Μαγνητισμός

Ιστορία

Ο Αριστοτέλης αποδίδει την πρώτη επιστημονική θεωρία του μαγνητισμού στον Θαλή, ο οποίος έζησε περίπου το 625 π.Χ. με περίπου 545 π.Χ. Στην Κίνα, η πρώτη καταγεγραμμένη αναφορά στον μαγνητισμό βρίσκεται σε ένα βιβλίο του 4ου αιώνα π.Χ. που ονομάζεται Βιβλίο του Άρχοντα της Κοιλάδας των Δαιμόνων (鬼谷子): "Ο μαγνητίτης κάνει τον σίδηρο να πλησιάζει ή αυτός έλκει αυτόν". Η παλαιότερη αναφορά στην έλξη μιας βελόνας εμφανίζεται σε ένα έργο που έχει γραφτεί μεταξύ του 20 και 100 μ.Χ. (Louen-heng): "Ο μαγνητίτης έλκει τη βελόνα." Ο αρχαίος Κινέζος επιστήμονας Shen Kuo (1031-1095) ήταν ο πρώτος που έγραψε για την πυξίδα με μαγνητική βελόνα και βελτίωσε την ακρίβεια της ναυσιπλοΐας χρησιμοποιώντας την αστρονομική θεωρία του πραγματικού Βορρά (Dream Pool Essays, 1088 μ.Χ.), και ήταν γνωστό μέχρι τον 12ο αιώνα ότι οι Κινέζοι γνώριζαν να χρησιμοποιούν την πυξίδα μαγνητίτη στην ναυσιπλοΐα. Ο Alexander Neckham, το 1187, ταν ο πρώτος στην Ευρώπη που περιέγραψε την πυξίδα και την χρήση της στη ναυσιπλοΐα.
Το έπος του Γκιλγκαμές επίσης αναφέρει την χρήση κατευθυντήριων λίθων, το 3700 π.Χ.

Ο μαγνητισμός στη φυσική

Οι εξισώσεις του Μάξγουελ και ο νόμος των Μπιο-Σαβάρ περιγράφουν την προέλευση και την συμπεριφορά των πεδίων που είναι υπεύθυνα για αυτές τις δυνάμεις. Έτσι, μαγνητισμός παρουσιάζεται εκεί όπου ηλεκτρικά φορτία είναι σε κίνηση. Αυτό μπορεί να προκύψει είτε από κίνηση ηλεκτρονίων σε ηλεκτρικό ρεύμα, έχοντας ως αποτέλεσμα τον "ηλεκτρομαγνητισμό" ή στο κβαντομηχανικό σπιν και στην περιστροφή των ηλεκτρονίων στο άτομο, έχοντας ως αποτέλεσμα του γνωστούς "μόνιμους μαγνήτες". Το σπιν των ηλεκτρονίων είναι το κυρίαρχο φαινόμενο στα άτομα. Η γνωστή ως 'περιστροφική κίνηση' των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα είναι δευτερεύον φαινόμενο που μεταβάλλει ελαφρώς το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το σπιν.

Μαγνητικά δίπολα

Συνήθως, τα μαγνητικά πεδία εμφανίζονται ως  δίπολα, με ένα βόρειο και ένα νότιο πόλο, με τους όρους αυτούς να χρονολογούνται από την εποχή που οι μαγνήτες  χρησιμοποιούνταν ως πυξίδες, αντιδρώντας με το γήινο μαγνητικό πεδίο για να δείξουν το Βόρειο και το Νότιο πόλο της γης. Επειδή οι αντίθετοι πόλοι έλκονται, ο 'βόρειος' γεωγραφικός πόλος της γης πρέπει να είναι μαγνητικά 'νότιος'. 
Το μαγνητικό πεδίο περικλείει ενέργεια, και τα φυσικά συστήματα σταθεροποιούνται με βάση την ελάχιστη ενέργεια. Ως εκ τούτου, όταν τοποθετηθεί σε μαγνητικό πεδίο, ένα μαγνητικό δίπολο τείνει να ευθυγραμμιστεί σε αντίθετη πολικότητα με αυτό το πεδίο, μειώνοντας έτσι τη δύναμη του πεδίου όσο το δυνατόν περισσότερο και μειώνοντας την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη σε αυτό το πεδίο σε έναν ελάχιστο βαθμό. Για παράδειγμα, δύο πανομοιότυποι ραβδοειδείς μαγνήτες ευθυγραμμίζονται αυθόρμητα νότιος με βόρειος πόλος ο ένας πάνω στον άλλον έχοντας ως αποτέλεσμα την εξουδετέρωση του μαγνητικού πεδίου και αντιστέκονται σε κάθε προσπάθεια να τους αλλάξουμε προσανατολισμό ώστε ο κάθε πόλος να ευθυγραμμιστεί με τον αντίστοιχο. Η ενέργεια που απαιτείται για να τους επαναπροσανατολίσουμε σε αυτήν την διάταξη αποθηκεύεται στο μαγνητικό πεδίου που δημιουργείται, που είναι διπλάσιας δύναμης του πεδίου του κάθε μαγνήτη ξεχωριστά. Γι' αυτόν το λόγο ένας μαγνήτης χρησιμοποιείται ως πυξίδα και αλληλεπιδρά με το μαγνητικό πεδίο της Γης ώστε να μας δείξει τον Βορρά και τον Νότο.

Ηλεκτρομαγνήτες

Οι ηλεκτρομαγνήτες είναι χρήσιμοι σε περιπτώσεις όπου ένας μαγνήτης πρέπει να τεθεί σε λειτουργία με βοήθεια διακόπτη; για παράδειγμα μεγάλοι γερανοί που χρησιμοποιούνται για να ανυψώσουν κατεστραμμένα αυτοκίνητα. 
Όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται ενός καλωδίου, το πεδίο που παράγεται έχει ένταση που καθορίζεται απ' τον "κανόνα του δεξιού χεριού".  Χρησιμοποιώντας το δεξί χέρι, ο αντίχειρας δείχνει στο καλώδιο σε κατεύθυνση από την θετικό προς την αρνητικό πόλο ("συμβατικό ρεύμα", η αντίστροφη κατεύθυνση της πραγματικής κίνησης των ηλεκτρονίων), τότε η ένταση του μαγνητικού πεδίου θα έχει την φορά των δαχτύλων του δεξιού χεριού.  Αν τυλίξουμε το καλώδιο σε έναν κυκλικό τμήμα ή σε σπείρες τότε το ρεύμα θα κινείται σε κυκλική τροχιά και τότε όλες οι μαγνητικές γραμμές στο κέντρο του πεδίου θα έχουν την ίδια κατεύθυνση, έχοντας ως αποτέλεσμα ένα μαγνητικό δίπολο η ένταση του οποίου εξαρτάται απ' το ρεύμα που διατρέχει το κυκλικό τμήμα ή στην σπείρα(σε αυτήν την περίπτωση η ένταση θα είναι ανάλογη του αριθμού των σπειρών).  Έτσι χρησιμοποιώντας τον κανόνα του δεξιού χεριού για τον κυκλικό τομέα ή για μια σπείρα, όταν τα δάχτυλα τυλίγονται γύρω απ' τον κύκλο με τη φορά του συμβατικού ρεύματος (δηλ. απ' το θετικό στο αρνητικό, αντίθετα απ' την πραγματική κίνηση των ηλεκτρονίων), ο αντίχειρας θα δείχνει στην κατεύθυνση που αντιστοιχεί στο βόρειο πόλο απ' αυτό το δίπολο.

Μόνιμοι και προσωρινοί μαγνήτες

Ένας μόνιμος μαγνήτης διατηρεί τις μαγνητικές του ιδιότητες χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ενώ ένας προσωρινός μαγνήτης έχεις μαγνητικές ιδιότητες μόνο μέσα σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ο μαγνητισμός στο ατσάλι έχει ως αποτέλεσμα ένα μόνιμο μαγνήτη ενώ ο σίδηρος χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες μόλις αποσύρουμε το μαγνητικό πεδίο. Γι' αυτό το λόγο ένας προσωρινός μαγνήτης όπως ο σίδηρος είναι χρήσιμος για τη δημιουργία ηλεκτρομαγνήτη. Μαγνήτες δημιουργούνται με το τρίψιμο πάνω σε έναν άλλον μαγνήτη, με την κρούση του υλικού μέσα σε μαγνητικό πεδίο ή με την εισαγωγή τους μέσα σε σωληνοειδές στο οποίο παρέχουμε συνεχές ρεύμα. Ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να απομαγνητιστεί αν τον υποβάλλουμε σε θέρμανση ή κρούση ή με την εισαγωγή του σε σωληνοειδές στο οποίο παρέχουμε εναλλασσόμενο ρεύμα μειούμενης έντασης.

Μαγνητικά μεταλλικά υλικά

Πολλά υλικά έχουν ηλεκτρονιακά σπιν χωρίς το αντίθετο ζεύγος και η πλειονότητα αυτών των υλικών είναι παραμαγνητικά.  Όταν τα σπιν αλληλεπιδρούν με τέτοιο τρόπο ώστε να γυρίζουν με την ίδια φορά τα υλικά ονομάζονται σιδηρομαγνητικά (αυτό που συνήθως ονομάζουμε μαγνητικά).  Εξ αιτίας του τρόπου που η κανονική κρυσταλλική ατομική δομή τους προκαλεί τα σπιν τους να αλληλεπιδρούν, μερικά μέταλλα είναι (σιδηρο)μαγνητικά σε φυσική κατάσταση, ως μεταλλεύματα. Αυτά περιλαμβάνουν μεταλλεύματα σιδήρου, όπως ο μαγνητίτης, κοβαλτίου και νικελίου, όπως και οι σπάνιες γαίες γαδολίνιο και δυσπρόσιο (όταν βρίσκονται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία). Αυτά τα (σίδηρο)μαγνητικά υλικά που βρίσκονται στη φύση χρησιμοποιήθηκαν στα πρώτα πειράματα για τον μαγνητισμό. Από τότε η τεχνολογία επεκτάθηκε όσον αφορά τη διαθεσιμότητα των μαγνητικών υλικών και περιέλαβε διάφορα τεχνητά προϊόντα, με βάση, όμως, όλα φυσικά μαγνητικά υλικά.

Φερρίτης

Οι μαγνήτες φερρίτη κατασκευάζονται από ένα ιζηματογενές σύνθετο από οξείδιο του σιδήρου σε σκόνη και ανθρακικό βάριο/στρόντιο. Λόγω του χαμηλού κόστους των υλικών και των διαδικασιών παραγωγής, φθηνοί μαγνήτες (ή μη μαγνητισμένοι σιδηρομαγνητικοί πυρήνες, που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα όπως κεραίες για παράδειγμα) διαφόρων σχημάτων μπορούν εύκολα να παραχθούν μαζικά. Το αποτέλεσμα είναι μαγνήτες που δε διαβρώνονται, αλλά είναι εύθραυστοι και χρήζουν ίδιας προσοχής με τα άλλα κεραμικά υλικά.

Alnico

Μαγνήτες alnico κατασκευάζονται με ημίτηξη ή τήκοντας και σταθεροποιώντας ένα μείγμα  από αλουμίνιο, νικέλιο και κοβάλτιο με σίδηρο και μικρές ποσότητες από άλλα στοιχεία που προσθέτονται για να ενισχύσουν τις ιδιότητες του μαγνήτη. Αυτή η διαδικασία παρέχει υψηλής ποιότητας μηχανικά χαρακτηριστικά, ενώ η ημίτηξη έχει ως αποτέλεσμα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία και επιτρέπει στον σχεδιαστή τη δημιουργία διαφορετικών σχημάτων. Οι μαγνήτες alnico αντιστέκονται στη διάβρωση και έχουν φυσικές ιδιότητες που τους κάνουν πιο ανθεκτικούς απ' τον φερρίτη, αλλά όχι τόσο επιθυμητές όσο ένα μέταλλο.

Διαμορφωμένοι με εμψεκασμό

Οι μαγνήτες διαμορφωμένοι με εμψεκασμό είναι ένα σύνθετο από διάφορους τύπους από ρητίνη και μαγνητικές σκόνες, που επιτρέπουν μέρη από σύνθετα σχήματα να κατασκευάζονται με διαμόρφωση εμψεκασμού. Οι φυσικές και μαγνητικές ιδιότητες του προϊόντος εξαρτώνται απ' τις πρώτες ύλες, αλλά είναι γενικά μικρότερης μαγνητικής δύναμης και μοιάζουν στο πλαστικό όσον αφορά τις φυσικές τους ιδιότητες.

Εύκαμπτοι

Οι εύκαμπτοι μαγνήτες είναι παρόμοιοι με τους μαγνήτες διαμορφωμένους με εμψεκασμό, χρησιμοποιώντας εύκαμπτη ρητίνη ή συνδετικό υλικό όπως είναι το βινύλιο, και παράγονται σε επίπεδες λωρίδες ή φύλλα. Αυτοί οι μαγνήτες είναι χαμηλής μαγνητικής ικανότητας αλλά μπορούν να είναι πολύ εύκαμπτοι, ανάλογα με το συνδετικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε.

Μαγνήτες σπάνιων μεταλλικών γαιών

Οι 'μεταλλικές γαίες' (λανθανίδες) έχουν μερικώς κατειλημμένη την f ηλεκτρονική στιβάδα (η οποία μπορεί να έχει έως και 14 ηλεκτρόνια.) Το σπιν αυτών των ηλεκτρονίων μπορεί να ευθυγραμμιστεί σε φορά,έχοντας ως αποτέλεσμα πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία και γι' αυτό αυτά τα στοιχεία χρησιμοποιούνται σε μικρούς σε μέγεθος αλλά πολύ ισχυρούς μαγνήτες όπου το υψηλό τους κόστος δεν αποτελεί πρόβλημα για την αγορά τους.

Σαμάριου-κοβαλτίου

Οι μαγνήτες σαμαρίου-κοβαλτίου είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί στην οξείδωση, με υψηλή μαγνητική ικανότητα και μεγαλύτερη αντοχή στην θερμοκρασία από τους αντίστοιχους alnico μαγνήτες ή μαγνήτες κεραμικών υλικών. Ημιτετηγμένοι μαγνήτες σαμαρίου - κοβαλτίου είναι εύθραυστοι και επιρρεπείς σε ραγίσματα και σπασίματα και μπορεί να σπάσουν αν υποβληθούν σε απότομη μεταβολή της θερμοκρασίας.