Magnetism

Magnetism on füüsikaliste nähtuste kogum, mis avaldub kehade vastastikuses mõjus magnetvälja kaudu. Aineid, mis on võimelised reageerima neile mõjuvale magnetväljale, nimetatakse magneetikuteks. Püsimagnetitel on püsiv magnetväli, mida põhjustab ferromagnetism ja mis on ühtlasi ka tugevaim ja tuntuim magnetismi liik. Magnetväljad mõjutavad kõiki materjale, kuid mõju tugevus on erinev. Mõnda materjali tõmbab magnetväli ligi (paramagnetism), mõnda tõukab eemale (diamagnetism) ja teiste puhul on magnetvälja mõju seotud keerulisemate nähtustega (näiteks antiferromagnetism). Materjale, millele magnetväli avaldab tühist mõju, nimetatakse mittemagnetilisteks. Sellised on näiteks vask, alumiinium, gaasid ja plast. Puhtal hapnikul avalduvad magnetilised omadused siis, kui seda vedeldumiseni jahutada. Materjali magnetilist olekut (või faasi) mõjutavad temperatuur, rõhk, välise magnetvälja mõju ja muud tegurid, nii et ühel materjalil võib esineda mitu magnetilist olekut. Magnetismil on kaks allikat: Elektrivool ehk liikuvad elektrilaengud tekitavad magnetvälja (vaata Maxwelli võrrandeid). Materjali osakeste spinn-impulsimoment ehk sisemine pöörlemishulk (lihtsustatult "spinn") erineb nullist. Igal aine osakesel on looduses mass, laeng ja teatav spinn. Et teatud materjalidel on omadus mingis kindlas suunas orienteeruda, märgati juba sadu aastaid tagasi. Vanaaja inimesed teadsid, et kui magnetiidist kivikesi nööri otsa riputada ja lasta neil vabalt pöörelda, siis nad jäävad pidama põhja-lõuna suunale. Seda teadmist kasutasid ka iidsed meremehed. Magnetilistes materjalides on magneetumise põhjuseks elektronide tiirlemine ümber tuuma ja elektronide loomuomane magnetmoment. Teisteks allikateks on tuumade magnetmomendid, mis on tavaliselt tuhandeid kordi väiksemad elektronide magnetmomendist ja seega magneetumise seisukohast tühised. Tuumade magnetmomendid on olulised teistel puhkudel, näiteks magnetresonantstomograafia puhul. Tavaliselt on materjalis leiduvad elektronid paigutatud nii, et nende magnetmomendid üksteist tühistaksid. Osaliselt tuleneb see Pauli printsiibist, mille järgi vastupidiste magnetmomentidega elektronid moodustavad paarid või alamelektronkihi. Mõlemal juhul paigutuvad elektronid nii, et üksteise magnetmomente tühistada. Isegi kui elektronkonfiguratsiooni jäävad üksikud elektronid või tühjad orbitaalid, on kogu materjali peale hulk elektrone, mille magnetmomendid on orienteeritud eri suundades, nii et materjal on ikkagi mittemagnetiline. Mõnikord juhtub siiski, et kas spontaanselt või välise magnetvälja mõjul joonduvad elektronide magnetmomendid ja materjal võib omada isegi väga tugevat magnetvälja. Materjali käitumine magnetina sõltub materjali struktuurist, konkreetsest elektronkonfiguratsioonist ja temperatuurist: kõrge temperatuuri korral muudab juhuslik soojusliikumine elektronide joondumise keerulisemaks.  Pikemalt artiklis Diamagnetism Diamagnetism esineb kõigis materjalides. See on materjali omadus välisele magnetväljale vastu olla ja seetõttu sellest eemale tõukuda. Kuid paramagnetilises materjalis on paramagnetilised, magnetvälja võimendavad, omadused ülekaalus ja diamagnetilised omadused ei ole märgatavad. Diamagnetilises materjalis pole paardumata elektrone, mistõttu elektronid ei saa magnetvälja järgi orienteeruda ja seda võimendada.  Pikemalt artiklis Paramagnetism Materjalid, mille aatom või molekulaarorbitaalidel on paardumata elektrone on paramagnetilised. Paaris elektronid peavad Pauli printsiibi kohaselt orbitaalile paiknema vastassuunaliste spinnidega, mistõttu nad vastastikku oma magnetväljad nullivad. Üksikute elektronide magnetmoment võib olla orienteeritud vabalt valitud suunas. Kui sellisele ainele rakendada välist magnetvälja, orienteeruvad need välise väljaga samas suunas ja võimendavad sellega magnetvälja.  Pikemalt artiklis Ferromagnetism Ferromagnetilistel nagu ka paramagnetilistel materjalidel on paardumata elektrone. Kuid lisaks välise magnetvälja järgi orienteerumisele on nende elektronidel omadus ka üksteise järgi orienteeruda, et saavutada madalam energiatase. Seetõttu säilitavad elektronid orientatsiooni üksteise suhtes ka siis, kui väline magnetväli eemaldada. Igal ferromagnetikul on üks kindel temperatuur, Curie temperatuur või Curie punkt, millest kõrgemal temperatuuril kaotab aine oma ferromagnetilised omadused. See juhtub, kuna soojuse tekitatav korratus saavutab ülekaalu energiat alandavate ferromagnetiliste omaduste üle. Nikkel, raud, koobalt, gadoliinium ja nende sulamid on tuntud ferromagnetilised materjalid, millel on kergesti tuvastatavad magnetilised omadused.  Pikemalt artiklis Ferromagnetiline doomen Magnetmoment ferromagnetilise materjali aatomites paneb aatomid käituma sarnaselt pisikeste püsimagnetitega. Nad hoiavad kokku ja organiseeruvad väikesteks enam-vähem sama suunaga regioonideks, mida tuntakse magnetiliste doomenite ehk Weissi doomenitena. Magnetdoomeneid on võimalik vaadelda MFM-mikroskoobiga, mis näitab doomenitevahelisi piire. Mitmete teaduslike eksperimentidega on võimalik demonstreerida magnetväljade olemasolu. Kui doomen sisaldab liiga palju molekule, siis muutub see ebastabiilseks ja jaguneb kaheks vastassuunas orienteeritud doomeniks, mis püsivad palju stabiilsemalt koos. Sattudes magnetvälja mõju alla, doomenite piirid nihkuvad ja magneti järgi orienteerunud doomenid kasvavad suuremaks. Kui magnetväli eemaldada, siis ei pruugi doomenite endised piirid taastuda, mis toob kaasa materjali magneetumise: niimoodi tekivad püsimagnetid. Kui magnetvälja mõju on piisavalt tugev, nii et üks doomen neelab kõik teised, siis on materjal magnetiliselt küllastunud. Kui magneeditud ferromagneetikut kuumutada Curie punktini, siis molekulide ergastumise tõttu doomenite organiseeritus kaob ja magnetilised omadused kaovad. Kui materjal maha jahutatakse, siis doomenite organiseeritus taastub, umbes sama moodi nagu külmutatud vedelikult taastub tahkes olekus kristallstruktuur.  Pikemalt artiklis Antiferromagnetism Erinevalt ferromagneetikutest on antiferromagneetikute valentselektronide magnetmomendid naaberelektronide omadega võrreldes vastassuunalised. Kui kõik aine aatomid on naabriga võrreldes vastassuunaliselt orienteeritud, siis on aine summaarne magnetmoment null ja aine antiferromagnet. Antiferromagneetikud on haruldasemad, kui teistsuguste magnetiliste omadustega materjalid ja esinevad tavaliselt madalate temperatuuride juures. Kõrgemate temperatuuride puhul võivad antiferromagnetid näidata dia- ja ferrimagnetilisi omadusi.  Pikemalt artiklis Ferrimagnetism Nagu ferromagnetid säilitavad ferrimagnetid magneetumuse ka välise välja mõju puudumisel. Sarnaselt antiferromagnetitega osutavad nende naaberelektronpaaride magnetmomendid vastassuundades. Need kaks omadust ei välista teineteist, sest ideaalse geomeetrilise paigutuse korral on mingil kogumil ühes suunas orienteeritud elektronidel suurem mõju, kui vastassuunas orienteeritud kogumil. Enamik ferriite on ferrimagnetid. Esimene avastatud magnetiline aine, magnetiit on ferriit ja ferrimagneetik. Seda peeti algselt ferromagnetiks, kuid Louis Néel, ferrimagnetismi avastaja, lükkas selle ümber.  Pikemalt artiklis Superparamagnetism Kui ferromagnet või ferrimagnet on piisavalt väike, siis see käitub nagu üksik magnetspinn, mis käitub Browni osakesena. See reageerib magnetväljale põhimõtteliselt nagu paramagnet, kuid oluliselt suurema võimsusega.  Pikemalt artiklis Elektromagnet Elektromagnet on magnet, mille magnetvälja põhjustab elektrivool. Kui vool välja lülitada, kaob ka magnetväli. Vähem tuntud magnetismiliigid on molekulaarmagnetism, metamagnetism, spinn-klaas ja molekulipõhine magnet.  Pikemalt artiklis Magnetväli Magnetismi fenomeni vahendab magnetväli. Elektrivool või magnet-dipool tekitab magnetvälja ja väli avaldab selle mõjusfääri jäävatele objektidele magnetjõudu. Magnetism ilmneb alati, kui elektriliselt laetud osakesed liiguvad, näiteks elektrivooluna. Magnetvälja põhjustab ka elektronide kvantmehaaniline spinn. Magnetväljas liikuvatele osakestele mõjub Lorentzi jõud. Magneetikud ENE 6. köide, 1992, lk 107 Saveljev 1978, lk 89 Halliday 2012, lk 870 Halliday 2012, lk 874 Halliday 2012, lk 877 Halliday 2012, lk 878–879 L. Néel, Propriétées magnétiques des ferrites; Férrimagnétisme et antiferromagnétisme, Annales de Physique (Paris) 3, lk 137–198 (1948). Eesti nõukogude entsüklopeedia. 2. köide: CERA–FILL. Tallinn: Valgus, 1987, lk 523, märksõna "elektromagnet". Saveljev 1978, lk 101 Saveljev 1978, lk 114 David Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker Füüsika põhikursus. 2. köide Tartu, Eesti Füüsika Selts, 2012 ISBN 9789985907894. Igor Saveljev Füüsika üldkursus. 2, Elekter : õpik tehniliste kõrgkoolide üliõpilastele Tallinn, Valgus, 1978. Urmo Visk Magnetism (pdf) Tartu Ülikooli Teaduskooli õppematerjal gümnaasiumile.