Magnetizam
| Elektromagnetizam |
|---|
 |
Magnetizam je pojava privlačenja ili odbijanja gvozdenih predmeta. Za magnetizam je vezano postojanje dve vrste polova. Istovrsni polovi se odbijaju, a različiti se privlače. Magnetni polovi su neraskidivi, odnosno ne može jedno telo biti samo jednog pola a drugog da nema. Uobičajeno je da se polovi zovu severni i južni, iz istorijskih razloga. Fizički je nemoguće imati jednopol, magnet sa jednim polom. Zato se magnet zove dipol, jer ima oba pola. Magnete možemo podeliti na: prirodne (npr. magnetit, Fe3O4) i veštačke.
Magnetizam je jedan oblik pojavljivanja dualne, elektromagnetske sile, prema Maksvelovim jednačinama. Dualnost se ogleda u činjenici da električna struja (kretanje elektriciteta) izaziva (indukuje) magnetsko polje, a da promena magnetskog polja izaziva električno polje (i kretanje slobodnih nosilaca elektriciteta, električnu struju).
Magnetsko polje je posrednik uzajamnog delovanja magnetskim silama.
Veličina koja karakteriše magnetsko polje u nekoj njegovoj tački je vektorska veličina sa smerom i pravcem kao i intenzitetom. S obzirom da se vizuelizacija magnetskog polja ostvaruje crtanjem linija sila magnetskog polja to se jačina polja dočarava gustinom linija. Jedinica fluksa (količine linija sila polja) je veber (Wb), ali je to nepraktična veličina jer nije značajan fluks za intenzitet magnetskih sila već gustina linija koja se naziva indukcija magnetskog polja i njena jedinica je tesla (T).
Istorija[uredi | uredi izvor]
Magnetizam je prvi put otkriven u antičkom svetu, kad je zapaženo da magnetne rude, koje su prirodno magnetizovani komadi minerala magnetita, mogu da privlače gvožđe.[1] Reč magnet potiče od grčkog termina μαγνῆτις λίθος magnētis lithos,[2] „magnetni kamen”,[3] „magnetna ruda”. U antičkoj Grčkoj, Aristotel je pripisao prvu diskusiju o magnetizmu koja se može smatrati naučnim filozofu Talesu sa Mileta, koji je živeo u periodu od oko 625 pne do oko 545 pne.[4] Antički indijski medicinski tekst sa naslovom Sušruta Samhita opisuje upotrebu magnetita za uklanjanje strele ubodene u telo čoveka.[5]
Magnetizam u drevnoj Kini[uredi | uredi izvor]
Za razliku od papira, magnetni kompas je bio naprava bez koje je kineska civilizacija mogla živeti isto kao i s njom, ali ovaj slučaj upravo pokazuje veze između nauke i tehnologije u drevnoj Kini. Tajnovita svojstva magnetnog kamena (prirodni magnetizam minerala magnetita) bila su poznata do 300. p. n. e. i prvobitno su korišćena kao sredstvo proricanja. Do 100. p. n. e. je postalo poznato da se magnetna igla usmerava duž pravca sever-jug i to je svojstvo korišćeno u geomantiji ili umeću feng šui, pravilnom postavljanju kuća, hramova, grobnica, puteva i drugih građevina. Kasnije se pojavila razrađena naturalistička teorija koja je objašnjavala kretanje magnetne igle kao odziv na strujanje energije kroz i oko Zemlje, što je primer koji pokazuje da tehnologija ponekad podstiče pretpostavke o prirodi, a ne samo obratno, kako se danas uobičajeno misli.
U Kini su kasnije magneti proizvođeni na različite načine: trljanjem željeza magnetitom ili magnetizovanim željezom, kovanjem zagrejane željezne trake postavljene u smeru sjever-jug, te naglim uranjanjem zagrejane željezne šipke, postavljene u smeru sjever-jug, u vodu. Prvi pouzdani prikaz primitivnog, ali uporabivog kompasa ili sinana, nalazi se u knjizi iz 83. godine, dok ostali izvori sežu možda i do 4. veka p. n. e. Komad magnetita bi se izdubio u obliku zaimače (kutlače za uzimanje i prenošenje supe), koja bi se postavila na kamenu ploču ravne, uglačane površine, a drška bi se potom usmerila prema jugu. Izvori navode da je osim u geomantiji korišten i za orijentaciju tokom putovanja.
Magnetizam u srednjem veku[uredi | uredi izvor]
U 13. veku utvrđeno je da i željezo postaje magnetično ako se preko njega prelazi drugim magnetom. Tako nastaju veštački magneti. Magneti mogu biti različitih oblika. Najčešće su u obliku igle, štapića i potkovice. Petrus Peregrinus prvi je u Evropi (1269) detaljnije opisao navigaciju pomoću magnetne igle. Vilijam Gilbert (1600) otkrio je magnetizam Zemlje, a Šarl-Ogisten de Kulon postavio je 1785. zakon o privlačenju i odbijanju magnetnih polova. Do početka 19. veka smatralo se da električne i magnetske pojave nisu povezane. Epohalno je otkriće danskog fizičara Hansa Kristijana Ersteda, koji je (1820) utvrdio da električna struja deluje na magnetnu iglu. Pet godina kasnije Andre-Mari Amper otkrio je zakon o silama među provodnicima kroz koje teče električna struja. Tada je konstruisan i prvi elektromagnet. Oko 1830. Majkl Faradej, Džozef Henri i Hajnrih Lenc otkrili su elektromagnetsku indukciju i njezine zakonitosti, a Džejms Klerk Maksvel je 1873. sjedinio Erstedove i Faradejeve spoznaje u zaokruženu celinu električnih i magnetskih pojava.
Svojstva[uredi | uredi izvor]
Osim prirodnih magneta, postoje i veštački magneti, koji se dele na stalne magnete i elektromagnete. Stalni magneti izrađuju se od posebnih željeznih legura (tzv. tvrdih feromagnetskih materijala) i trajno zadržavaju magnetna svojstva. Uz stalne magnete postoje i elektromagneti (zavojnice s jezgrom od mekog željeza), koji su magneti samo dok kroz njihovu zavojnicu teče električna struja.
Ako se magnet u obliku tankog štapa obesi tako da se može slobodno vrteti u horizontalnoj ravni, magnetski štap će se okrenuti tako da jednim krajem pokazuje približno prema severu. Taj kraj se naziva severnim polom magnetskog štapa i označava se slovom N (eng. north). Drugi je kraj okrenut prema jugu pa se označava slovom S (eng. south). Približi li se severni pol jednog magneta severnom polu slobodno obešene magnetne igle, oni će se međusobno udaljavati. Slično se događa i za južne polove. Naprotiv, severni pol magneta privlači južni pol magnetske igle i obrnuto. Posledica međudelovanja magneta je magnetska sila koja može biti odbojna i privlačna. U blizini polova magneta magnetske sile su najjače. Peregrinusovim eksperimentom se može zaključiti da se magnet sastoji od velikog broja malih, elementarnih magneta koji čine nizove, a na krajevima imaju slobodne polove N i S.
Dijamagnetizam[uredi | uredi izvor]
Dijamagnetizam je svojstvo mnogih hemijskih elemenata (npr. zlata, srebra, cinka, silicijuma, fosfora, vodonika, plemenitih gasova) i većine organskih jedinjenja, koje obeležava slaba magnetska permeabilnost. To su dijamagnetici, njihova je relativna magnetna permeabilnost manja od 1 i gotovo ne zavisi od temperature. Kod tih se materija spoljašnje magnetno polje neutralizuje poljem koje stvara kružno kretanje elektrona, takozvana Larmorova precesija (Džozef Larmor), pa je zbog toga gustina magnetskog toka zapravo manja od gustine toka u spoljašnjem magnetskom polju. Anomalni dijamagnetici, na primer grafit i bizmut, imaju većinu svojstava dijamagnetnih materija, ali im je magnetna permeabilnost 10 do 100 puta veća od permeabilnosti ostalih dijamagnetika i na niskim temperaturama zavisi od temperature. Kod svih dijamagnetičnih materija magnetno polje prolazi gotovo nedeformirano (strogo uzevši samo za magnetsku permeabilnost 1), pa se te materije u makroskopskim uslovima očituju kao „nemagnetne” (ne privlači ih magnet). Dijamagnetska svojstva pokazuju i materije kod kojih se javlja superprovodnost.
Paramagnetizam[uredi | uredi izvor]
Paramagnetizam je svojstvo mnogih materija, hemijskih elemenata (na primer aluminijuma i kiseonika) i hemijskih jedinjenja, koje obeležava relativna magnetska permeabilnost nešto veća od 1. To je u prirodi najčešći oblik magnetizma. Paramagnetične materije u magnetskom polju dobijaju slab dodatni indukovani magnetizam istog smera kao i polje, koji nastaje delimičnim usmeravanjem atomskih magnetnih momenata i veći je na nižoj temperaturi. U paramagnetskom stanju magnetski momenti atoma slabo međusobno deluju i nisu kolektivno uređeni. I te materije ne pokazuju makroskopsku „magnetičnost”, ali se, na primer, kuglica od aluminijuma pri padu kroz jako polje potkovastog magneta usporava. Kod njih se zbog toplotnog kretanja atoma ili jona stalno menjaju smerovi rezultantnih magnetnih momenata tako da je ukupni magnetni moment jednak nuli iako su im rezultantni magnetni momenti različiti od nule.
Feromagnetizam[uredi | uredi izvor]
Feromagnetizam je svojstvo karakteristično za željezo, nikal, kobalt i gadolinijum, za njihove međusobne legure i neka jedinjenja s drugim elementima, a samo za mali broj materija u kojima se ta četiri elementa ne pojavljuju. Feromagnetične materije imaju izrazitu relativnu magnetsku permeabilnost, znatno veću od 1 (od 1000 do 10 000). Feromagnetizam nastaje kao posledica jakih međudelovanja (interakcija) magnetnih momenata atoma, zbog čega nastaje kolektivno magnetno uređenje, takozvana spontana magnetizacija, koja se s porastom temperature smanjuje. Zbog toga feromagnetične materije pokazuju jaku „magnetičnost”, u spoljašnjem magnetnom polju postaju indukovani magneti koje zatim to polje privlači. To indukovano polje mogu zadržati neko vreme, pa i stalno.
Posebno je važna Kirijeva tačka, tj. granična temperatura iznad koje te materije gube feromagnetična svojstva i postaju paramagnetici (za željezo 758 °C, nikal 360 °C, kobalt 1075 °C, gadolinijum 16 °C). Hlađenjem na temperaturu nižu od Kirijeve ponovno nastaje feromagnetno stanje. Feromagnetične materije imaju više ili manje izražen takozvani remanentni magnetizam ili zaostali magnetizam: ako se dovedu u magnetno polje i zatim delovanje polja ukloni, njihova magnetizacija ne iščezne potpuno (histerezis). Tako se od materije sa velikim remanentnim magnetizmom dobivaju jaki stalni ili permanentni magneti. Posebnu grupu feromagnetičnih materijala čine materije poznate pod nazivom ferit.
Antiferomagnetici (npr. mangan oksid, mangan sulfid, gvožđe sulfid) su materije kojima magnetna permeabilnost na kritičnoj temperaturi (slično Kirijevoj tački) prolazi kroz maksimum. Te su materije po ostalim magnetnim svojstvima vrlo slične feromagneticima, odnosno iznad takozvane antiferomagnetske Kirijeve tačke paramagneticima.
Ferimagnetizam[uredi | uredi izvor]
Ferimagnetizam je pojava kod koje se magnetni momenti susednih atoma ili jona u ograničenim područjima kristala (domena), koja su feromagnetska, međusobno poništavaju, slično nizu permanentnih magneta suprotnih orijentacija. Takve materije, ponajviše feriti, odlikuju se velikom električnom otpornošću koja je uzrokovana prelascima elektrona na granicama domena, a na temperaturama višima od Kirijeve, kao i feromagnetične, prelaze u paramagnetične materije.
Metamagnetizam[uredi | uredi izvor]
Metamagnetici pokazuju jaku anizotropiju magnetnih svojstava; u smeru su jedne kristalne ose paramagnetici, a u smeru druge feromagnetici. Takvih je materija vrlo malo, na primer kobalt, željezo i kalcijum hlorid.
Elektromagnetizam[uredi | uredi izvor]
Elektromagnetizam je pojava magnetnoga polja izazvana promenama električnog polja, odnosno tokom električne struje. Tu je pojavu prvi uočio Majkl Faradej, a teoretski razjasnio Džejms Klerk Maksvel. Električno i magnetno polje usko su povezani i svaka promena jednog od polja izaziva promenu drugog, pa se shvataju kao jedinstveno elektromagnetno polje (elektrodinamika). Ta su dva polja u svakoj tački prostora međusobno normalna. Prema Bio—Savarovom zakonu svi delići (dužine ds) nekog električnog provodnika kojim teče električna struja (i) stvaraju u tački na udaljenosti (r) magnetno polje jačine (H), koje je određeno jednačinom:
gde je c brzina prostiranja magnetnog polja, to jest brzina svetlosti. Pomoću te jednakosti može se izračunati jačina magnetnog polja u svakoj tački prostora bilo kako oblikovanog provodnika struje (elektrodinamičko delovanje).
Zemljin magnetizam[uredi | uredi izvor]
Naša planeta poseduje slabo magnetsko polje ali dovoljno da može da se koristi za navigaciju. Magnetni polovi Zemlje su bliski geografskim polovima i stoga su pouzdani za grubu navigaciju, a vekovima su predstavljali glavni način za snalaženje moreplovaca. U ove svrhe se koristi kompas. Severni kraj magnetne igle kompasa okreće se u pravcu severnog geomagnetskog pola. U okolini polova je pravac pokazivanja magnetske igle nepouzdan.
Zemljin magnetizam nije konstantan. Postoji više teorija o njegovom nastanku, ali je sigurno da je fizički uzrok postojanje kružnog kretanja velike količine naelektrisanja u jezgru Zemlje. Postoje dokazi da se u istoriji dešavalo da magnetsko polje Zemlje potpuno nestane i da promeni smer. Razlog ovakvog ponašanja ostaje veoma tajanstven. Magnetski pol Zemlje je lokacija na površini gde su linije polja normalne na površinu Zemlje. Danas se može primetiti proces prividnog kretanja zemljinih magnetskih polova koje iznosi i po nekoliko kilometara godišnje. Godine 2003. je položaj severnog magnetnog pola bio 78°18' N, 104° W među ostrvima Kraljice Elizabete, Kanada, a brzina kretanja je između 9 i 40 km/god u pravcu severozapada (iz Kanade prema Sibiru).
Značaj postojanja Zemljinog magnetskog polja je ključan za sav živi svet. Jačina magnetskog polja je dovoljna da u visokim slojevima, duboko u svemiru, skrene naelektrisane čestice visoke energije (Sunčev vetar) da ne ulaze u zemljinu atmosferu i ne izazivaju destruktivne posledice po ćelije i organizme.
Kretanje naelektrisanih čestica iz sunčevog vetra koje se kreću duž linija magnetskog polja i u blizini polova ulaze u atmosferu izazivaju električna pražnjenja u visokim slojevima koja se zovu "polarna svetlost" i vide se kao svetleće zavese, igrajuća svetlost, svetlucanje neba veoma vidljiv tokom polarnih noći.
Magnetno hlađenje[uredi | uredi izvor]
Magnetno hlađenje je tehnologija koja se upotrebljava u oblasti istraživanja niskih temperatura (oko apsolutne nule). Supstanca koja se hladi magnetnom metodom mora biti paramagnetna. Kada se paramagnetik unese u magnetsko polje dolazi od orijentacije spinova čime se praktično smanjuje njihova pokretljivost. Kada se polje ukloni, zbog toplotnog kretanja, spinovi će opet postati haotično usmereni u svim pravcima. Ako je sistem izolovan, adijabatski, tada je jedini izvor energije za povećanje pokretljivosti nakon uklanjanja polja njegova sopstvena toplotna energija. I pošto nova sloboda za kretanje oduzima deo energije sistemu doći će do pada temperature. Dakle, ceo proces se odvija u dva koraka. U prvom, izotermskom, spinovi se orijentišu i ceo sistem spoljašnjim hlađenjem u prisustvu spoljašnjeg magnetskog polja dovede na najnižu moguću temperaturu. Onda se sistem izoluje i uklanjanjem spoljašnjeg polja dolazi do dodatnog hlađenja. Proces se zove hlađenje adijabatskim razmagnetisavanjem. Ideju o magnetnom hlađenju je prvi publikovao kanadski fizičar Vilijam Džiok 17. decembra 1926. godine, a eksperimentalno je dokazao 12. aprila 1933. na Univerzitetu Kalifornije. Ovim metodom je postigao temperaturu 0,53 K, a kasnijim usavršavanjem i temperature od 0,34 K i 0,25 K.
Adijabatskim razmagnetisavanjem nuklearnih spinova finski istraživači su 1999. postigli u metalnom rodijumu temperaturu od 100 pK piko kelvina ili 0,0000000001 K.
Vidi još[uredi | uredi izvor]
Reference[uredi | uredi izvor]
- ^ Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetism: Fundamentals. Springer. str. 3—6. ISBN 978-0-387-22967-6.
- ^ Platonis Opera, Meyer and Zeller, 1839, p. 989.
- ^ The location of Magnesia is debated; it could be the region in mainland Greece or Magnesia ad Sipylum. See, for example, „Magnet”. Language Hat blog. 28. 05. 2005. Pristupljeno 22. 03. 2013.
- ^ Fowler, Michael (1997). „Historical Beginnings of Theories of Electricity and Magnetism”. Pristupljeno 2. 04. 2008.
- ^ Kumar Goyal, Rajendra (2017). Nanomaterials and Nanocomposites: Synthesis, Properties, Characterization Techniques, and Applications. CRC Press. str. 171. ISBN 9781498761673.
Literatura[uredi | uredi izvor]
- Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetism: Fundamentals. Springer. str. 3—6. ISBN 978-0-387-22967-6.
- Cheng, David K. (1992). Field and Wave Electromagnetics. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
- Furlani, Edward P. (2001). Permanent Magnet and Electromechanical Devices: Materials, Analysis and Applications. Academic Press. ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC 162129430.
- Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (3rd ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.
- Kronmüller, Helmut (2007). Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, 5 Volume Set. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7. OCLC 124165851.
- Purcell, Edward M. (2012). Electricity and magnetism (3rd izd.). Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 9781-10701-4022.
- Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics (5th ed.). W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0. OCLC 51095685.
