magnet
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 žádnou vnější energii. Vyskytují se přirozeně v některých nerostech, ale lze je také vyrobit. Elektromagnety potřebují k vytvoření magnetického pole elektrickou energii.
Vlastnosti magnetů
Magnety jsou přitahovány nebo odpuzovány jinými materiály. Materiál, který je silně přitahován k magnetu má vysokou permeabilitu. 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.
SI-je 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 ampér silou 1 newton. 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 „magnéziový kámen“. Magnesia byla oblast v Antickém Řecku, dnešní Manisa v Turečku, kde byly objeveny zásoby magnetitu již v antice. Starodávní čínští navigátoři byli mezi prvními zaznamenanými uživateli magnetických kompasů.
V mytologii arabských mořeplavců hrála významnou roli pověst o magnetové hoře. V patnáctém století se Arabové magnetové hory báli natolik, že ve svých plavidlech nepoužívali žádné železné předměty (tedy ani hřebíky).
Fyzikální původ magnetismu
Permanentní magnety
Hmota je složena 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 by se dalo očekávat, že veškerá hmota bude magnetická, 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, neboť 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 lze 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 jakémkoli orbitu. Pokud jsou spárovány, tak jednotlivé elektrony z tohoto páru mají opačný spin – jeden horní, druhý dolní. Fakt, že spiny jsou opačné znamená, že jeden druhého vyruší. Pokud jsou všechny elektrony spárovány, magnetické pole se nevytvoří.
V některých atomech jsou nespárovány 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 sobě musí působit přes velkou vzdálenost tak, aby byly všechny orientovány 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 svinut do jedné nebo více smyček. Takové smyčce se říká solenoid. Když smyčkou prochází elektrický proud, vytvoří se kolem ní magnetické pole. Orientaci tohoto pole lze 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.
Pokud 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 věcí 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.
Pokud je magnet v kontaktu s rovným kovovým plátkem, síla potřebná k 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 šrotovišti až po stroje pro magnetickou rezonanci. Existují také speciální procesy, které vyžadují více než jednoduchý dvoupólový magnet, jako například čtyřpólový magnet, který se používá pro zaostřování paprsků částic.
Pokud 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 dvoupóly
Všechny magnety mají alespoň dva póly: tedy mají nejméně jeden severní a jeden jižní pól. Póly nejsou párem věcí na nebo uvnitř magnetu. 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 nacházejí všechna čela
a kde všechna týla, neexistuje jediný bod ve kterém by se nacházely všechny. Každý jediný člověk má na jedné straně čelo a na druhé týl. Když se řada rozdělí na polovinu, 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 lze 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 lze 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 nedokážou 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.
Určení severního pólu a zemské magnetické pole
Standardní pojmenování pólů magnetu je důležité. Již v historii termíny severní a jižní ukazovaly na uvědomění si vztahu mezi magnety a magnetickým polem země. Volně podepřený magnet se časem vždy natočí od severu k jihu, protože je přitahován k severnímu a jižnímu zemskému pólu. Konec magnetu, který směřuje k zemskému geografickému severnímu pólu, se označuje jako severní pól magnetu, část směřující k jihu zase jako jižní pól magnetu.
Současný geografický severní pól je vlastně magnetickým jihem. Aby se situace ještě zkomplikovala, zmagnetizované horniny na oceánském dně ukazují, že magnetické pole Země se v minulosti otočilo, takže toto pojmenování pólů bude v budoucnu pravděpodobně zase naopak.
Naštěstí použitím elektromagnetu a pravidla pravé ruky lze orientaci magnetického pole magnetu určit i bez znalostí zemského geomagnetického pole.
Aby se předešlo problémům mezi geografickými a magnetickými póly, u magnetů se často používá označení pozitivní a negativní pól. Pozitivní je ten, který se otáčí na sever.