Magnety mají neodmyslitelnou sílu zaujmout a mystifikovat nás. Myslím tím, že od chvíle, kdy se poprvé setkáme s jejich lákavou kulturou, obvykle zjistíme, že jsme neúprosně přitahováni jejich tajemnými silami. Můžeme si tedy položit otázku, jak to, že zdánlivě obyčejný kus kovu může mít tak mimořádnou schopnost přitahovat a odpuzovat? Začněme tím, že si připustíme skutečnost, že svět magnetismu je zahalen složitostí, kterou by mnohým z nás trvalo nějaký čas, než by ji pochopili. A také musíme souhlasit s tím, že tyto magnety jsou pro náš každodenní život zcela nepostradatelné, a proto je důležité,nebo abychom jim lépe porozuměli. Nyní v tomto článku prozkoumáme magnety na hlubší úrovni, poskytneme vám základní principy, kterými se řídí, jak magnety fungují, a poté článek uzavřeme osvětlením jejich pozoruhodných skutečných aplikací v různých oblastech.
Historické pozadí
Začneme tím, že vám poskytneme krátký historický pohled, který sleduje počátky lidské fascinace magnety. Historie magnetů sahá několik století zpět a můžeme vám říci, že je bohatá a fascinující. Zde je tedy přehled jejich historického významu;
Starověké objevy- objev a použití magnetů lze vysledovat až do starověkých civilizací, přičemž nejstarším známým magnetickým materiálem je magnetovec, což je přirozeně se vyskytující magnetizovaný minerál složený převážně z magnetitu. Starověké kultury, jako jsou Řekové, Číňané a Egypťané, si byli vědomi magnetických vlastností magnetitu již v roce 600 před Kristem. Používali ho k různým účelům, včetně navigace, věštění a náboženských rituálů.
Čínský kompas– za druhé, k jednomu z nejvýznamnějších pokroků v magnetismu došlo v Číně během dynastie Han (206 př.nl - 220 n. l.). V tomto období Číňané vynalezli kompas, který využíval magnetických vlastností magnetitu. Tento kompas způsobil revoluci v navigaci a umožnil námořníkům přesně určit svůj směr a prozkoumat vzdálené země.
Arabští učenci– rychlý posun vpřed do středověku, kdy arabští učenci významně přispěli k pochopení magnetů. Víte, kolem 8. století psal perský učenec Al-Kindi o atraktivních vlastnostech magnetovců a zkoumal jejich použití v navigaci. Arabský vědec Al-Biruni také studoval magnety a psal o jejich magnetických polích.
Vědecké studie– v 16. a 17. století došlo k významnému pokroku s ohledem na vědecké principy magnetismu. Během této doby William Gilbert, který byl anglickým filozofem a lékařem, provedl rozsáhlé experimenty s magnety a všechny své poznatky publikoval ve své knize nazvané 'De Magnete' v roce 1600. Gilbert v podstatě položil základy vědeckého studia magnetismu.
V 18. století pak vědci začali chápat koncepty magnetických pólů a také chování magnetů. Francouzský fyzik Charles-Augustin de Coulomb formuloval Coulombův zákon, který vysvětlil sílu mezi magnetickými póly a vztah inverzní kvadrát. Toto pochopení magnetické polarity a chování magnetů v podstatě vydláždilo cestu pro další pokroky v oboru. Pak v 19. století bylo vytvořeno spojení mezi magnetismem a elektřinou, což nyní vedlo k rozvoji elektromagnetismu. V tomto okamžiku dánský fyzik Han Christian a později britský vědec Michael Faraday rozšířili o formulování zákonů elektromagnetické indukce, že elektrický proud vytváří magnetické pole.
Magnetická pole a přitažlivost/odpuzování
Když mluvíme o magnetických polích, máme na mysli neviditelné oblasti vlivu, které obklopují magnety a jiné magnetické objekty. Tato pole jsou zodpovědná za přitažlivé a odpudivé síly pozorované mezi magnety. Magnetická pole jsou v podstatě vytvářena magnety, elektrickými proudy a také pohybujícími se nabitými částicemi a rozšiřují se směrem ven z magnetu v trojrozměrném prostoru a vytvářejí souvislou smyčku, která se vrací k magnetu. Sílu a směr magnetického pole reprezentují magnetické siločáry, jejichž hustota udává sílu, bližší čáry pak silnější pole. Pokud jde o přitahování a odpuzování mezi magnety, můžeme začít konstatováním, že když se dva magnety přiblíží k sobě, magnetická pole se vzájemně ovlivňují – mohou se buď přitahovat, nebo odpuzovat. Opačné póly se přitahují, zatímco se jako póly odpuzují. Důvodem, proč se opačné póly přitahují, je to, že siločáry magnetického pole z jednoho magnetu se zarovnají a spojí se siločárami druhého magnetu, čímž vytvoří stabilnější konfiguraci. Pokud jde o odpuzování, magnetické čáry se snaží oddálit, což má za následek sílu, která magnety od sebe odtlačuje.
Jak vznikají magnetická pole?
Nejprve musíte pochopit, že magnetismus vzniká z pohybu a zarovnání elektronů, konkrétně z jejich vnitřní vlastnosti známé jako spin. S tím, co bylo řečeno, zde je návod, jak uspořádání elektronů v atomech vede k vytvoření magnetických polí;
Elektronový spin – elektrony tedy mají vlastnost označovanou jako spin, což je vnitřní moment hybnosti a lze si jej obecně představit jako elektrony rotující kolem své osy, což je velmi podobné tomu, jak se naše Země točí kolem své osy. Poté je spin elektronu kvantován, což znamená, že může mít pouze určité diskrétní hodnoty, buď nahoru nebo dolů.
Magnetický moment – rotace elektronu pak dává vzniknout magnetickému momentu, který je obvykle vizualizován jako malý tyčový magnet spojený s elektronem. Magnetický moment vzniká jako výsledek cirkulujícího náboje rotujícího elektronu a jeho směr je v souladu se směrem rotace.
Magnetická pole a uspořádání elektronů – jde o to, že v atomu elektrony obvykle obsazují specifické energetické hladiny nebo orbitaly kolem jádra, kde každý orbital je schopen pojmout určitý počet elektronů s opačným spinem. Nyní, když tyto elektrony v atomu okupují stejný orbitál, mají opačné rotace, což vede k tomu, že se jejich magnetické momenty navzájem ruší, což nemá za následek žádný čistý magnetický efekt.
Paramagnetismus a feromagnetismus – u paramagnetických materiálů vykazují ve svých atomových nebo molekulárních orbitalech nepárové elektrony, což přispívá k čistému magnetickému momentu. V přítomnosti vnějšího magnetického pole jsou schopny se s polem vyrovnat, čímž zvyšují celkovou magnetizaci materiálu. Feromagnetické materiály vykazují spontánní vyrovnání magnetických momentů v doménách i v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole. Takže v těchto materiálech se magnetické momenty sousedních atomů spontánně vyrovnávají, což vytváří rozsáhlé magnetické domény, což vede k silné celkové magnetizaci.
Magnetické materiály
Magnetické materiálylze jednoduše rozdělit do tří kategorií; feromagnetické, paramagnetické a diamagnetické, kde každý typ vykazuje jiné chování při interakci s magnetickými poli. Začněme tedy feromagnetickými materiály, které jsou silně přitahovány magnetickými poli, čímž se trvale zmagnetizují. Nyní v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole mají tyto materiály náhodně orientované magnetické domény, ale když jsou vystaveny magnetickému poli, tyto domény se vyrovnávají ve směru pole, což má za následek silnou celkovou magnetizaci. A i po odstranění magnetického pole má toto zarovnání tendenci přetrvávat, takže feromagnetické materiály jsou ideální pro vytváření permanentních magnetů. Za druhé, máme paramagnetické materiály, které mají ve svých atomových nebo molekulárních orbitalech nepárové elektrony. Při vystavení magnetickému poli se materiály zmagnetizují, ale poté ztratí svůj magnetismus, když je vnější pole odstraněno. A protože tyto materiály mají náhodnou orientaci momentů, je celková magnetizace relativně slabá. Za třetí, diamagnetické materiály jsou slabě odpuzovány magnetickými poli a nemají permanentní magnetické momenty jako feromagnetické a paramagnetické materiály. Takže když jsou tyto materiály vystaveny magnetickému poli, vyvinou dočasně indukovaný magnetický moment v opačném směru, než je aplikované pole. To je výsledkem orbitálního pohybu elektronů uvnitř atomů nebo molekul.
Typy magnetů a běžné tvary
Existují různé typy magnetů podle jejich složení a také podle toho, jak jsou vytvořeny. Zde jsou některé z nejběžnějších;
Permanentní magnety- tyto jsoumagnetykteré se běžně používají a nikdy neztrácejí své magnetické vlastnosti, jakmile jsou zmagnetizovány. V zásadě jsou vyrobeny z materiálů, jako je železo, nikl, kobalt, nebo slitin, jako je neodym-železo-bor (NdFeB) nebo samarium-kobalt (SmCo). Jsou široce používány v různých aplikacích, které zahrnují generátory, elektromotory, magnetické spony a reproduktory.
Elektromagnety– jedná se o magnety, které vyžadují elektrický proud k vytvoření magnetického pole. Magnety se skládají z cívky drátu, který je typicky navinutý kolem feromagnetického jádra, kterým protéká elektrický proud a vytváří magnetické pole. To také znamená, že když vypnete proud, pole je eliminováno. Tyto magnety jsou široce používány, přičemž nejběžnějšími příklady jsou elektrické spínače, relé, magnetické zvedací systémy a také přístroje MRI.
Dočasné magnety – to jsou v podstatě materiály, které se zmagnetizují, když jsou vystaveny magnetickému poli, ale poté ztratí svůj magnetismus, jakmile pole zmizí. Tyto magnety se často používají jako dočasné magnetizační nástroje nebo v aplikacích, kde je magnetismus vyžadován pouze po krátkou dobu. Některé příklady těchto magnetů zahrnují železo a ocel.
Když jsme se podívali na typy magnetů, podívejme se na tvary. Takže magnety přicházejí v různých formách, které zahrnují následující;
Tyčové magnety– tyto magnety mají obdélníkový nebo válcový tvar se stejně velkými póly na každém konci a běžně se používají pro vzdělávací účely i pro základní experimenty.
Magnety do podkovy – mají design ve tvaru U připomínající tvar podkovy – odtud název. To znamená, že póly jsou blíže u sebe, což pak zajišťuje silnější magnetické pole mezi póly, a běžně se používají v aplikacích vyžadujících koncentrovaná magnetická pole, jako jsou generátory a elektromotory.
Diskové/válcové magnety – magnety mají kulatý tvar, který připomíná minci nebo válec a často se používají v betonových prefabrikátech, magnetických uzávěrech, šperkařských sponách nebo v malých aplikacích, kde je potřeba kompaktní magnet.
Prstencové magnety – jedná se o magnety, které mají kruhový tvar s otvorem uprostřed a často se používají v aplikacích, které vyžadují magnetické pole procházející středem, což zahrnuje rotující stroje nebo senzory.
Blokové/kostkové magnety – tyto magnety se dodávají v obdélníkovém nebo krychlovém tvaru a nejčastěji se používají v řadě aplikací, jako jsou betonové prefabrikáty, reproduktory, magnetické separátory a magnetické levitační systémy. V zásadě poskytují velkou plochu pro silnou magnetickou adhezi k ocelovým plátům nebo ocelovým profilům zapuštěným do bednění nebo forem.
Reálné aplikace magnetů
Magnety mají širokou škálu praktických aplikací napříč různými průmyslovými odvětvími a každodenním životem. Zde jsou některé pozoruhodné aplikace magnetů v reálném světě:
Aplikace prefabrikovaného betonu- magnety jsou použitelné v procesech výroby betonových prefabrikátů. Zde je návod, jak se používají;
· Bednění a formy – v bednění a formách se používají prefabrikované magnety, které drží součásti na místě během procesu odlévání. Vidíte, prefabrikované prvky často vyžadují přesné umístění a vyrovnání a magnety jsou schopny poskytnout silnou a spolehlivou metodu pro zajištění bednění pro přesné a stabilní lití.
· Systémy magnetického bednění – jedná se o systémy určené pro výrobu betonových prefabrikátů a jsou schopny využít magnety zapuštěné do bednění tak, aby vytvořily magnetickou vazbu ocelových desek a magnetických lůžek
· Systémy magnetického bednění– stejně jako systémy bednění, systémy bednění využívají prefabrikované magnety k přidržování ocelových nebo kompozitních okenic na místě během procesu odlévání a zajišťují přesné umístění a vyrovnání.
Elektromotory a generátory– magnety přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii a naopak. Jde o to, že permanentní nebo elektromagnety se používají k vytváření magnetických polí, která jsou schopna interagovat s elektrickými proudy, generovat rotační pohyb v motorech a tím vyrábět elektřinu v generátorech.
Zobrazování magnetickou rezonancí (MRI)– magnety se také používají v MRI přístrojích používaných v nemocnicích pro lékařské zobrazování, které je nutné pro diagnostiku a sledování různých zdravotních stavů.
Magnetické úložiště dat- magnetická paměťová zařízení, jako jsou pevné disky (HDD) a magnetické pásky, používají magnety k ukládání a získávání digitálních informací. Magnetický materiál na paměťovém médiu je zmagnetizován, aby představoval datové bity, které lze číst a zapisovat pomocí magnetických čtecích/zapisovacích hlav.
Mezi další použití patří reproduktory a audiosystémy, magnetické oddělování a třídění, magnetické spony a spojovací prvky a také magnetické západky dveří.
Sečteno a podtrženo
Závěrem lze souhlasit s tím, že magnety mají zásadní význam v našem každodenním životě, od zdravotnictví, stavebnictví, výroby, dopravy a moderních technologií. Kromě oblasti praktičnosti musíme také zmínit skutečnost, že magnety zaujaly naši představivost a fascinovaly mladé i staré. Myslíme tím, že neviditelné síly literární podněcují zvědavost a také vzbuzují úžas a úžas v přírodním světě. Když se tedy podíváme na to, jak magnety fungují, můžeme zahlédnout neviditelnou symfonii částic právě tančících kolem v dokonalé harmonii, která odhaluje další podmanivou vrstvu velkolepé tapisérie našeho vesmíru.