MAGNETISMUL Lasa un comentariu

Stiinta este intelegerea modului in care functioneaza lumea – si, in general, lumea functioneaza bine, indiferent daca o intelegem sau nu. Sa luam magnetismul, de exemplu. Oamenii stiu despre magneti de mii de ani si ii folosesc practic, sub forma de busole, de aproape atata timp. Grecii si romanii antici stiau la fel de bine ca roca magnetica (un mineral bogat in fier) poate atrage alte bucati de fier, in timp ce chinezii antici faceau busole magnetice asezate in incrustari complexe din lemn pentru practicarea lor de Feng Shui (arta de a amenaja cu atentie o camera) cu mii de ani inainte ca designerii de interior sa existe. Uneori, stiinta poate fi greu  de prins din urma: am aflat cum functioneaza magnetismul cu adevarat in ultimul secol, de cand lumea din interior a atomilor a fost descoperita si explorata pentru prima data.

Ce este magnetismul?

Joaca cu magneti este primul contact cu stiinta pe care copiii il traiesc. Asta pentru ca magnetii sunt usor de utilizat, siguri si distractivi. Sunt, de asemenea, destul de surprinzatori.  Unul dintre cele mai uimitoare lucruri despre magneti este modul in care pot atrage alti magneti (sau alte materiale magnetice) „la distanta”, in mod invizibil, prin ceea ce numim camp magnetic.

Pentru oamenii antici, magnetismul trebuie sa fi parut ca un soi de magie. Mii de ani mai tarziu, intelegem ce se intampla in materialele magnetice, modul in care structura lor atomica le provoaca proprietatile magnetice si cum electricitatea si magnetismul sunt cu adevarat doar doua parti ale aceleiași monede: electromagnetismul. Odata ce oamenii de stiinta ar fi spus ca magnetismul este forta de atractie ciudata si invizibila intre anumite materiale; astazi, avem mai multe sanse sa o definim ca o forta creata de curentii electrici (ei insisi provocati de miscarea electronilor).

Ce este campul magnetic?

Sa presupunem ca asezati un magnet bara (in forma dreptunghiulara, uneori cu polii nord si sud vopsiti in diferite culori) sau un magnet potcoava (indoit in forma de U stransa) pe o masa si asezati un cui de fier in apropiere. Daca impingeti magnetul incet spre cui, la un moment dat va sari si se va lipi de magnet. Asta se refera la magneti care au un camp magnetic invizibil ce se extinde in jurul lor. Un alt mod de a descrie acest lucru este de a spune ca un magnet poate „actiona la distanta”: poate provoca o forta de impingere sau de tragere asupra altor obiecte pe care nu le atinge de fapt).

Campurile magnetice pot patrunde prin tot felul de materiale, nu doar prin aer. Probabil aveti mici notite lipite de usa frigiderului cu magneti viu colorati – astfel incat puteti vedea cum campurile magnetice sunt taiate prin hartie. Este posibil sa fi facut trucul in care utilizati un magnet pentru a ridica un lant lung de agrafe, cu fiecare agrafa se magnetizeaza urmatoarea. Acest mic experiment ne spune ca un camp magnetic poate patrunde prin materiale magnetice precum fierul.

Cum putem masura magnetismul?

Forta campului din jurul unui magnet depinde de cat de aproape va apropiati: este cel mai puternic foarte aproape de magnet si cade rapid pe masura ce va indepartati. (De aceea, un mic magnet de pe masa ta trebuie sa fie destul de aproape de lucruri pentru a-i atrage.) Marim puterea campurilor magnetice in unitatile numite gauss si tesla (unitatea moderna SI, numita pionierul electricitatii Nikola Tesla, 1856-1943 ). Este interesant de mentionat ca rezistenta campului magnetic al Pamantului este foarte slaba – de aproximativ 100–1000 de ori mai slaba decat cea a unui tipar de bare sau magnet de frigider. Pe Pamant, gravitatia, nu magnetismul, este forța care te lipeste de podea. Am observa mai mult magnetismul Pamantului daca gravitatia nu ar fi atat de puternica.

Ce este un electromagnet?

Magnetul Homer Simpson sau Mickey Mouse care tine lucrurile la frigiderul tau este un magnet permanent: isi tine tot timpul magnetismul. Nu toti magnetii functionează astfel. Puteti face un magnet temporar trecand electricitatea printr-o bobina de sarma infasurata in jurul unui cui de fier (un dispozitiv pe care il veti vedea uneori ca un solenoid). Porniti curentul si cuiul devine un magnet; opriti-l din nou si magnetismul dispare. (Aceasta este ideea de baza din spatele unei sonerii electrice: faceti un electromagnet atunci cand apasati butonul, care trage un ciocan pe clopotel – ding-dong!) Magneti temporari ca acesta se numesc electromagneti – magneti lucrati cu electricitate – si ele sugereaza o legatura mai profunda intre electricitate si magnetism la care vom ajunge intr-o clipa.

La fel ca magnetii permanenti, electromagnetii temporari au dimensiuni si puteri diferite. Puteti face un electromagnet suficient de puternic pentru a ridica agrafe cu o singura baterie de 1,5 volti. Folositi o tensiune mult mai mare pentru a face un curent electric mai mare si puteti construi un electromagnet suficient de puternic pentru a ridica o masina. Asa functioneaza electromagnetii scrapyard. Rezistenta unui electromagnet depinde de doua lucruri principale: dimensiunea curentului electric pe care il utilizati si numarul de ori cand infasurati firul. Mariti unul sau pe amandoua si veti obtine un electromagnet mai puternic.

La ce folosesc magnetii?

Ce folos sunt, s-ar putea sa intrebati, in afara de trucurile de magie copilareasca si de terapie?

Ati putea fi surprins de cat de multe lucruri din jurul vostru functioneaza prin magnetism sau electromagnetism. Fiecare aparat electric cu un motor electric in el (totul, de la periuta electrica la masina de tuns iarba) foloseste magneti pentru a transforma electricitatea in miscare. Motoarele folosesc electricitate pentru a genera magnetism temporar in bobinele de sarma. Campul magnetic astfel produs se impinge impotriva campului fix al unui magnet permanent, invartind interiorul motorului in jurul vitezei mari. Puteti profita de aceasta miscare de filare pentru a conduce tot felul de masini.

Exista magneti in frigiderul dvs. care tine usa inchisa. Magnetii citesc si scriu date (informatii digitale) pe hard disk-ul computerului si pe casetele casnice stereo personale de moda veche. Mai multi magneti in difuzoarele sau castile hi-fi ajuta la transformarea muzicii stocate in sunete pe care le puteti auzi. Daca te imbolnavesti de o boala interna grava, s-ar putea sa ai un tip de scanare corporala numita RMN (rezonanta magnetica nucleara), care atrage lumea de sub piele folosind tiparele campurilor magnetice. Magnetii sunt folositi pentru a va recicla gunoiul metalic (conservele din otel sunt puternic magnetice, dar bauturile din aluminiu nu, astfel incat un magnet este un mod usor de a separa cele doua metale diferite).

Ce materiale sunt magnetice?

Fierul este regele materialelor magnetice – metalul la care ne gandim cu totii cand ne gandim la magneti. Cele mai multe alte metale comune (cum ar fi cupru, aur, argint si aluminiu) sunt, la prima vedere, nemagnetice si majoritatea nemetalelor (inclusiv hartia, lemnul, plasticul, betonul, sticla si textilele precum bumbacul si lana) sunt de asemenea nemagnetice. Dar fierul nu este singurul metal magnetic. Nichelul, cobaltul si elementele care apartin unei parti a tabelului periodic (utilizeaza chimistii aranjamente ordonate pentru a descrie toate elementele chimice cunoscute) cunoscute sub numele de metale rare-terestre (in special samariu si neodim) fac, de asemenea, magneti buni. Unii dintre cei mai buni magneti sunt aliaje (amestecuri) ale acestor elemente unul cu altul si cu alte elemente. Feritele (compusi din fier, oxigen si alte elemente) fac, de asemenea, magneti foarte buni. Roca magnetica (care se mai numeste magnetit) este un exemplu de ferita care se gaseste in mod obisnuit pe Pamant (are formula chimica FeO · Fe2O3).

Materiale precum fierul se transforma in magneti temporari buni atunci cand puneti un magnet langa ei, dar tind sa isi piarda o parte sau tot din magnetism atunci cand scoateti din nou magnetul. Spunem ca aceste materiale sunt moi din punct de vedere magnetic. In schimb, aliajele de fier si metalele rare de pe Pamantisși pastreaza cea mai mare parte a magnetismului chiar si atunci cand le indepartati de un camp magnetic, astfel incat acestea fac magneti permanenti buni. Numim acele materiale tari din punct de vedere magnetic.

Este corect sa spunem ca toate materialele sunt fie magnetice, fie nemagnetice? Oamenii obisnuiau sa creada asta, dar oamenii de stiinta stiu acum ca materialele pe care le consideram nemagnetice sunt de asemenea afectate de magnetism, desi extrem de slab. Masura in care un material poate fi magnetizat se numeste susceptibilitatea acestuia.

Ce cauzeaza magnetizarea?

La inceputul secolului XX, inainte ca oamenii de stiinta sa inteleaga corect structura atomilor si modul in care functioneaza, au venit cu o idee usor de inteles numita teoria domeniului pentru a explica magnetismul. Cativa ani mai tarziu, cand au inteles mai bine atomii, au descoperit ca teoria domeniilor functioneaza inca, dar ar putea fi explicata, la un nivel mai profund de teoria atomilor. Toate aspectele diferite ale magnetismului pe care le observam pot fi explicate, in cele din urma, vorbind despre domenii, electroni in atomi sau ambele. Sa analizam pe rand cele doua teorii.

1. Teoria domeniilor a magnetismului
   

   Imaginati-va o fabrica undeva care face mici magneti bara si ii expediaza la scoli pentru lectiile lor de stiinta. Un tip numit David care trebuie sa-si conduca camionul, transportand o multime de cutii de carton, fiecare cu un magnet in interiorul ei, la o scoala diferita. David nu are timp sa se ingrijoreze in ce fel sunt impartite cutiile, asa ca le ingramadeste in camionul sau. Magnetul din interiorul unei cutii ar putea fi indreptat spre nord, in timp ce cel de langa ea este indreptat spre sud, est sau vest. In general, magnetii sunt toti in sus, desi campurile magnetice ies din fiecare cutie, toate se anuleaza.

   Aceeasi fabrica angajeaza un alt sofer de camion numit Bogdan, care nu putea fi mai diferit. Ii place totul ordonat, asa ca isi incarca camionul intr-un mod diferit, stivuind bine toate casetele, astfel incat sa se alinieze exact la fel. Puteti vedea ce se va intampla? Campul magnetic dintr-o cutie se va alinia cu campul din toate celelalte cutii … transformand efectiv camionul intr-un singur magnet urias. Cabina va fi ca un pol nord urias si in spatele camionului un imens pol sud!

   Ceea ce se intampla in aceste doua camioane este ceea ce se intampla la o scara minuscula in interiorul materialelor magnetice. Conform teoriei domeniilor, ceva de genul unei bare de fier contine o multime de buzunare minuscule numite domenii. Fiecare domeniu este ca o cutie cu un magnet in interior. Bara de fier este exact ca si camionul. In mod normal, toate „casetele” sale de la bord sunt aranjate la intamplare si nu exista un magnetism general: fierul nu este magnetizat. Dar aranjati toate casetele in ordine, faceti-le pe toate la fel si obtineti un camp magnetic total: bara este magnetizata. Cand aduceti un magnet intr-o bara de fier nemagnetizata si o trageti sistematic si în mod repetat in sus si in jos, ceea ce faceti este sa rearanjati toate „casetele” magnetice din interior, astfel incat acestea sa arate la fel.

   Aceasta teorie explica cum poate aparea magnetismul, dar poate explica unele dintre celelalte lucruri pe care le stim despre magneti? Daca taiati un magnet in jumatate, stim ca primiti doi magneti, fiecare cu un pol nord si sud. Asta are sens in conformitate cu teoria domeniilor. Daca taiati un magnet in jumatate, obtineti un magnet mai mic, care este inca la pachet cu domenii, iar acestea pot fi aranjate nord-sud exact ca in magnetul original. Ce zici despre modul in care magnetismul dispare cand lovesti un magnet sau il incalzesti? Acest lucru poate fi explicat si el. Imagineaza-ti din nou camioneta plina de cutii ordonate. Conduceti-l in mod eritic, cu viteza foarte mare, si este cam ca sa-l agitati sau sa il bateti cu bata. Toate casetele vor sari în sus, astfel incat sa se confrunte cu moduri diferite si magnetismul general va disparea. Incalzirea unui magnet il agita intern si se ridica in cutii in acelasi mod.

2. Teoria atomica a magnetismului
   

   Teoria domeniilor este destul de usor de inteles, dar nu este o explicatie completa. Stim ca barele de fier nu sunt pline de cutii ambalate cu magneti mici si, daca va ganditi, sa incercati sa explicati un magnet spunand ca este plin de magneti mai mici nu este deloc o explicatie, deoarece solicita imediat intrebarea: din ce sunt facuti magnetii mai mici? Din fericire, exista o alta teorie la care ne putem adresa.

   In secolul al XIX-lea, oamenii de stiinta au descoperit ca pot folosi electricitate pentru a produce magnetism si magnetism pentru a produce electricitate. James Clerk Maxwell a spus ca cele doua fenomene erau cu adevarat aspecte diferite ale aceluiași lucru – electromagnetismul – precum doua parti ale aceleiasi bucati de hartie. Electromagnetismul a fost o idee stralucitoare, dar a fost mai mult o descriere decat o explicatie: a aratat cum lucrurile stau mai degraba decat sa explice de ce acestea erau asa. Abia în secolul XX, cand oamenii de stiinta mai tarziu au ajuns sa inteleaga lumea din interiorul atomilor, a aparut in sfarsit explicatia pentru electromagnetism.

   Stim ca totul este format din atomi si ca atomii sunt alcatuiti dintr-o bucata centrala de materie numita nucleu. Particulele minute numite electroni se deplaseaza in jurul nucleului in orbita, cam ca satelitii din cerul de deasupra noastra, dar se invart si pe axa lor in acelaai timp (la fel ca varfurile de rotire). Stim ca electronii transporta curenti electrici (fluxuri de electricitate) atunci cand se deplaseaza prin materiale precum metale. Electronii sunt, intr-un anumit sens, particule minuscule de electricitate. In secolul al XIX-lea, oamenii de stiinta stiau ca miscarea electricitatii face magnetism. In secolul XX, a devenit clar ca magnetismul a fost cauzat de electroni care se miscau in interiorul atomilor si creau campuri magnetice in jurul lor. Domeniile sunt de fapt grupuri de atomi in care electronii rotitori produc un camp magnetic total orientat intr-un fel sau altul.

   Ca si teoria domeniilor, teoria atomica poate explica multe dintre lucrurile pe care le stim despre magneti, inclusiv paramagnetismul (modul in care materialele magnetice se aliniaza cu campurile magnetice). Majoritatea electronilor dintr-un atom exista in perechi care se invart in directii opuse, astfel incat efectul magnetic al unui electron dintr-o pereche anuleaza efectul partenerului sau. Dar daca un atom are niste electroni neperecheti (atomii de fier au patru), acestia produc campuri magnetice nete care se aliniaza unul cu altul si transforma intregul atom intr-un mini magnet. Cand puneti un material paramagnetic, cum ar fi fierul, intr-un camp magnetic, electronii isi schimba miscarea pentru a produce un camp magnetic care se aliniaza cu campul exterior.

   Dar diamagnetismul? In materialele diamagnetice, nu exista electroni neperecheti, deci acest lucru nu se intampla. Atomii au un magnetism redus sau deloc general si sunt mai putin afectati de campurile magnetice din exterior. Cu toate acestea, electronii care orbiteaza in interiorul lor sunt particule incarcate electric si, atunci cand se misca intr-un camp magnetic, se comporta ca orice alte particule incarcate electric intr-un camp magnetic si experimenteaza o forta. Asta isi schimba orbitele foarte usor, producand un anumit magnetism net care se opune chiar acelui lucru care il provoaca (in conformitate cu bitul clasic al teoriei electromagnetice cunoscute drept legea lui Lenz, care este legata de legea conservarii energiei). Drept urmare, campul magnetic slab pe care il produc se opune campului magnetic care il provoaca – ceea ce vedem exact cand materialele diamagnetice incearca sa „lupte” cu campul magnetic in care sunt amplasate.