Di tanto in tanto abbiamo suonato tutti con i magneti. Di seguito è un tentativo di spiegare le basi dietro i meccanismi interni segreti del misterioso magnete.
Un magnete è qualsiasi materiale o oggetto che produce un campo magnetico. Questo campo magnetico è responsabile della proprietà di un magnete: una forza che attira altri materiali ferromagnetici e attira o respinge altri magneti. Un magnete permanente è un oggetto realizzato con un materiale magnetizzato che crea il proprio campo magnetico persistente. I materiali che possono essere magnetizzati, che sono fortemente attratti da un magnete, sono chiamati ferromagnetici. Sebbene i materiali ferromagnetici siano gli unici attratti da un magnete abbastanza forte da essere comunemente considerati magnetici, tutte le altre sostanze rispondono debolmente a un campo magnetico.
Alcuni fatti sui magneti includono:
- il polo nord del magnete punta verso il polo nord geomagnetico (un polo magnetico sud) situato in Canada sopra il circolo polare artico.
- i poli nord respingono i poli nord
- i poli sud respingono i poli sud
- i poli nord attirano i poli sud
- i poli sud attraggono i poli nord
- la forza di attrazione o repulsione varia inversamente alla distanza al quadrato
- la forza di un magnete varia in diverse posizioni sul magnete
- i magneti sono più forti ai loro poli
- i magneti attirano fortemente acciaio, ferro, nichel, cobalto, gadolinio
- i magneti attirano leggermente l'ossigeno liquido e altri materiali
- i magneti respingono leggermente l'acqua, il carbonio e il boro
La meccanica di come funzionano i magneti si rompe davvero fino al livello atomico. Quando la corrente scorre in un filo, attorno al filo viene creato un campo magnetico. La corrente è semplicemente un gruppo di elettroni in movimento e gli elettroni in movimento formano un campo magnetico. Ecco come vengono fatti funzionare gli elettromagneti.
Intorno al nucleo dell'atomo ci sono elettroni. Gli scienziati pensavano di avere orbite circolari, ma hanno scoperto che le cose sono molto più complicate. In realtà, i modelli dell'elettrone all'interno di uno di questi orbitali tengono conto delle equazioni delle onde di Schroedinger. Gli elettroni occupano determinati gusci che circondano il nucleo dell'atomo. A queste conchiglie sono stati assegnati nomi di lettere K, L, M, N, O, P, Q. Sono stati anche dati nomi numerici, come 1,2,3,4,5,6,7 (pensa alla meccanica quantistica). All'interno della shell possono esistere sottotitoli o orbitali, con nomi di lettere come s, p, d, f. Alcuni di questi orbitali sembrano sfere, alcuni come una clessidra, altri ancora come perline. La shell K contiene un orbitale chiamato orbitale 1s. La shell L contiene un orbitale s e p chiamato orbitale 2s e 2p. La shell M contiene un orbitale s, p e d chiamato orbitale 3s, 3p e 3d. Le shell N, O, P e Q contengono ciascuna un orbitale s, p, d e f chiamato 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, Orbitale 7d e 7f. Questi orbitali hanno anche vari sub-orbitali. Ciascuno può contenere solo un certo numero di elettroni. Un massimo di 2 elettroni può occupare un sub-orbitale in cui uno ha una rotazione verso l'alto, l'altro ha una rotazione verso il basso. Non possono esserci due elettroni con spin-up nello stesso sub-orbitale (il principio di esclusione di Pauli). Inoltre, quando hai una coppia di elettroni in un sub-orbitale, i loro campi magnetici combinati si annulleranno a vicenda. Se sei confuso, non sei solo. Molte persone si perdono qui e si limitano a chiedersi magneti invece di fare ulteriori ricerche.
Quando si osservano i metalli ferromagnetici, è difficile capire perché siano così diversi dagli elementi accanto a loro nella tavola periodica. È generalmente accettato che gli elementi ferromagnetici abbiano grandi momenti magnetici a causa di elettroni non accoppiati nei loro orbitali esterni. Si ritiene inoltre che lo spin dell'elettrone crei un campo magnetico minuto. Questi campi hanno un effetto composto, quindi quando si riuniscono un sacco di questi campi, si sommano a campi più grandi.
Per concludere "come funzionano i magneti?", Gli atomi dei materiali ferromagnetici tendono a creare il proprio campo magnetico creato dagli elettroni che li orbitano attorno. Piccoli gruppi di atomi tendono ad orientarsi nella stessa direzione. Ognuno di questi gruppi è chiamato dominio magnetico. Ogni dominio ha il suo polo nord e polo sud. Quando un pezzo di ferro non viene magnetizzato, i domini non puntano nella stessa direzione, ma puntano in direzioni casuali annullandosi a vicenda e impedendo al ferro di avere un polo nord o sud o di essere un magnete. Se si introduce la corrente (campo magnetico), i domini inizieranno ad allinearsi con il campo magnetico esterno. Più corrente viene applicato, maggiore è il numero di domini allineati. Man mano che il campo magnetico esterno diventa più forte, sempre più domini si allineeranno con esso. Ci sarà un punto in cui tutti i domini all'interno del ferro sono allineati con il campo magnetico esterno (saturazione), non importa quanto più forte sia il campo magnetico. Dopo la rimozione del campo magnetico esterno, i materiali magnetici morbidi torneranno a domini orientati in modo casuale; tuttavia, i materiali magnetici duri manterranno allineata la maggior parte dei loro domini, creando un forte magnete permanente. Così il gioco è fatto.
Abbiamo scritto molti articoli sui magneti per Space Magazine. Ecco un articolo sui magneti a barra e qui un articolo sui super magneti.
Se desideri maggiori informazioni sui magneti, dai un'occhiata ad alcuni fantastici esperimenti con i magneti, ed ecco un link a un articolo sui super magneti di Wise Geek.
Abbiamo anche registrato un intero episodio del cast di astronomia sul magnetismo. Ascolta qui, episodio 42: magnetismo ovunque.
fonti:
Geek saggio
Wikipedia: Magnete
Wikipedia: ferromagnetismo
