Hogyan működnek a mágnesek

Valószínűleg tudod, hogy a mágnesek bizonyos fémeket vonzanak, és vannak északi és déli pólusaik. Az ellentétes pólusok vonzzák egymást, míg a hasonló pólusok taszítják egymást. A mágneses és az elektromos mezők kapcsolatban állnak egymással, és a mágnesesség a gravitációval, valamint az erős és gyenge atomerőkkel együtt az univerzum négy alapvető erejének egyike.

De ezek közül a tények közül egyik sem ad választ a legalapvetőbb kérdésre: Pontosan mitől tapad egy mágnes bizonyos fémekhez? Vagy miért nem tapad más fémekhez? Miért vonzzák vagy taszítják egymást, a helyzetüktől függően? És mitől sokkal erősebbek a neodímiummágnesek, mint a kerámia mágnesek, amelyekkel gyerekkorunkban játszottunk?

Ahhoz, hogy megértsük a válaszokat ezekre a kérdésekre, segít, ha ismerjük a mágnes alapvető definícióját. A mágnesek olyan tárgyak, amelyek mágneses mezőt hoznak létre, és vonzzák a fémeket, például a vasat, a nikkelt és a kobaltot. A mágneses mező erővonalai a mágnes északi pólusából lépnek ki, és a déli pólusába lépnek be. Az állandó vagy kemény mágnesek állandóan saját mágneses mezőt hoznak létre. Az ideiglenes vagy lágy mágnesek mágneses mező jelenlétében és a mezőből való kilépés után rövid ideig mágneses mezőt hoznak létre. Az elektromágnesek csak akkor hoznak létre mágneses mezőt, amikor a huzaltekercsükön keresztül áram áramlik.

Mivel az elektronok és a protonok apró mágnesek, minden anyag rendelkezik valamilyen mágneses tulajdonsággal. A legtöbb anyagban azonban az elektronok ellentétes irányú pörgése kioltja az atom mágneses tulajdonságait. A mágnesek gyártásához leggyakrabban a fémeket választják. Bár egyesek egyszerű fémekből készülnek, a fémek kombinációi – az úgynevezett ötvözetek – különböző erősségű mágneseket eredményeznek. Például:

• Ferritek vagy kerámia mágnesek: Ezek olyanok, mint amilyeneket a hűtőmágnesekben és az általános iskolai tudományos kísérletekben használnak. Vas-oxidot és más fémeket tartalmaznak kerámia kompozitban. A lodestone vagy magnetit néven ismert kerámia mágnes volt az első felfedezett mágneses anyag, amely a természetben is előfordul. Annak ellenére, hogy a kerámia mágnes már ilyen régóta létezik, kereskedelmi forgalomba csak 1952-ben kerültek. Bár elterjedtek és megőrzik mágnesességüket, általában gyengébb mágneses mezővel rendelkeznek (az úgynevezett energiatermék), mint más típusú mágnesek.
• Alnico mágnesek: Ezeket az 1930-as években fejlesztették ki, és alumíniumból, nikkelből és kobaltból készülnek. Erősebbek, mint a kerámia mágnesek, de nem olyan erősek, mint azok, amelyek a ritkaföldfémeknek nevezett elemek egy osztályát tartalmazzák.
• Neodímium mágnesek: Ezek vasat, bórt és a ritkaföldfém elemet, a neodímiumot tartalmazzák, és jelen írásunk pillanatában ezek a legerősebb kereskedelmi forgalomban kapható mágnesek. Először az 1980-as években jelentek meg, miután a General Motors Research Laboratories és a Sumitomo Special Metals Company tudósai közzétették kutatásukat.
• Szamárium-kobalt mágnesek: Ezeket a Daytoni Egyetem kutatóegyetemi tudósai fejlesztették ki az 1960-as években, és a kobaltot a ritkaföldfém elemmel, a szamáriummal kombinálják. Az elmúlt néhány évben a tudósok felfedezték a mágneses polimereket, vagyis a műanyag mágneseket is. Ezek közül néhány rugalmas és alakítható. Némelyik azonban csak rendkívül alacsony hőmérsékleten működik, mások pedig csak nagyon könnyű anyagokat, például vasreszeléket vesznek fel.

Mágnesek készítése: Az alapok

Számos mai elektronikus eszköz működéséhez mágnesekre van szükség. Ez a mágnesekre való támaszkodás viszonylag új keletű, elsősorban azért, mert a legtöbb modern eszköz a természetben előforduló mágneseknél erősebb mágneseket igényel. A magnettit egy formája, a lódkő a legerősebb, a természetben előforduló mágnes. Olyan apró tárgyakat képes vonzani, mint a gemkapcsok és kapcsok.

A 12. századra az emberek felfedezték, hogy a lodestone segítségével vasdarabokat is tudnak mágnesezni, így létrehozva egy iránytűt. A lodestone ismételt dörzsölése egy vastű mentén egy irányba mágnesezte a tűt. Így az észak-déli irányba igazodott, amikor felakasztották. Végül William Gilbert tudós elmagyarázta, hogy a mágnesezett tűk észak-déli irányú igazítása annak köszönhető, hogy a Föld egy hatalmas mágnesként viselkedik, amelynek északi és déli pólusa van.

Az iránytű közel sem olyan erős, mint a ma használt állandó mágnesek. De az a fizikai folyamat, amely az iránytűket és a neodímiumötvözet darabjait mágnesezi, lényegében ugyanaz. A mágneses tartományoknak nevezett mikroszkopikus régiókra támaszkodik, amelyek a ferromágneses anyagok, például a vas, a kobalt és a nikkel fizikai szerkezetének részét képezik. Minden egyes tartomány lényegében egy apró, önálló mágnes, északi és déli pólussal. Egy nem mágnesezett ferromágneses anyagban az egyes tartományok északi pólusai véletlenszerű irányba mutatnak. Az ellentétes irányú mágneses tartományok kioltják egymást, így az anyag nem hoz létre nettó mágneses teret.

A mágnesekben viszont a legtöbb vagy az összes mágneses tartomány azonos irányba mutat. Ahelyett, hogy kioltanák egymást, a mikroszkopikus mágneses mezők egyesülnek, és egyetlen nagy mágneses mezőt hoznak létre. Minél több tartomány mutat ugyanabba az irányba, annál erősebb a teljes mező. Minden tartomány mágneses mezeje az északi pólusától az előtte lévő tartomány déli pólusáig terjed.

Ez magyarázza, hogy egy mágnes kettétörése miért hoz létre két kisebb mágnest északi és déli pólussal. Ez magyarázza azt is, hogy az ellentétes pólusok miért vonzzák egymást – a mezővonalak elhagyják az egyik mágnes északi pólusát, és természetesen belépnek a másik mágnes déli pólusába, lényegében egyetlen nagyobb mágnest hozva létre. A hasonló pólusok taszítják egymást, mert erővonalaik ellentétes irányban haladnak, és inkább ütköznek egymással, mintsem együtt mozognának.

Mágnesek készítése: A részletek

Ahhoz, hogy állandó mágnest készítsünk, mindössze annyit kell tennünk, hogy egy fémdarabban lévő mágneses tartományokat arra ösztönözzük, hogy ugyanabba az irányba mutassanak. Ez történik, amikor egy tűt megdörzsölünk egy mágnessel – a mágneses mező hatására a tartományok egymáshoz igazodnak. A mágneses tartományok egy fémdarabban való összehangolásának egyéb módjai a következők:

• Erős mágneses mezőbe helyezés észak-déli irányban.
• Észak-déli irányban tartva és kalapáccsal többször megütögetve, fizikailag megrázva a tartományokat gyenge igazodásba hozza.
• Elektromos áram átvezetése rajta

E módszerek közül kettő a tudományos elméletek közé tartozik arról, hogyan alakul ki a lodestone a természetben. Egyes tudósok feltételezik, hogy a magnetit akkor válik mágnesessé, amikor villámcsapás éri. Mások elmélete szerint a magnetit darabjai mágnessé váltak a Föld keletkezésekor. A tartományok a Föld mágneses mezejéhez igazodtak, miközben a vasoxid olvadt és rugalmas volt.

A mágnesek készítésének ma legelterjedtebb módszere a fém mágneses mezőbe helyezése. A mező nyomatékot fejt ki az anyagra, ami a tartományok igazodását segíti elő. A mező alkalmazása és a tartományok változása között van egy kis késleltetés, az úgynevezett hiszterézis; néhány pillanatba telik, amíg a tartományok elkezdenek mozogni. A következő történik:

• A mágneses tartományok elfordulnak, így a mágneses mező észak-déli irányú vonalai mentén sorakoznak fel.
• A már észak-déli irányba mutató tartományok nagyobbak lesznek, miközben a körülöttük lévő tartományok kisebbek lesznek.
• A doménfalak, vagyis a szomszédos domének közötti határok fizikailag elmozdulnak, hogy alkalmazkodjanak a doménnövekedéshez. Erős mágneses térben egyes falak teljesen eltűnnek.
• Az így létrejövő mágnes erőssége a tartományok mozgatására használt erő nagyságától függ. A mágnes tartóssága, vagyis a megtartó ereje attól függ, hogy milyen nehéz volt a tartományokat az egymáshoz igazodásra ösztönözni. A nehezen mágnesezhető anyagok általában hosszabb ideig megőrzik mágnesességüket, míg a könnyen mágnesezhető anyagok gyakran visszaállnak eredeti nem mágneses állapotukba.

Egy mágnes erejét csökkentheti vagy teljesen demagnetizálhatja, ha ellentétes irányú mágneses térnek teszi ki. Egy anyagot úgy is lehet demagnetizálni, hogy a Curie-pontja fölé melegítjük, vagyis arra a hőmérsékletre, amelynél egy tárgy mágneses tulajdonságai megváltoznak. A hő eltorzítja az anyagot, és gerjeszti a mágneses részecskéket, aminek hatására a tartományok kiesnek az igazodásból.

Miért ragadnak a mágnesek

Ha olvastad a Hogyan működnek az elektromágnesek, akkor tudod, hogy egy vezetéken áthaladó elektromos áram mágneses mezőt hoz létre. A mozgó elektromos töltések felelősek az állandó mágnesek mágneses teréért is. A mágnes mezeje azonban nem a dróton áthaladó nagy áramból ered, hanem az elektronok mozgásából.

Sokan az elektronokat apró részecskéknek képzelik, amelyek úgy keringenek az atommag körül, mint a bolygók a Nap körül. A kvantumfizikusok jelenlegi magyarázata szerint az elektronok mozgása ennél egy kicsit bonyolultabb. Az elektronok lényegében az atom héjszerű pályáit töltik ki, ahol egyszerre viselkednek részecskeként és hullámként. Az elektronoknak van töltésük és tömegük, valamint mozgásuk, amelyet a fizikusok felfelé vagy lefelé irányuló spin-ként írnak le.

Az elektronok általában párban töltik ki az atom pályáit. Ha egy párban az egyik elektron felfelé forog, a másik lefelé forog. Lehetetlen, hogy egy párban mindkét elektron ugyanabba az irányba pörögjön. Ez egy kvantummechanikai elv része, amelyet Pauli kizárási elvnek neveznek.

Bár az atom elektronjai nem mozognak túl messzire, mozgásuk elég ahhoz, hogy egy apró mágneses mezőt hozzanak létre. Mivel a páros elektronok ellentétes irányban pörögnek, mágneses mezejük kioltja egymást. A ferromágneses elemek atomjaiban viszont több párosítatlan elektron van, amelyeknek azonos a spinjük. A vasnak például négy párosítatlan, azonos spinű elektronja van. Mivel nincsenek ellentétes mezők, amelyek kioltanák a hatásukat, ezek az elektronok orbitális mágneses momentummal rendelkeznek. A mágneses nyomaték egy vektor – van nagysága és iránya. A mágneses mező erősségével és a mező által kifejtett nyomatékkal is összefügg. Egy egész mágnes mágneses nyomatéka az összes atomjának nyomatékából származik.

Az olyan fémekben, mint a vas, a keringési mágneses nyomaték arra ösztönzi a közeli atomokat, hogy ugyanazon észak-déli irányú mezővonalak mentén igazodjanak. A vas és más ferromágneses anyagok kristályosak. Ahogy az olvadt állapotból kihűlnek, a kristályszerkezeten belül párhuzamos orbitális spinű atomok csoportjai sorakoznak fel. Így alakulnak ki az előző szakaszban tárgyalt mágneses tartományok.

Talán észrevetted, hogy a jó mágneseket alkotó anyagok ugyanazok, mint a mágnesek által vonzott anyagok. Ennek az az oka, hogy a mágnesek olyan anyagokat vonzanak, amelyek párosítatlan elektronjai azonos irányban pörögnek. Más szóval, az a tulajdonság, amely a fémet mágnessé teszi, a fémet is vonzza a mágnesekhez. Sok más elem diamágneses – párosítatlan atomjaik olyan mezőt hoznak létre, amely gyengén taszítja a mágnest. Néhány anyag egyáltalán nem reagál a mágnesekkel.

Ez a magyarázat és a mögötte álló kvantumfizika meglehetősen bonyolult, és ezek nélkül a mágneses vonzás gondolata rejtélyes lehet. Így nem meglepő, hogy az emberek a történelem nagy részében gyanakvással tekintettek a mágneses anyagokra.

Mágneses mítoszok

Minden alkalommal, amikor számítógépet használsz, mágneseket használsz. Ha otthonában van csengő, az valószínűleg elektromágnessel hajtja meg a zajkeltőt. A mágnesek a CRT-televíziók, hangszórók, mikrofonok, generátorok, transzformátorok, elektromos motorok, betörésjelzők, kazettás magnók, iránytűk és autós sebességmérők létfontosságú alkotóelemei is.

A mágnesek gyakorlati felhasználásuk mellett számos csodálatos tulajdonsággal rendelkeznek. Képesek áramot indukálni a vezetékben és nyomatékot szolgáltatni az elektromos motorok számára. A mágnesvasutak mágneses meghajtást használnak a nagy sebességű közlekedéshez, a mágneses folyadékok pedig segítenek a rakétamotorok üzemanyaggal való feltöltésében.

A Földet a magnetoszféra néven ismert mágneses mező védi a napszéltől. A Wired magazin szerint egyesek még apró neodímium mágneseket is beültetnek az ujjukba, amelyek segítségével érzékelni tudják az elektromágneses mezőket.

A mágneses rezonanciás képalkotó (MRI) gépek mágneses tereket használnak, hogy az orvosok megvizsgálhassák a betegek belső szerveit. Az orvosok impulzus elektromágneses mezőket használnak a nem megfelelően gyógyuló csonttörések kezelésére is. Ez a módszer, amelyet az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala az 1980-as években hagyott jóvá, képes meggyógyítani azokat a csontokat, amelyek más kezelésre nem reagáltak. Hasonló elektromágneses energiaimpulzusok segíthetnek megelőzni a csont- és izomvesztést az űrhajósoknál, akik hosszabb ideig tartózkodnak mikrogravitációs környezetben.

A mágnesek az állatok egészségét is védhetik. A tehenek hajlamosak a traumás retikuloperikarditisznek vagy hardverbetegségnek nevezett állapotra, amely fémtárgyak lenyeléséből ered. A lenyelt tárgyak átszúrhatják a tehén gyomrát, és károsíthatják a rekeszizmot vagy a szívet. A mágnesek fontos szerepet játszanak ennek az állapotnak a megelőzésében.

Az egyik gyakorlat szerint a mágnest át kell vezetni a tehenek eledelén, hogy eltávolítsák a fémtárgyakat. Egy másik módszer szerint a teheneket mágnessel etetik. A hosszú, keskeny alnico mágnesek, az úgynevezett tehénmágnesek vonzzák a fémdarabokat, és segítenek megakadályozni, hogy azok megsértsék a tehén gyomrát.

Az embereknek viszont soha nem szabadna mágnest enniük, mivel azok összetapadhatnak az ember bélfalán keresztül, elzárva a véráramlást és elpusztítva a szöveteket. Embereknél a lenyelt mágnesek eltávolítása gyakran műtétet igényel.

Vannak, akik a mágnesterápia alkalmazását támogatják a legkülönbözőbb betegségek és állapotok kezelésére. A szakemberek szerint a mágneses talpbetétek, karkötők, nyakláncok, matracbetétek és párnák az ízületi gyulladástól a rákig mindent meggyógyíthatnak vagy enyhíthetnek. Egyes szószólók azt is javasolják, hogy a mágnesezett ivóvíz fogyasztásával különféle betegségeket lehet kezelni vagy megelőzni.

A támogatók több magyarázatot is kínálnak arra, hogyan működik ez. Az egyik szerint a mágnes vonzza a vérben lévő hemoglobinban található vasat, javítva ezzel a vérkeringést egy adott területen. Egy másik szerint a mágneses mező valamilyen módon megváltoztatja a közeli sejtek szerkezetét.

Tudományos vizsgálatok azonban nem erősítették meg, hogy a statikus mágnesek használata bármilyen hatással lenne a fájdalomra vagy betegségre. A klinikai vizsgálatok azt sugallják, hogy a mágneseknek tulajdonított pozitív hatások valójában az idő múlásának, a mágneses talpbetétekben lévő kiegészítő párnázottságnak vagy a placebohatásnak tulajdoníthatók. Ráadásul az ivóvíz jellemzően nem tartalmaz olyan elemeket, amelyek mágnesezhetőek, így a mágneses ivóvíz ötlete megkérdőjelezhető.

Miért fontos a Föld mágneses mezeje?

A Föld mágneses mezeje nélkül az élet a bolygón előbb-utóbb kihalna. Ez azért van, mert nagy mennyiségű napsugárzásnak lennénk kitéve, és a légkörünk kiszivárogna az űrbe.

Az ember elektromágneses?

Az emberek képesek saját elektromágneses mezőt létrehozni. Ez a testben folyó (kémiai reakciók következtében keletkező) kis elektromos áramok jelenlétével magyarázható. Valójában a testünkben keringő áramokat indukálhatunk egy közeli mágneses mezővel.

A mágnesek károsak a szervezetre?

Az, hogy a mágnesek károsak-e az emberi testre, az erősségüktől függ. A tudósok egyetértenek abban, hogy a 3000 Gauss alatti mágnesek ártalmatlanok, de ami e fölött van, az potenciálisan veszélyes lehet.

Károsíthatja a mágnes a Macbookomat?

A mágnesek károsíthatják a Macbookot. Ennek oka, hogy a számítógép merevlemezén lévő adatok törlődhetnek a közeli mágnes mágneses hatása miatt. Ha ez megtörténik, az adatok megsérülhetnek, és helyreállításra lehet szükség biztonsági mentésből.

Mi az a mágneses induktivitás?

A mágneses induktivitást olyan tulajdonságként határozzák meg, amely lehetővé teszi, hogy bármely anyag (például a vas) ideiglenesen mágneses tulajdonságokat vegyen fel, ha egy másik mágnes közelébe kerül. Ezt a jelenséget először Michael Faraday figyelte meg 1831-ben.