מגנטיות

מגנטיות היא תופעה פיזיקלית לפיה עצם המפיק שדה מגנטי, כגון חומר פרומגנטי, מפעיל כוח דוחה או מושך על עצם אחר המפיק שדה מגנטי. חומרים שמראים תכונות מגנטיות בולטות הם ברזל, כמה מיני מתכות (ניקל וקובלט) והמינרל מגנטיט; אולם, כל חומר מושפע בצורה זו או אחרת מנוכחות שדה מגנטי, רק שברוב המקרים ההשפעה קטנה מכדי להבחין בה ללא ציוד מיוחד.
כוחות מגנטיים הם כוחות יסוד שעולים כתוצאה מתנועה של מטען חשמלי. משוואות מקסוול מסבירות את המקור וההתנהגות של השדות האחראים על הכוחות הללו (ראו גם חוק ביו-סבר) לכן, מגנטיות נראית בכל זמן שחלקיקים טעונים חשמלית נמצאים בתנועה. זה יכול להגרם או מתנועת אלקטרונים בזרם חשמלי, היוצרת אלקטרומגנטיות, או מהתנועה התת-אטומית של אלקטרונים, היוצרת מה שנקרא 'מגנט תמידי'.

מגנטים דו-קוטביים

בדרך כלל, מתייחסים לשדות מגנטיים כדו קוטביים (דיפולים מגנטיים), בעלי 'קוטב דרומי' ו'קוטב צפוני'; מונחים המתוארכים לשימוש במגנטים כמצפנים, היוצרים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להצביע על צפון ודרום על כדור הארץ.
שדה מגנטי מכיל אנרגיה, ומערכות פיזיקליות יתיצבו לתוך התצורה עם האנרגיה הנמוכה ביותר. לכן, כשמונח בשדה מגנטי, מגנט דו-קוטבי יטה לישר את עצמו בקוטביות מנוגדת לזו של השדה, ובכך מבטל את נטו חוזק השדה ככל האפשר ומוריד את האנרגיה המאוחסנת בשדה למינימום. לדוגמה, שני מוטות מגנט זהים בדרך כלל יתישרו צפון לדרום הגורמים לאי נטו שדה מגנטי, ויהיו עמידים בפני כל ניסיון לשנות את כיוונם שיצביעו לאותו כיוון. האנרגיה הדרושה לשינוי הכיוון בתצורה הזו נשמרת בשדה המגנטי שנוצר, שהוא כפול החוזק של השדה של כל מגנט. (זו הסיבה שבגללה המגנט המשומש כמצפן יקיים יחסי גומלין על השדה המגנטי של כדור הארץ להצבעה על צפון ודרום).

מגנטים חד-קוטביים

בפיזיקה קלאסית (או ליתר דיוק משוואת מקסוואל הרביעית) לא קיימים מגנטים חד-קוטביים. בניגוד לחוויה הרגילה, פיזיקה תאורטית חוזה את הקיום של מגנטים חד-קוטביים. פול דיראק ציין ב-1931 את העובדה שהתאוריה החשמלית והתאוריה המגנטית מראות סימטריה מסוימת, על כן כמו שתורת הקוונטים חוזה שמטענים חשמליים חיוביים או שליליים יחידים יכולים להתקיים ללא המטען הנגדי, קטבים מגנטיים צפונים ודרומיים מבודדים אמורים להיות אפשריים. בפועל, לעומת זאת, על אף שניתן בקלות לבודד פרוטונים ואלקטרונים למטענים אלקטרוניים יחידים, מוצאים רק שדות מגנטיים דו-קוטביים, בעלי קוטב דרומי וצפוני. שאלה זו נותרה אחת השאלות הישנות והקשות ביותר בפיזיקה.

השפעה על זרמים

חוץ מההשפעה על מגנטים אחרים, למגנטים יש גם השפעה על זרמים שעוברים לידם, ובכיוון ההפוך - זרמים יוצרים שדה מגנטי. ההשפעה של שדה מגנטי על מטען נע היא מסובכת מעט, ומתוארת על ידי חוק ביו-סבר. התכונה העיקרית של הכח המגנטי היא שהוא פועל בניצב למהירות החלקיק. זרם הוא, בתכלית, אוסף מטענים נעים - ולכן שדה מגנטי משפיע גם על זרם, ופועל גם עליו בניצב לכיוונו. מכיוון שכל מגנט יוצר שדה מגנטי, אם נשים מגנט ליד חומר שזורם בו זרם, נוכל לראות את השפעת המגנט על החומר. כך למשל בנורת ליבון, בה זורם זרם שמגיע מרשת החשמל, וכן בטלוויזיות המשתמשות בטכניקה של שפופרת קרן קתודית (טלוויזיות ה"קופסה" הישנות). במקרה של נורת ליבון, הזרם משנה את כיוונו בתדירות גבוהה - 50 או 60 הרץ, כתלות במערכת חשמל, ולכן גם הכח מתהפך - ומתקבלות רטיטות של התיל בנורה, שמופעל עליו כח בכיוון משתנה. במקרה של הטלוויזיה, אלקטרונים "נזרקים" מהצד האחורי שלה לכיוון הצד של המסך. הצמדת מגנט תגרום לשינוי מסלול האלקטרון בניצב לכיוונו, כלומר על אחד הצירים למעלה-למטה או ימינה-שמאלה (אבל לא קדימה-אחורה, כי זה הכיוון בו הוא נע מראש) ולכן להסטת התמונה.

אלקטרומגנטים

אלקטרומגנטים הם שימושיים מאוד במקרים שבהם צריך מגנט שניתן לכבות ולהדליק; לדוגמה, מנופים גדולים המשמשים להרמת מכוניות הרוסות.
במקרה של זרם חשמלי העובר דרך חוט, השדה הנוצר מופנה בהתאמה לכלל יד ימין. אם משתמשים ביד ימין כמודל, והאגודל של יד ימין מופנה לאורך החוט מהצד החיובי לשלילי ('זרם קונבנציונלי', ההפך מהכיוון של תנועת אלקטרונים), השדה המגנטי יתעטף מסביב לחוט בכיוון המצוין על ידי האצבעות של יד ימין. כפי שניתן לראות גאומטרית, אם עושים לולאה לולאה או סליל של חוט בצורה כזאת שהזרם עובר בצורה סיבובית, כל קווי השדה במרכז הלולאה מופנים לאותו כיוון, ובכך נוצרת מגנטיות דו-קוטבית שכוחה תלוי בזרם שמסבב ללולאה, או הזרם בסליל כפול מספר הסיבובים של החוט. במקרה של לולאה כזאת, אם האצבעות ביד ימין מצביעות בכיוון של הזרם הקונבנציונלי, האגודל תצביע לכיוון של הקוטב הצפוני.

יסודות מתכתיים מגנטיים

בשל סיחרורי האלקטרונים מחוסרי הזוגות, כמה מתכות הן מגנטיות כשנמצאות בצורתן הטבעית, כמחצבים. אלה כוללים עפרת ברזל (מגנטיט), קובלט, וניקל. מגנטיים הנוצרים בצורה טבעית כגון אלה שימשו בניסויים הראשונים במגנטיות. טכנולוגיה הרחיבה את נגישותם של חומרים מגנטיים למוצרים שונים ידי אדם, אף על פי כן, כולם מבוססים על יסודות מגנטים טבעיים.

קרמי או פריטי

מגנטים קרמיים, או פריטיים, נוצרים מתרכובת מדובקת של אבקת תחמוצת ברזל וקרמיקה פחמתית בריומית/סטרונטיומית. בשל עלות החומרים הנמוכה ושיטות הייצור, ניתן לייצר בייצור המוני מגנטים זולים (או ליבות פרומגנטיות לא מגנטיות, לשימוש ברכיבים אלקטרוניים כמו אנטנות רדיו, לדוגמה) בעיצובים שונים. המגנטים הנוצרים לא מחלידים, אבל שבריריים וצריך לטפל בהם כקרמיקות אחרות.

אלניקו

מגנטי אלניקו מיוצרים על ידי יציקת או דיבקוק תערובת של אלומיניום, ניקל, וקובלט יחד עם כמויות קטנות של יסודות אחרים שמחזקים את תכונות המגנט. דיבקוק מציע מאפיינים מכניים עליונים, בעוד שיציקה משחררת שדות מגנטיים גבוהים יותר ומאפשרת עיצוב של צורות מסובכות. מגנטי אלניקו עמידים בפני חלודה ובעלי תכונות פיזיות סלחניות יותר מאשר פרית, אבל לא רצויים כמו מתכת.

מעוצבים בהזרקה

מגנטים המעוצבים בהזרקה הם תרכובת מסוגים שונים של שרף ואבקות מגנטיות, ובכך מתאפשר ייצור של חלקי צורות מסובכות על ידי עיצוב בהזרקה. התכונות הפיזיקליות והמגנטיות של המוצר תלויים בחומרי הגלם, אבל בדרך כלל חלשים בחוזקם המגנטי ומזכירים פלסטיק בתכונותיהם הפיזיקליות.

גמישים

מגנטים גמישים דומים למגנטים מעוצבים בהזרקה. הם בנויים משרף גמיש או מקשר כגון ויניל, ומיוצרים כרצועות או דפים שטוחים. המגנטים הללו חלשים בחוזקם המגנטי אבל יכולים להיות מאוד גמישים, כתלות במקשר המשומש.
מגנטים מהסוג הזה משמשים בין היתר כמצע לדפוס - למשל תמונות על גבי מגנט, או פרסומות.

מגנטי מתכות נדירות

ליסודות נדירים יש f קליפת אלקטרונים, מלאה ב-14 אלקטרונים. ניתן לישר את סחרור האלקטרונים האלו, שיוצר שדות מגנטיים חזקים מאוד, כתוצאה מזה משתמשים ביסודות אלה למגנטים דחוסים בעלי חוזק מגנטי גבוה שבהם המחיר הגבוה אינו בעיה.

קובלט סמריומי

מגנטי קובלט סמריומי (Sammarium Cobalt) עמידים מאוד בפני חימצון, עם חוזק מגנטי ועמידות בפני טמפרטורות גבוהות יותר מאלניקו או חומרים קרמיים. מגנטי קובלט סמריומי מדובקק שבריריים מאוד נוטים להסדק ולהתרסק ועלולים להשבר כשנחשפים לשוק תרמי.

בור ברזלי נאודיריומי

למגנטי בור ברזלי נאודיריומי (Neodymium Iron Boron - NdFeB) חוזק השדה המגנטי הוא הגבוה ביותר, אבל נחותים מקובלט סמריומי בעמידות בפני חימצון וטמפרטורה. סוג המגנט הזה הוא יקר, הן בשל מחיר חומרי הגלם והן בשל התר השימוש בפטנטים שבהם משתמשים. מחיר גבוה זה מגביל את שימושם למקרים בהם הצורך בחוזקים גבוהים כאלו ממגנטים דחוסים הוא קריטי. שימוש בציפויי מגן כגון זהב, ניקל, אבץ, שרף אפוקסי, ולוחיות פח יכולים לתת הגנה בפני חלודה וטמפרטורות.