Szerkesztő:Zimis/Mágnesek

A fizikában sokféle mágneses jelenség ismert. A mágnesek egy része a természetben is előfordul, míg többségük az emberi beavatkozás eredményeként vesz fel különféle mágneses tulajdonságokat.

Történet

I. e. ~2500: görög legenda: Kréta szigetén (Ida hegység) egy Magnész nevű pásztor fedezte fel a mágneses vasércet, a magnetitet, amit róla neveztek el. Más változat szerint Magnészia tartományról kapta a nevét, vagy a terület Magnészről.
I. e. ~ 600: Arisztotelész Thalésznek írt levelében megemlíti a mágnesességet.^[1]
I. e. ~ 600: Indiai sebész, Sushuta használt először mágnest a gyógyításnál.^[2]
4. század: könyvben említik meg a mágnest
1031-1095: Shen Kuo kinai tudós használ először iránytűt
1187: Alexander Neckham, Európában először említi meg a mágnes navigációs szerepét
1819: Hans Christian Ørsted dán fizikus felfedezte az áram és mágnesesség közötti kapcsolatot
1820: André-Marie Ampère felfedezte az áram hatását zárt hurkú vezetőben
1820: Jean-Baptiste Biot és Félix Savart megalkották a [[Biot–Savart-törvény]t
1831: James Clerk Maxwell felfedezte az időben változó mágneses fluxus hatását, mely feszültséget indukál, és megalkotta az úgynevezett Maxwell egyenleteket
1911: Heike Kamerlingh Onnes felfedezi a szupravezetést..
1914:Barnett – hatás: forgó test mágneses teret eredményez
1915: Einstein- és de Hass-féle hatás : mágnesezés hatására forgó mozgás keletkezik
A 20. és 21.században tovább folyt és folyik a fizika fejlődése. A kvantumfizika új elméletekkel járult hozzá az elektromosság és mágnesesség megértéshez, mint például, az elektrogyenge kölcsönhatás, a standard modell, a kvantum elektrodinamika.

A mágneses tulajdonságok alapjai

Az anyagok különböző mágneses tulajdonságainak megértéséhez két tényt kell figyelembe venni:

az elektromos áram mágneses teret hoz létre a környezetében
az elektronok (elektromos töltések) pályákon keringenek az atommag körül,

és közben saját tengelyük körüli forgást is végeznek.

Abból, hogy az elektromos áram mágneses teret kelt, már korán arra következtettek (Oersted, 1819), hogy az anyagok mágneses tulajdonságait elemi áramok határozzák meg (Ampere, 1820). Ezt a felfedezést erősítette meg Bohr 1913-ban megalkotott atommodellje is, amely szerint egy pozitív töltésű mag körül negatív töltésű elektronok keringenek jól meghatározott pályákon. Az e töltésű, v sebességgel keringő elektron keltette áram hatására mágneses tér alakul ki.

További kutatások során megállapították, hogy az elektronok a pályakeringésen kívül saját tengely körüli forgást is végeznek, amit spinnek neveznek. A klasszikus szemlélet szerint, de a kvantummechanikai értelmezés alapján is az elektron (a többi elemi részecskéhez hasonlóan) hullámtermészetű, amire a forgás nem értelmezhető. Ebből a forgó mozgásból is származik egy, a mágneses viselkedést erősen meghatározó mágneses momentum. A mágneses momentum arra utal, hogy az atom mágneses dipólust képez. A rúdmágnes pl. mágneses dipólus.

Az atom mágneses momentumának két összetevője van:

a spinből eredő, és
a mag körül keringő elektronokból eredő mágneses momentum.

Ezekhez járul még a mag saját mágneses momentuma, amelynek hatása nagyon csekély, ezért az első két tényező mellett általában elhanyagolható.

A különböző anyagok viselkedését külső mágneses térben csak az atom mágneses momentumának nagysága és iránya határozza meg. Ilyenkor az elektronok forgását és mag körüli keringését megzavarja, hogy mágneses terük a külső térrel együtt eredő teret alkot. Ez erőt gyakorol a kialakult "pörgettyűre", amely mint minden erőhatás alatt álló pörgettyű, precessziós mozgást végez. Az így kialakult mozgásból származó mágneses momentum iránya a külső térrel ellentétes.

Ha külső mágneses térbe testet helyezünk, akkor az eredő mező és a test viselkedése csak atomjainak saját mágneses momentumától függ.

Mágnes fajták

Föld

A Föld egy hatalmas mágnes. A Föld mágnesességének oka nem teljesen tisztázott.

A Föld keletkezésekor izzó, olvadt gömb volt. A nehezebb anyagok, mint például a vas és a nikkel, lesüllyedtek, és belőlük lett a gömbalakú földmag. A hatalmas belső nyomás megszilárdította a mag mintegy 2500 kilométer átmérőjű fémgömbjét, de a felszínhez közelebb, ahol kisebb volt a nyomás, a vas és a nikkel folyékony maradt. E folyékony külső mag mozgásai gerjesztik a Föld mágneses mezejét.

A Föld-mágnesnek van északi és déli pólusa.

Egy másik elmélet az úgynevezett dinamó-hatás.

A dinamó-hatás szerint a Föld mágneses tere egy öngerjesztő dinamó. A Föld külső héjában lévő elektromosan vezető anyag (folyékony vas, nikkel) elektromos áramot generál (örvényáram hatás). Az elektromos áram viszont mágneses mezőt hoz létre, mely kölcsönhatásba van a mozgó folyékony réteggel és létrehoz egy másodlagos mágneses mezőt.

A Föld mágnesnek számos hatása van: navigációt segíti, állatok tájékozódását lehetővé teszi, északi fény, a Földet körülvevő mágneses mező, amely töltött részecskéket tartalmaz (magnetoszféra) eltéríti, kölcsönhatásba lép a világűrből érkező töltött részecskékkel, így részben védelmet nyújt a napszéllel szemben, stb.

Diamágnes

A diamágnesesség a mágnesesség egy formája, amely csak külső mágneses tér hatására jelentkezik.

Ez általában egy gyenge hatás, de a szupravezetők erős hatást produkálnak. A diamágnes jellegzetes tulajdonsága, hogy bennük a spin- és a pályamomentum semlegesítik egymást, ezért normális állapotukban nincs kifelé irányuló mágneses momentumuk. Lenz törvénye (lásd: Faraday–Lenz-törvény)értelmében csak külső tér hatására alakul ki egy azzal ellentétes irányú eredő mágneses mező.

A diamágneses anyagok relatív permeabilitása 1-nél kisebb, de 1-hez nagyon közeli érték, a szuszceptibilitása pedig negatív. Diamágneses anyagok a mágneses fluxusvonalakat eltérítik az anyagtól, szupravezetők teljesen kizárják, kivéve egy igen vékony réteget a felületen.

A legtöbb nemfémes szilárd test (pl. üveg), valamint pl. a réz, arany, ezüst, cink, higany, germánium és ólom diamágneses. Az ilyen anyagokat az erősen inhomogén mágneses tér taszítja.

Paramágnes

A paramágneses hatást mutató anyagokban a kétféle mágneses momentum (a spin és a pályamomentum) nem semlegesíti egymást teljesen. Ez azt jelenti, hogy az anyag minden atomjának van mágneses momentuma, azaz mágneses dipólusként viselkedik. Az ilyen anyag mégsem mutat mágneses tulajdonságokat, mert az atomok mágneses nyomatékai statisztikailag rendszertelen irányokba mutatnak.

Külső mágneses tér hatására azonban az anyag atomjainak momentumai a tér irányába rendeződnek (paramágneses hatás). Ehhez az szükséges, hogy a külső tér elég erős legyen a hőmozgás leküzdésére. Ha ez teljesül, akkor az atomok nyomatékainak rendeződése csökkenti a mágneses ellenállást, azaz növeli a fluxussűrűséget és ezáltal gyenge (makroszkopikus) mágnesesség tapasztalható.

A paramágneses anyagok relatív permeabilitása 1-nél valamivel nagyobb, a szuszceptibilitás pedig pozitív állandó. A növekvő térerősséggel együtt nő az irányított momentumok száma, és ennek megfelelően a B fluxussűrűség is. Telítettség nem lép fel. Paramágneses anyagok: az oxigén, a nátrium, a kálium, az alumínium, a szilícium, az ón és a mangán.

Ferromágnes

A ferromágnesség is elemi mágneses dipólusok jelenlétén alapszik. A paramágnességhez hasonlóan itt is a spintől eredő mágneses momentum van túlsúlyban, vagyis minden atomnak van gyenge mágneses momentuma.

Azokat az anyagokat, amelyekre jellemző a ferromágnesség, ferromágnesnek hívjuk.

A ferromágnes szó első tagja, a ferro-, vasat jelent. De nem csak a vas mutat ferromágnesességet.

Minden olyan anyagot, amely állandó mágnes lesz egy külső mágneses tér hatására, és megtartja a mágnességét akkor is, ha a külső mágnesező teret eltávolítottuk a környezetéből, ma vagy ferromágneses vagy ferrimágneses anyagnak neveznek.

Az ismertebb ferromágneses fémek a vas, a kobalt és a nikkel Egyes ritkaföldfémek szintén ferromágneses tulajdonsággal bírnak. Ilyen a gadolínium, a holmium, a terbium, és a diszprózium.

A Curie-pont

A ferromágneses anyagok doménjeiben nagyszámú szomszédos atom momentumai egymással párhuzamosak. Mindez a hőmozgás dezorientáló hatásával szemben megy végbe. Ezért a hőmérséklet növelésével a spontán mágneseződést egyre inkább akadályozza a hőmozgás.

Adott hőmérséklet, azaz a Curie-pont elérésekor ismét visszaáll a sajátmomentumok statisztikai rendezetlensége, vagyis a Curie-pont felett a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak.

Ha a hőmérsékletet abszolút nulla fokra csökkentenénk (amely elérhetetlen), minden momentum a külső mágneses tér irányába mutatna és kialakulna a maximális telítési mágneses polarizáció.

Ferrimágnes

Ha a kristályos anyag elemi cellájában szereplő ionok mágnesessége azonos irányítású, akkor ferromágnesnek, ha viszont az elemi cella kétféle ionjának a mágnesessége két különböző főirányú, akkor ferrimágnesnek nevezik a mágneses anyagot.

A ferro- és ferrimágnesség közötti különbség a következőkkel magyarázható. Ferromágnesség esetén a fématomok közvetlen kölcsönhatásban állnak egymással, míg a ferrimágneses anyagokban a nagyméretű oxigénionok foglalják el a térfogat jelentős részét, és megakadályozzák a fématomok érintkezését, szabad elektronok keletkezését a kristályrácsban. Az oxigénatomok arra törekszenek, hogy mágneses momentumaik ellentétesen, egymással párhuzamosan irányítottak legyenek. Mégis kialakul eredő momentum, mert az ellenpárhuzamos momentumok különböző nagyságúak.

A ferrimágnesség egy speciális esete az anti-ferromágnesség, amikor az ellenpárhuzamos mágneses momentumok nagysága azonos, és így semlegesítik egymást. Ferrimágneses anyagok: YIG, magnetit (Fe₃O₄), ferrit, mangán, cink, stb.

Lágymágnes

Lágymágneses anyagokról akkor beszélünk, ha a telítődés már kis térerősség hatására is létrejön. Ilyenkor a Weiss-féle tartományok mágneses dipólusai könnyen átbillenhetnek az egyik kitűntetett helyzetből a másikba. A spontán mágnesezettség iránya nem kapcsolódik szorosan a krissztallográfiailag kitűntetett irányhoz.

Keménymágnes

Amikor a spontán mágnesezettségi irány a kristály tengelyeihez kötött, és ezáltal az átbillenéshez nagy energia szükséges, keménymágneses anyagokról beszélünk. Ezeket használják állandómágnesek előállítására. Mindkét anyagcsoportban egyaránt felhasználnak ferro- és ferrimágneses anyagokat. Utóbbiaknak kis telítési polarizációjuk mellett számos előnyös tulajdonságuk is van.

Elektromágnes

Az elektromágnes magja egy lágyvas anyag, amelyet legalább egy tekercs vesz körül. A tekercsben folyó elektromos áram mágnenes teret hoz létre. Mivel az erővonalak a tekercs belsejében azonos irányúak, így a vasban mágneses fluxus alakul ki. Ez a fluxus teszi lehetővé, hogy mágnesezhető anyagokat magához vonzzon. Az elektromos áram megszűnése után elveszíti mágneses tulajdonságait.

Az elektromágnes felhasználás széleskörű:

Villanymotorok, relék, mérőműszerek, mikrofon, hangszóró, autókürt, elektromos csengő, mágneses ajtózár, stb.

Lásd még

Mágnes

Irodalom

Ulrike Berger: Mágnesség és elektromosság. (hely nélkül): Cser Kiadó és Ker.kft. 2007. ISBN 9789632781068

Dr.mező T, Molnár T., Dr. Nagy A: Fizika 11. osztály. (hely nélkül): Maxim Könyvkiadó. ISBN 9789632610948

További információk

Források

↑ Fowler, Michael: Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism, 1997. (Hozzáférés: 2008. április 2.)
↑ Vowles, Hugh P. (1932). „Early Evolution of Power Engineering”. Isis 17 (2), 412–420 [419–20]. o, Kiadó: University of Chicago Press. DOI:10.1086/346662.

[1] Fowler, Michael: Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism, 1997. (Hozzáférés: 2008. április 2.)

[2] Vowles, Hugh P. (1932). „Early Evolution of Power Engineering”. Isis 17 (2), 412–420 [419–20]. o, Kiadó: University of Chicago Press. DOI:10.1086/346662.

[1]

[2]