Magneţii şi caracteristicile lor fascinante

Bazele magnetismului sunt destul de bine înţelese, iar magneţii fac parte din viaţa noastră de secole. Cu toate acestea, magneţii continuă să ne surprindă şi să ne încânte.

Magneţii sunt componenta de bază a unităților hard disk utilizate în aproape fiecare laptop sau computer de birou. Anterior, ei au fost binecunoscuţi pentru utilizarea lor în construcţia difuzoarelor sau casetofoanelor.

Înainte de apariția ecranelor LCD plate, televizoarele și monitoarele conţineau unii dintre cei mai puternici magneți din locuințele noastre.

Iată în continuare câteva caracteristici fascinante ale magneţilor.

1. Magneții sunt de 4 tipuri

Feromagneţii, care includ elemente chimice precum fierul și nichelul, sunt formaţi din atomi cu electroni nepereche al căror spin este aliniat. Aceştia sunt magneți permanenți de calitate.

În cazul ferimagneţilor (ferite), care sunt un alt tip de magnet, spinul electronilor este parţial aliniat.

Majoritatea elementelor chimice sunt considerate paramagnetice, ceea ce înseamnă că sunt magnetizate numai în interiorul unui alt câmp magnetic. Paramagneţii au, de asemenea, electroni nepereche.

Materialele diamagnetice se utilizează în special pentru levitaţia magnetică a obiectelor. Aceste materiale sunt magnetizate atunci când se află într-un câmp magnetic şi generează un câmp magnetic opus celui în care sunt amplasate. Trenurile Maglev funcționează pe acest principiu.

Tren cu levitaţie magnetică (Maglev). Credit: Hung Chung Chih Shutterstock.com

2. Atragerea/respingerea magneţilor este o consecinţă a schimbului de fotoni virtuali

De ce se atrag sau se resping magneții între ei?

Magneții se atrag sau se resping între ei deoarece fac schimb de fotoni. Fotonul este particula elementară responsabilă pentru toate fenomenele electromagnetice.

Cu toate acestea, spre deosebire de fotonii emişi de o lampă de birou sau de cei care se reflectă de tot ceea ce vedem în jurul nostru, acești fotoni sunt virtuali, iar ochii sau orice alt detector de particule nu-i pot ”vedea”.

Interacţiunea cu aceşti fotoni virtuali, care îşi transferă impulsul şi momentul cinetic, provoacă atragerea/respingerea obiectelor magnetizate.

Fotonii sunt purtătorii de forță nu numai pentru magneți, ci și pentru fenomenele electrostatice precum electricitatea statică. Din acest motiv electromagnetismul este termenul folosit pentru a descrie efectele produse de aceste fenomene, inclusiv lumina, care este o undă electromagnetică.

3. Cei mai puternici magneți din lume

Cei mai puternici magneți se află la Los Alamos National Laboratory din New Mexico și la Florida State University (FSU). Cele două laboratoare de cercetare din SUA au magneți care au fost concepuţi pentru efectuarea unor experimente şi a căror inducţie magnetică poate atinge 100 T (tesla) şi respectiv 45 T.

Prin comparație, inducţia magneților folosiți în construcția dispozitivelor magnetice de ridicat sarcini este de aproximativ 2 T.

Magnetul din Los Alamos a fost proiectat pentru a genera câmpuri magnetice care durează doar câteva secunde.

Un efect interesant se produce în cazul magnetului FSU atunci când în apropierea acestuia se află materiale diamagnetice, cum ar fi un recipient din aluminiu. Materialele diamagnetice creează câmpuri magnetice având o orientare opusă față de cel al magnetului FSU, astfel încât deplasarea oricărui obiect realizat dintr-un astfel de material este mult îngreunată.

„Este ca și cum am încerca să mișcăm acel obiect prin melasă”, a declarat Ross McDonald, un cercetător din cadrul Los Alamos National Laboratory.

Magnetul din cadrul FSU. Credit: National High Magnetic Field Laboratory, FSU

4. Magneții au dovedit că mecanica cuantică este corectă

Descoperirea uneia dintre proprietățile cuantice fundamentale ale particulelor elementare, spinul, a implicat utilizarea magneților. Este vorba despre experimentul Stern-Gerlach, după numele fizicienilor Otto Stern și Walter Gerlach.

Experimentul Stern-Gerlach a fost realizat în anul 1922 pentru a testa unele predicţii ale mecanicii cuantice. Cei doi fizicieni au folosit doi magneți, aflaţi unul deasupra celuilalt, pentru a produce un câmp magnetic asimetric prin care au trimis particule neutre din punct de vedere electric, atomi de argint.

Un câmp magnetic asimetric modifică ușor traiectoria atomilor de argint. Deoarece atomii se vor orienta în direcții aleatorii, iar momentul cinetic al acestora va fi, de asemenea, aleatoriu, traiectoria atomilor trebuia să fie diferită de la un atom la altul, dar nu se știa cât de mult.

Experimentatorii au constatat că fasciculul de atomi s-a împărțit în două direcții, particulele neavând posibilitatea să se deplaseze într-o altă direcţie. Stern și Gerlach au demonstrat astfel că spinul particulelor este cuantificat, putând fi orientat doar în sus sau în jos.

5. Nu toţi magneţii sunt din fier sau dintr-un metal

Deşi majoritatea magneţilor sunt din fier (cum ar fi cei de frigider), magneții pot fi confecționați din orice material cu electroni nepereche. Printre aceste materiale se numără multe metale și aliaje, cum ar fi neodim, care este utilizat în unitățile hard-disk.

Chiar şi materialele ferimagnetice (ferite) nu sunt adeseori metale. Unele dintre acestea sunt utilizate în magneții care etanșează ușa frigiderului.

6. Medicina magnetică

Nu există dovezi că magneții pot fi utilizaţi pentru ameliorarea durerii.

Chiar dacă în sânge există fier, acesta este format din atomi care sunt prea departe și prea dispersaţi pentru ca magneții să îi influenţeze.

În schimb, magneții sunt folosiți în construcţia echipamentelor pentru imagistica cu rezonanță magnetică (IRM), care folosesc magneți mai puternici decât cei din echipamentele magnetice pentru ridicat. În majoritatea cazurilor, magneții IRM sunt supraconductori și răciți cu heliu lichid.

Imagistica prin rezonanță magnetică. Credit: Shutterstock.com

7. Un fenomen cunoscut de multă vreme, dar totuşi neînţeles

Grecii și chinezii antici au descoperit magneţii naturali sub formă de magnetită, o formă de oxid de fier care se formează atunci când magma se răcește lent. Aceşti magneţi naturali atrag alte metale asemănătoare fierului și chiar pot magnetiza fierul obișnuit.

Atunci când primele piese metalice magnetizate au fost atârnate de o sfoară sau lăsate să plutească în apă, acestea s-au aliniat cu câmpul magnetic al Pământului şi au devenit primele busole magnetice.

8. Magnetorecepţia

Unele animale și bacterii au magnetită în corpul lor. Un tip de moluscă, denumit chiton, are magnetită în ”dinți”, care îi acoperă limba. Magnetita este abrazivă și-i permite moluştei să strivească algele. De asemenea, magnetita le ajută pe aceste moluşte să găsească drumul către anumite locuri unde le place să se împerecheze și să se hrănească.

Studiile efectuate asupra porumbeilor voiajori par să arate că aceştia au un simț magnetic care îi ajută să se orienteze pe distanţe lungi.

Mai mult, oamenii de ştiinţă au descoperit că creierul uman poate detecta câmpuri magnetice având intensitatea câmpului magnetic terestru, demonstrând că şi oamenii au un sistem senzorial care procesează câmpul geomagnetic din jurul lor.

Sursă: LiveScience