כולנו שיחקנו עם מגנטים מדי פעם. להלן ניסיון להסביר את היסודות העומדים מאחורי פעולתו הפנימית הסודית של המגנט המסתורי.
מגנט הוא כל חומר או חפץ המייצר שדה מגנטי. שדה מגנטי זה אחראי לרכושו של מגנט: כוח המושך חומרים פרומגנטיים אחרים ומושך או דוחה מגנטים אחרים. מגנט קבוע הוא חפץ העשוי מחומר הממוגנט ויוצר שדה מגנטי מתמשך משלו. חומרים הניתנים למגנט, אשר נמשכים חזק למגנט, נקראים פרומגנטיים. למרות שחומרים פרומגנטיים הם היחידים שנמשכים למגנט חזק מספיק כדי להיחשב מגנטיים, כל שאר החומרים מגיבים חלש לשדה מגנטי.
כמה עובדות על מגנטים כוללות:
- הקוטב הצפוני של המגנט מצביע על הקוטב הצפוני הגאומגנטי (עמוד מגנטי דרומי) הממוקם בקנדה מעל לחוג הארקטי.
- הקטבים הצפוניים דוחים את הקטבים הצפוניים
- קטבים דרומיים דוחים את קטבי הדרום
- קטבים צפוניים מושכים אליהם קטבים דרומיים
- קטבים דרומיים מושכים אליהם קטבים צפון
- כוח המשיכה או הדחייה משתנה הפוך עם המרחק בריבוע
- כוחו של מגנט משתנה במקומות שונים על המגנט
- המגנטים הם החזקים ביותר בקטבים שלהם
- מגנטים מושכים חזק פלדה, ברזל, ניקל, קובלט, גדוליניום
- מגנטים מושכים מעט חמצן נוזלי וחומרים אחרים
- מגנטים דוחים מעט מים, פחמן ובור
המכניקה של אופן פעולתם של מגנטים מתפרקת ממש עד לרמה האטומית. כאשר זרם זורם בחוט נוצר שדה מגנטי סביב החוט. זרם הוא פשוט חבורה של אלקטרונים נעים, ואלקטרונים נעים יוצרים שדה מגנטי. כך נוצרים אלקטרומגנטים לעבודה.
סביב גרעין האטום ישנם אלקטרונים. מדענים נהגו לחשוב שיש להם מסלול מעגלי, אך גילו שהדברים הרבה יותר מסובכים. למעשה, דפוסי האלקטרון באחד מהאורביטלים האלה לוקחים בחשבון את משוואות הגל של שרדינגר. אלקטרונים תופסים קונכיות מסוימות המקיפות את גרעין האטום. לפגזים אלה קיבלו שמות אותיות K, L, M, N, O, P, Q. הם קיבלו גם שמות מספרים, כמו 1,2,3,4,5,6,7 (חשבו מכניקת הקוונטים). בתוך הקליפה יתכנו מעטפות משנה או אורביטלים, עם שמות אותיות כמו s, p, d, f. חלק מהאורביטלים האלה נראים כמו כדורים, חלקם כמו שעון חול, ואחרים כמו חרוזים. מעטפת K מכילה מסלול s הנקרא מסלול 1s. מעטפת ה- L מכילה מסלול של s ו- p הנקרא מסלול 2s ו- 2p. מעטפת M מכילה מסלול s, p ו- d הנקרא מסלול 3s, 3p ו- 3d. קליפות N, O, P ו- Q כוללות כל אחת מסלול s, p, d ו- f המכונה 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5f, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7p, מסלול 7d ו- 7f. לאורביטלים אלה יש גם תת-אורביטלים שונים. כל אחד יכול להכיל רק מספר מסוים של אלקטרונים. מקסימום 2 אלקטרונים יכולים לתפוס תת-מסלול בו יש לאחד מסתובב של למעלה, לשני יש סיבוב של מטה. לא יכול להיות שני אלקטרונים עם ספין למעלה באותה תת-מסלול (מנהל ההדרה של פאולי). כמו כן, כשיש לך זוג אלקטרונים בתת-מסלול, השדות המגנטיים המשולבים שלהם יבטלו זה את זה. אם אתה מבלבל, אתה לא לבד. אנשים רבים הולכים לאיבוד כאן ופשוט תוהים על מגנטים במקום לחקור הלאה.
כשמסתכלים על המתכות הפרומגנטיות קשה לראות מדוע הם כל כך שונים מהווים את היסודות שלידם בטבלה המחזורית. מקובל בדרך כלל שלאלמנטים פרומגנטיים יש רגעים מגנטיים גדולים בגלל אלקטרונים שאינם מזווגים במסלולם החיצוני. סיבוב האלקטרון נחשב גם ליצירת שדה מגנטי דקה. לשדות אלה יש השפעה מורחבת, כך שכשאתה מקבץ חבורה של שדות אלה יחד הם מסתכמים בשדות גדולים יותר.
כדי לעטוף דברים ב'איך פועלים מגנטים? ', האטומים של חומרים פרומגנטיים נוטים ליצור שדה מגנטי משלהם שנוצר על ידי האלקטרונים המקיפים אותם. קבוצות אטומיות קטנות נוטות להתמצא באותו כיוון. כל אחת מהקבוצות הללו מכונה תחום מגנטי. לכל תחום קוטב צפון וצפון דרום משלו. כאשר פיסת ברזל אינה ממוגנטת, הדומיינים לא יכוונו לאותו כיוון, אלא יכוונו לכיוונים אקראיים אשר יבטלו זה את זה וימנעו מהברזל להיות מוט צפון או דרום או להיות מגנט. אם אתה מציג זרם (שדה מגנטי), הדומיינים יתחילו ליישר קו עם השדה המגנטי החיצוני. ככל שחל יותר הנוכחי, כך גדל מספר הדומיינים המותאמים. ככל שהשדה המגנטי החיצוני יתעצם, יותר ויותר מהתחומים יתיישרו עם זה. תהיה נקודה בה כל התחומים בתוך הברזל מיושרים עם השדה המגנטי החיצוני (רוויה), לא משנה כמה חזק יותר יוצר השדה המגנטי. לאחר הסרת השדה המגנטי החיצוני, חומרים מגנטיים רכים יחזרו לתחומים המכוונים באופן אקראי; עם זאת, חומרים מגנטיים קשים ישאירו את מרבית התחומים שלהם מיושרים, ויוצרים מגנט קבוע חזק. אז, הנה לכם.
כתבנו מאמרים רבים על מגנטים למגזין החלל. הנה מאמר על מגנטים לבר, והנה מאמר על מגנטים-על.
אם תרצה לקבל מידע נוסף על מגנטים, בדוק כמה ניסויים מגניבים עם מגנטים, והנה קישור למאמר על מגנטים סופר מאת וויז חנון.
הקלטנו גם פרק שלם של אסטרונומיה יצוק שכולל מגנטיות. האזינו כאן, פרק 42: מגנטיות בכל מקום.
מקורות:
חכמה חנון
ויקיפדיה: מגנט
ויקיפדיה: פרומגנטיות
