Jak funguje magnet?

Přepis obsahu video příspěvku:

Když vezmete kus dřeva a přiložíte ho k jinému kusu dřeva… nic se nestane. když vezmete kus žuly a položíte ho vedle jiného kamene… pořád nic. Ale když vezmete tenhle kus železa a položíte ho vedle jiného kusu železa… kouzlo!
Tedy, magnet.

Magnetické předměty mohou magicky přitahovat na dlouhé vzdálenosti protože generují magnetické, které se neviditelně rozprostírá kolem objektu. Ale záhada je v tom: odkud se bere magnetické pole?

Derekk: to je jednoduché, Henry! Už dlouho víme, že elektřina a magnetismus jsou ve skutečnosti dvě strany jedné mince, podobně jako hmota a energie nebo čas a prostor, a mohou se vzájemně transformovat. Ve skutečnosti je magnetické pole jen tím v co se promění elektrické pole když se elektricky nabitý objekt začne pohybovat!

Henry: Tím se dá vysvětlit proč proud elektronů procházející drátem způsobí pohyb střelky kompasu nebo jak proudy ve vnějším zemském jádru vytvářejí geomagnetické pole… ale tyčový magnet nebo střelka kompasu jsou přece jen kousky kovu, kterými neprochází žádný proud.

Derek: A nebo ne? Na mikroskopické úrovni spousty elektronů kmitají v atomech a molekulách tvořících každou pevnou látku.

Henry: Správně! To nás přivádí ke skvělému zjištění – Magnetické chování jakéhokoli běžného předmětu je ovlivňováno fascinující kombinací jevů sahajících od úrovně částic k atomům, souborům atomů a shlukům souborů atomů. Nejdřív jednotlivé částice.

Narozdíl od běžných projevů gravitace a elektřiny, permanentní magnety mohou být plně pochopeny jen jako jev kvantové mechaniky. Velmi podobně jako částice typu elektrony a kvarky mají základní vlastnosti zvané hmotnost a elektrický náboj, většina částic má DALŠÍ jinou vnitřní vlastnost zvanou „malinký magnet“. Dělám si legraci, říká se tomu „vlastní magnetický moment,“ ale fakticky je to jen technická hatmatilka říkající, že částice s elektrickým nábojem je zároveň TAKÉ malinký magnet.

Derek: Chcete-li vědět PROČ jsou malinké magnety, můžete se v první řadě ptát PROČ částice mají náboj nebo proč se předměty s energií a hybností gravitačně přitahují? Nikdo neví… Víme jen, že je to pravda/že takto funguje náš vesmír.

Henry: Přesně tak. A od roku 1920, víme, že každý elektron nebo proton
je v podstatě malinký magnet. Což nás přivádí na úroveň atomů.
Atom je houf kladně nabitých protonů s houfem záporně nabitých elektronů
Kmitajících kolem nich. Malinké magnety protonů jsou zhruba tisíckrát slabší než ty v elektronech takže atomové jádro nemá skoro žádný efekt na magnetismus atomu jako celku.

Derek: A můžete si domyslet, že díky tomu, že mnoho (ačkoli ne všechny) elektrony se také pohybují, jako proud v drátu, budou generovat magnetické pole díky tomuto pohybu. Samozřejmě to tak je a takové pole se nazývá „orbitální“ magnetické pole.

Henry: Ovšem tato pole obvykle nepřispívají k magnetickému poli atomu. Podívejme
se proč: Elektrony v atomech přesně a komplikovaně popisuje kvantová mechanika, ale podstata celého příběhu je v tom, že elektrony se soustřeďují ve slupkách kolem jádra. Elektrony v každé obsazené slupce létají rovnoměrně všemi směry a proudy, které tvoří, se vzájemně ruší takže negenerují žádné magnetické pole. Tyto elektrony také představují páry jejichž malinké magnety směřují opačnými směry a také se ruší. Ovšem ve slupkách zaplněných jen z poloviny jsou všechny elektrony nespárované a jejich malé magnety ukazují stejným směrem a sčítají se. To znamená, že je to vlastní magnetismus elektronů ve vnějších slupkách, co dodává atomu většinu jeho magnetického pole. Takže atomy poblíž krajů každé řady periodické tabulky prvků, které mají plné (nebo téměř zaplněné) vnější elektronové slupky, nejsou příliš magnetické. A atomy ve STŘEDU každé řady mají zpola plné elektronové slupky a jsou magnetické. Například nikl, kobalt, železo, mangan, chrom, a podobně.

Derek: Moment, ale chrom přece není magnetický!

Henry: Ale, přece jen proto, že atom je magnetický ještě neznamená, že materiál skládající se ze spousty takových atomů bude magnetický. To nás přivádí na úroveň krystalů. Když se magnetické atomy formují dohromady aby utvořily pevnou látku, mají obecně dvě možnosti. Buď si všechny navzájem svá magnetická pole srovnají do stejného směru a nebo se orientace magnetického pole střídá, takže se navzájem vyruší. Atomy zaujmou takovou pozici, která vyžaduje méně energie.

Derek: Tak proto se například chová chrom jako velmi magnetický atom, ale velmi nemagnetický materiál – protože je to jeden z nejvíce antiferomagnetických materiálů které známe. Na druhou stranu železo, které dalo feromagnetismu jméno, je podle očekávání feromagnetické. Neboli,jak běžně říkáme: magnetické.

Henry: Někdy. Ta poslední a konečná úroveň magnetismu je ta doménová. Zjednodušeně, dokonce i v magnetickém materiálu, kde magnetické pole atomů je orientováno stejně, je možné, že jeden kousek tohoto materiálu bude mít atomy srovnané do jedno směru, zatímco jiný kousek bude mít všechny své atomy srovnané do jiného směru, a tak dále.

Derek: Pokud všechny tyto „domény“ mají přiblžně stejnou velikost, žádná z nich nemůže být dost silná na to, aby přinutila ostatní srovnat se podle ní, takže například kus železa nemusí mít žádné magnetické pole díky všem svým soupeřícím magnetickým královstvím uvnitř.

Henry: Avšak pokud z vnějšku aplikujeme dostatečně silné magnetické pole/sílu/tlak, můžeme pomoci jedné doméně rozšířit svůj vliv na své okolí,
a tak dál dokud nebudou všechny domény sjednoceny do jednoho království, všechny orientované tím samým směrem.

Derek: A teď konečně můžeme vládnout železnou rukou… tedy, magnetem.

Henry: Přesně tak! Za zmínku stojí, že magnetismus je v podstatě kvantová vlastnost zvětšená na velikost běžných předmětů: každý permanentní magnet je připomínkou toho, že kvantová mechanika tvoří základ našeho vesmíru – aby byl předmět magnetický musí mít jednotné království magnetických domén, z nichž každá je tvořena miliardami magnetických atomů, které také musejí být vzájemně orientované a přitom každý z nich může být magnetický jen pokud má v přibližně z poloviny zaplněné vnější elektronové slupky, takže jejich vlastní magnetická pole se mohou srovnat a nevyruší se při tom. Nepřekvapuje, že tyto podmínky
je opravdu těžké splnit, a proto existuje jen omezený počet vhodných materiálů, které můžete použít na výrobu magnetu.

Derek: A NEBO můžete prostě nechat procházet elektrický proud vodičem a vytvořit tak magnetické pole tímto způsobem.

Zdroj: Minute Physics, YouTube