Jak funguje magnet?
Když přiblížíte magnet ke lžičce, přitáhne ji – i když se jí ani nedotkne. Tato schopnost působit na dálku je důsledkem magnetického pole, které magnet vytváří kolem sebe. Právě díky němu magnet přitahuje nebo odpuzuje jiné magnety a působí na feromagnetické materiály (např. železo či běžnou ocel).
Magnetické pole je neviditelné, avšak lze jej znázornit pomocí kovových pilin. Pokud magnet položíme pod papír a nasypeme na něj piliny, samovolně se uspořádají do charakteristických linií. Ty odpovídají tzv. siločarám magnetického pole, které znázorňují jeho směr a relativní intenzitu. Čím jsou siločáry hustší, tím je magnetické pole v daném místě silnější [00:23].
Všimněte si, že magnetické siločáry vycházejí z jednoho konce magnetu a vstupují do opačného, čímž mají určený směr. Zároveň tvoří uzavřené smyčky – vždy se uzavírají samy do sebe a vytvářejí souvislý okruh. Místo, kde magnetické siločáry z magnetu vystupují, a místo, kde do něj vstupují, nazýváme póly magnetu:
- ze severního pólu (N) siločáry vycházejí,
- do jižního pólu (S) siločáry vstupují.
Právě toto směrování a uzavírání magnetických siločar spolu se snahou pole uspořádat se co nejplynuleji a energeticky nejvýhodněji vysvětluje chování dvou magnetů v těsné blízkosti.
Ačkoli by si každý magnet mohl své siločáry uzavřít i „sám do sebe“, pokud se v jeho blízkosti nachází opačný pól jiného magnetu, pole upřednostní plynulejší a energeticky výhodnější cestu siločar. Proto se při opačných pólech (N–S) siločáry propojí mezi magnety a vytvoří jedno společné magnetické pole. Výsledkem je přitahování.
Naopak, když jsou proti sobě stejné póly (N–N nebo S–S), siločáry se nemohou plynule propojit – směřovaly by proti sobě. Takové uspořádání je energeticky nevýhodné, a proto se magnetické pole vytlačuje do okolí. Toto „rozpínání“ pole se navenek projeví jako odpuzování magnetů.
Proto když magnet rozříznete, neoddělíte severní pól od jižního. Magnetické pole se v každé části znovu uspořádá tak, aby vytvořilo uzavřené smyčky – a tím vzniknou dva nové páry míst výstupu a vstupu. Výsledkem jsou dva menší magnety, každý opět se svým severním i jižním pólem. A tento princip platí i při dělení na stále menší části, samostatný „jeden pól“ se neobjeví.
– vždy s vlastním severním a jižním pólem.
Už víme, že póly jsou vždy dva. Odkud se však bere magnetické pole jako takové? Odpověď musíme hledat na úrovni atomů – v elektronech, jejich spinu a v tom, jak se jejich magnetické účinky v atomech (a mezi atomy) navzájem sčítají nebo ruší. Právě to rozhoduje o tom, zda je materiál přitahovatelný magnetem, zda se dokáže uspořádat tak, že se z něj stane magnet s vlastním magnetickým polem – nebo zda je jeho reakce na magnetické pole tak slabá, že ji v běžném životě prakticky nepostřehneme.
Jak vzniká magnetismus?
[02:17]Abychom pochopili, odkud se bere magnetické pole, musíme se podívat na úroveň atomů. Uprostřed atomu je jádro, tvořené kladně nabitými protony a elektricky neutrálními neutrony. Kolem jádra se nacházejí elektrony se záporným nábojem.
Víme, že elektrony, protony a neutrony mají svou hmotnost. Protony a elektrony mají elektrický náboj. Mají tyto částice ještě nějakou další vlastnost?
Ano, existuje jedna, která je pro magnetismus naprosto zásadní, i když se o ní příliš nemluví. Nazývá se spin.
Spin je čistě kvantová vlastnost, která nemá obdobu v klasické fyzice. Jeho důsledkem je, že elementární částice mají magnetický moment, tedy magnetický účinek. Laicky si je proto můžeme představit jako drobné magnety.
Spin mají všechny elementární částice, ale u elektronů je jeho magnetický vliv nejvýraznější. Proto jsou elektrony z hlediska magnetismu klíčové.
Spin elektronu je tedy hlavním příspěvkem k magnetismu atomu, nikoli však jediným. Když se elektron pohybuje kolem jádra, chová se jako drobný elektrický proud – a každý proud vytváří magnetické pole. Toto pole je druhým příspěvkem k magnetismu atomu a nazývá se orbitální magnetické pole.
Může se proto zdát, že každý atom musí být magnetický – elektrony mají magnetický moment daný spinem a zároveň se pohybují v atomu, čímž vytvářejí i orbitální magnetické pole. Zdánlivě by tedy měl být magnetický každý atom, a tím pádem i každý materiál, který je z takových atomů složen.
Ve skutečnosti to však takto jednoduché není. V mnoha atomech se magnetické účinky elektronů navzájem vyruší, takže atom jako celek nemá žádný výsledný magnetický moment. A i v případech, kdy jednotlivé atomy magnetický moment mají, to ještě neznamená, že materiál bude navenek magnetický – buď jako magnet, nebo tím, že bude na magnetické pole citelně reagovat.
Proč není magnetický každý materiál?
[04:09]Aby byl materiál magnetický jako celek, nestačí jen to, že elektrony mají spin a vytvářejí magnetické pole. Musí být splněno několik podmínek na více úrovních:
- Příznivé uspořádání elektronů v atomu – aby měl atom magnetický moment, typicky díky přítomnosti nepárových elektronů.
- Příznivé vzájemné uspořádání atomů v pevné látce – aby se magnetické momenty sousedních atomů dokázaly navzájem sladit a umožnily vznik magnetických domén.
- Příznivé uspořádání a chování magnetických domén – aby se materiál navenek choval jako magnet.
Podívejme se na jednotlivé podmínky podrobněji:
1. Příznivé uspořádání elektronů v atomuElektrony se v atomu nacházejí v tzv. orbitalech a jeden orbital může být obsazen nejvýše dvěma elektrony. Pokud jsou v orbitalu dva elektrony, mají opačné spiny, a jejich magnetické účinky se proto do značné míry navzájem vyruší. Podobně se mohou vyrušit i příspěvky související s jejich pohybem v atomu.
Plně obsazený orbital tak zpravidla nepřispívá k celkovému magnetismu atomu. Aby mohl atom k magnetismu přispět, musí mít alespoň jeden nepárový elektron – tedy elektron, který je v orbitalu sám.
2. Příznivé vzájemné uspořádání atomů v pevné látceSamotná přítomnost nepárových elektronů a magnetický účinek jednotlivých atomů však ještě nestačí k tomu, aby se materiál jako celek choval jako magnet.
Je to z důvodu, že vliv na magnetismus materiálu jako celku má i uspořádání atomů v pevné látce. V některých materiálech se magnetické momenty sousedních atomů dokážou sladit do stejného směru, což je pro systém energeticky výhodné. V jiných materiálech se naopak tyto momenty neuspořádají jednotně a výsledkem je, že materiál jako celek magnetický není.
Vpravo: nesladěné momenty – jejich výsledný magnetický účinek se navenek neprojeví.
I když se magnetické momenty atomů v materiálu dokážou sladit, běžně se neuspořádají jednotně v celém objemu materiálu. Místo toho se slaďují jen lokálně – v menších oblastech, které nazýváme magnetické domény.
Každý kus materiálu se obvykle skládá z mnoha takových domén. V rámci jedné domény jsou magnetické momenty atomů natočeny stejným směrem, ale jednotlivé domény mohou být orientovány různě. Jejich magnetické účinky se proto mohou navzájem rušit.
– jejich magnetické účinky se navzájem vyrušují.
Například v běžném kusu železa existuje mnoho domén, které jsou orientovány různě. Jejich účinky se proto navzájem vyruší a železo navenek působí jako nemagnetické. Teprve když se železo dostane do vnějšího magnetického pole (například v blízkosti magnetu nebo v poli vytvořeném elektrickým proudem), domény se mohou přeskupovat a začít se orientovat jednotněji. Teprve tehdy se z materiálu stává magnet.
Magneticky měkké a magneticky tvrdé materiály
[08:27]V předchozí části jsme viděli, že o magnetismu materiálu rozhoduje chování magnetických domén. Nyní přichází důležitá otázka: co se stane, když vnější magnetické pole zmizí?
Rozdíl mezi materiály spočívá v tom, jak pevně jsou domény „vázány“ ve vnitřní (krystalové) struktuře materiálu a jak snadno se po odstranění pole dokážou vrátit do původního uspořádání.
Materiály, ve kterých se domény po odstranění pole snadno vrátí do původního neuspořádaného stavu, nazýváme magneticky měkké. Naopak materiály, ve kterých jsou domény pevněji „ukotveny“, takže pokud se jednou uspořádají, dokážou si toto uspořádání udržet i bez vnějšího pole, označujeme jako magneticky tvrdé.
Permanentní magnet
[09:13]Permanentní magnet je magneticky tvrdý materiál, který byl zmagnetizován – jeho domény se uspořádaly a po odstranění vnějšího pole se nevracejí spontánně do neuspořádaného stavu. Proto si dokáže dlouhodobě udržet vlastní magnetické pole.
K výrobě silných permanentních magnetů se používají speciální materiály a slitiny, například na bázi neodymu, železa a boru.
Podívejte se na video pro ještě lepší pochopení – názorné vizualizace a konkrétní příklady, které vám magnetismus rychle objasní.
![Jak oddělit silné magnety [FOTO, VIDEO]](https://orodian.cz/wp-content/uploads/2018/09/ako-oddelit-kocky-300x200.gif)
