagnetiske materialer genererer et felt som svakt frastøter en magnet. Noen materialer reagerer ikke med magneter i det hele tatt.
Den magnetiske dipolen og magnetismen
Atommagneten dipol er kilden til magnetisme. På atomnivå er magnetiske dipoler hovedsakelig et resultat av to typer bevegelse av elektronene. Det er orbital bevegelse av elektronet rundt kjernen, som produserer et orbitalt dipolmagnetisk moment. Den andre komponenten i det elektronmagnetiske momentet skyldes snurre rundt dipol magnetisk moment. Imidlertid er bevegelsen av elektroner rundt kjernen egentlig ikke en bane, og det magnetiske momentet i spinndipolen er heller ikke assosiert med faktisk 'spinning' av elektronene. Uparede elektroner har en tendens til å bidra til et materiales evne til å bli magnetiske siden det elektronmagnetiske momentet ikke kan kanselleres helt når det er 'odde' elektroner.
Atomkjernen og magnetisme
Protonene og nøytronene i kjernen har også orbital og spinn vinkelmoment, og magnetiske momenter. Det kjernemagnetiske momentet er mye svakere enn det elektroniske magnetiske momentet fordi selv om vinkelmomentet til de forskjellige partiklene kan være sammenlignbare, er det magnetiske momentet omvendt proporsjonalt med massen (massen til et elektron er mye mindre enn et proton eller nøytron). Det svakere kjernemagnetiske momentet er ansvarlig for kjernemagnetisk resonans (NMR), som brukes til magnetisk resonansavbildning (MRI).
Kilder
- Cheng, David K. (1992). Felt- og bølgeelektromagnetikk . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
- Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetisme: grunnleggende . Springer. ISBN 978-0-387-22967-6.
- Kronmuller, Helmut. (2007). Håndbok for magnetisme og avanserte magnetiske materialer . John Wiley og sønner. ISBN 978-0-470-02217-7.