Magnet
je objekt, který v prostoru ve svém okolí vytváří magnetické pole. Může mít formu permanentního magnetu nebo elektromagnetu. Permanentní magnety nepotřebují k vytváření magnetického pole vnější vlivy. Vyskytují se přirozeně v některých kamenech, ale dají se také vyrobit. Elektromagnety potřebují k vytvoření magnetického pole elektrický proud – když se zvětší proud, zvětší se i magnetické pole.
Vlastnosti magnetů
Magnety jsou přitahovány nebo odpuzovány jinými materiály. Materiál, který je silně přitahován k magnetu má vysokou permeabilitu (propustnost). Železo a ocel jsou dva příklady materiálů s velmi vysokou permeabilitou a jsou velmi silně přitahovány magnety. Voda má tak nízkou permeabilitu, že je magnetickým polem lehce odpuzována. U všeho se dá změřit permeabilita: u lidí, plynů a také u vakua ve vesmíru. SI jednotkou magnetické indukce, která je nesprávně považována za „intenzitu“ magnetického pole, je tesla (značka T). Homogenní magnetické pole, mající magnetickou indukci 1 T působí na každý metr přímého vodiče protékaného elektrickým proudem 1 ampéru silou 1 newtonu. Skutečnou jednotkou SI intenzity magnetického pole je ampér na metr (A/m). Jednotkou SI magnetického toku je Weber (značka Wb). Magnetický tok je součinem magnetické indukce a plochy, kterou pole prochází; 1 Wb = 1 T•m2. Je to velmi vysoká hodnota magnetického toku.
Historie
Slovo magnet pochází z řeckého μαγνήτης λίθος (magnētēs lithos), což znamená „magnésiový kámen“. Magnesia byla oblast v Antickém Řecku, dnešní Manisa v Turecku, kde byly objeveny zásoby magnetitu už v antice. Starodávní čínští navigátoři byli mezi prvními zaznamenanými uživateli magnetických kompasů. V mytologii arabských mořeplavců hrála významnou roli pověst o magnetové hoře, zmíněna i v české pověsti o Bruncvíkovi. V patnáctém století se Arabové magnetové hory báli natolik, že ve svých plavidlech nepoužívali žádné železné předměty (tedy ani hřebíky).
Fyzický původ magnetismu
Běžná hmota je složená z částic jako jsou protony, neutrony a elektrony a všechny mají základní vlastnost: kvantový mechanický spin. Spin dává každé této částici určité magnetické pole. Proto, a také proto, že průměrný mikroskopický kousek hmoty obsahuje obrovské množství těchto částic, by se dalo očekávat, že všechna hmota bude magnetická. Dokonce i antihmota by měla magnetické vlastnosti. Přesto tomu tak není.
V každém atomu a molekule je spin těchto částic přísně uspořádán podle Pauliho vylučovacího principu. Tento princip uspořádání spinu ale neplatí na velkou vzdálenost mezi atomy a molekulami. Bez tohoto vzdáleného uspořádání zde nevzniká síťové magnetické pole, protože magnetický moment každé z částic je vyrušen momentem ostatních částic.
Permanentní magnety jsou zvláštní v tom, že u nich vzdálené uspořádání existuje. Nejvyšší stupeň uspořádání existuje v magnetických doménách. To se dá přirovnat k mikroskopickým sousedstvím, ve kterých je silné působení mezi částicemi a výsledkem toho je vysoká úroveň uspořádanosti. Čím vyšší je uspořádanost v doméně, tím silnější je výsledné pole. Vzdálené uspořádání (a výsledné silné magnetické pole) je hlavním znakem feromagnetických materiálů.
Elektrické vytvoření magnetismu
Elektrony hrají hlavní roli ve vytváření magnetického pole. Uvnitř atomu mohou elektrony existovat buď samostatně nebo v párech na jakékoliv orbitě. Jestliže jsou spárované, tak jednotlivé elektrony z tohoto páru mají opačný spin – jeden horní, druhý dolní. Fakt, že spiny jsou opačné znamená, že jeden druhého vyruší. Jestliže jsou všechny elektrony spárované, magnetické pole se nevytvoří. V některých atomech jsou nespárované elektrony. Všechny magnety mají nespárované elektrony, ale ne všechny atomy s nespárovanými magnety jsou feromagnetické. Aby byl materiál feromagnetický, musí obsahovat nespárované elektrony, ale tyto na sebe musí působit přes velkou vzdálenost tak, aby byly všechny orientované na stejnou stranu. Specifické postavení elektronů v atomu (a také vzdálenost mezi atomy) je to co vytváří vzdálené uspořádání. Elektrony mají nižší energii pokud jsou stejně orientované.
Elektromagnety
Elektromagnet, ve své nejjednodušší formě, je drát svinutý do jedné nebo více smyček. Takové smyčce se říká solenoid. Když smyčkou prochází elektrický proud, vytvoří se kolem ní magnetické pole. Orientace tohoto pole se dá určit podle pravidla pravé ruky. Síla pole je ovlivněna několika faktory. Počet smyček určuje rozsah působení, množství proudu určuje množství aktivity a materiál v jádru určuje elektrický odpor. Čím více smyček a čím vyšší proud, tím silnější magnetické pole vznikne. Jestliže je smyčka ve svém středu dutá, bude generovat jen velmi slabé pole. Do středu cívky lze vkládat různé feromagnetické nebo paramagnetické věci, což zesílí jejich magnetické pole, například železný hřebík. Pro tento účel se běžně používá měkké železo. Přidání takových předmětů může pole zesílit stokrát až tisíckrát.
Na dlouhé vzdálenosti se magnetická pole řídí zákonem nepřímého čtverce. To znamená, že síla pole je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti od magnetu. Jestliže je magnet v kontaktu s rovným kovovým plátem, síla potřebná na jejich oddělení musí být tím větší, čím těsnější je kontakt mezi oběma povrchy. Čím rovnější povrchy, tím je mezi nimi větší počet styčných bodů a tím je menší odpor mezi magnetickým okruhem a magnetickým polem. Elektromagnety se používají v mnoha případech, od urychlovače částic přes jeřáby na šrotišti až po stroje pro magnetickou rezonanci. Existují také speciální procesy, které vyžadují více než jednoduchý dvojpólový magnet, jako například čtyřpólový magnet, který se používá pro zaostřování paprsků částic. Jestliže smyčkou elektromagnetu prochází dostatek proudu, magnetická síla mezi sousedícími smyčkami cívky může způsobit, že se elektromagnet rozdrtí vlastní magnetickou silou.
Charakteristiky magnetů
Permanentní magnety a dipóly
Všechny magnety mají alespoň dva póly: čili mají nejméně jeden severní a jeden jižní pól. Póly nejsou párem věcí na nebo uvnitř magnetu. Jedná se pouze o pojem sloužící k popisu magnetů. Na začátku článku je obrázek magnetu, póly na něm vypadají jako dvě specifické oblasti, protože největší povrchová intenzita pole se objevuje na pólech magnetu, ale neznamená to, že se jedná o specifické oblasti. K pochopení pólů si lze představit řadu lidí, kteří se všichni dívají stejným směrem a stojí v jedné rovině. I když můžeme vymezit oblast, kde se nachází všechna čela a kde všechny týly, neexistuje jediný bod ve kterém by se všechny nacházely. Každý jediný člověk má na jedné straně čelo a na druhé týl. Když se řada rozdělí na půl, každá polovina bude stále mít čelo a týl. Dokonce i když řadu rozdělíme na jednotlivé osoby, každá z nich bude mít své čelo a týl. Takto se dá postupovat do nekonečna.
Stejné je to s magnety. Na magnetu není místo, kde by se nacházely všechny jižní či severní póly. Když se magnet rozdělí na dva, tak oba dva budou mít severní i jižní pól. Tyto dva menší magnety se dají dále rozdělit a každý díl bude mít zase oba póly. Ve většině případů se stane, že když budeme materiál rozdělovat na stále menší a menší části, časem se dostaneme do bodu, kdy už budou jednotlivé částečky natolik malé, že si nedokáží udržet magnetické pole. Přesto se ale nestanou oddělenými póly, jen ztratí schopnost udržet si magnetické pole. Některé materiály ale můžeme rozdělit až na molekulární úroveň a stále si zachovají pole s jižním a severním pólem. Existují teorie o samostatných jižních a severních pólech – magnetických monopólech, ale takový monopól ještě nebyl nikde nalezen.
Obvyklé použití magnetů a elektromagnetů
Magnetická záznamová média: Již mírně zastaralé VHS kazety a audio kazety obsahují kotouč s magnetickým páskem. Informace, která přináší zvuk a obraz je zakódována v magnetické vrstvě pásku. Podobně je tomu u počítačů, diskety a harddisky zaznamenávají data na tenkou magnetickou vrstvu. Kreditní a magnetické karty: Mají na jedné straně magnetický pásek. Ten obsahuje nutné informace pro spojení s bankou nebo různé formy klíčů. Reprobedny a mikrofony: Reprobedny se spoléhají na kombinaci permanentního magnetu a elektromagnetu. Reproduktor je zařízení, které přeměňuje elektrickou energii (signál) na mechanickou energii (zvuk). Elektromagnet přenáší signál, který vytváří proměnlivé magnetické pole a to přitahuje nebo odpuzuje pole vytvořené permanentním magnetem. Toto přitahování a odpuzování pohybuje s membránou a ta vytváří zvuk. Ne všechny reprobedny používají tuto technologii, ale většina ano. Standardní mikrofóny jsou založené na stejném principu, ale obráceně. Mikrofon má kužel nebo membránu připojenou na smyčku drátu. Smyčka spočívá uvnitř speciálně vytvarovaného magnetu. Když zvuk zavibruje membránou, tak smyčka zavibruje stejně. Tím jak se smyčka pohybuje v magnetickém poli vytváří napětí (Lenzův zákon). Toto napětí v drátu je nyní elektrickým signálem, který představuje původní zvuk. Elektromotory a generátory: Některé elektrické motory (podobně jako reprobedny) se spoléhají na elektromagnet a permanentní magnet a na stejném principu mění elektrickou energii v mechanickou. Generátor funguje obráceně: mění mechanickou energii v elektrickou. Transformátory: Transformátory jsou zařízení, která přenášejí elektrickou energii mezi dvěma cívkami, které jsou elektricky odizolované, ale propojené magneticky.
Magnetizování materiálů
Feromagnetické materiály se dají zmagnetovat následujícími způsoby: Vložením věci do magnetického pole si daná věc udrží některé magnetické vlastnosti i po vyjmutí z magnetického pole. Ukázalo se, že vibrace tento efekt zvyšuje. Železné materiály spojené se zemským magnetickým polem a vystavené vibracím (jako například rám nákladního vozu) získávají značné množství zbytkového magnetismu. Vložením věci do solenoidu, kterým prochází stejnosměrný proud. Hlazením – Přejíždíme magnetem po nějaké věci opakovaně z jednoho konce na druhý stále ve stejném směru. Vložením ocelové tyče do magnetického pole, potom jejím ohřátím na vysokou teplotu a nakonec, když chladne, do ní bušit kladivem. Také můžete položit magnet v severo-jižním směru do Zemského magnetického pole. V tomto případě nebude magnet příliš silný, ale efekt bude stálý.
Odmagnetování
Permanentní magnety se dají odmagnetizovat následujícími způsoby: Ohřátím magnetu nad Curieovu tepotu, což zničí uspořádání elektronů v magnetu. Křesáním jednoho magnetu o druhý v náhodných směrech odmagnetuje udíraný kámen. To funguje jen někdy, některé materiály mají velmi velké koercitivní pole a nedají se odmagnetovat jinými permanentními magnety. Bití kladivem nebo pěchování zničí uspořádání elektronů v magnetu. Vložení magnetu do solenoidu se střídavým proudem zničí jeho uspořádání, podobně jako stejnosměrný proud naopak elektrony uspořádá. V elektromagnetu s jádrem z měkkého železa přerušení proudu zničí magnetické pole. Přesto může v jádru zůstat slabé magnetické pole v důsledku hysteréze.
Základní druhy permanentních magnetů
- Magneticky tvrdé ferity
- Magnety ze vzácných zemin – NdFeB – jedny z nejsilnějších magnetů vůbec
- Samarium-kobaltové magnety
- Keramické magnety
- Plastické/pryžové magnety
- Alnico magnety
Magnety a feromagnetické materiály
Když se magnet dostatečně přiblíží k feromagnetickému materiálu (který není zmagnetizovaný), magnet začne feromagnetický materiál silně přitahovat bez ohledu na jejich vzájemné postavení. Jak jižní tak severní pól budou přitahovat materiál stejnou silou.
Magnety a diamagnetické materiály
Podle definice diamagnetické materiály slabě odpuzují magnetické pole nezávisle na severo-jižní orientaci.
Magnety a paramagnetické materiály
Podle definice paramagnetické materiály jsou magnetickým polem slabě přitahovány bez ohledu na severo-jižní orientaci.