26-10-2016

7 ciekawych faktów na temat magnesów

Diagnostyka metodą rezonansu magnetycznego oparta jest na wykorzystaniu silnego pola magnetycznego generowanego przez skaner MRI. Magnesy mają jednak również wiele innych zastosowań, a niektóre ich właściwości mogą być zaskakujące.

1. Magnesy pozwalają na poruszanie się bez styku z podłożem

Wyróżnia się cztery rodzaje magnesów. Ferromagnetyki, do których należą substancje takie jak żelazo czy nikiel składają się z atomów z niesparowanymi elektronami, których spiny są równoległe. Substancje takie tworzą tzw. magnesy trwałe. W innym typie magnesów – zwanych ferrimagnetykami – tylko niektóre spiny elektronów są równoległe.

Większość pierwiastków chemicznych to paramagnetyki, co znaczy, że namagnesowują się, jeśli znajdą się wewnątrz innego pola magnetycznego. Z kolei diamagnetyki to materiały, które mogą lewitować. Magnesują się one, jeśli znajdą się w polu magnetycznym, ale generują pole zwrócone w odwrotnym kierunku. Na tej zasadzie działa kolej magnetyczna – pociągi, które poruszają się bez styku z torem, dzięki czemu mogą osiągać zawrotne prędkości.

pociąg magnetyczny

2. Magnetyzm to światło

Dlaczego magnesy stykają się? Dlatego, że wymieniają fotony, czyli cząstki, które odpowiadają za światło. Ale w odróżnieniu od fotonów, których strumień płynie z lampki na biurku i które odbijają się od wszystkiego co widzisz, są to wirtualne fotony i twoje oczy (ani żaden inny detektor) nie mogą ich „zobaczyć”. Mogą one jednak wymieniać pęd i to powoduje, że stykają się lub odpychają.

Fotony są przenośnikami mocy nie tylko dla magnesów, ale również elektrostatycznego zjawiska, jakim jest statyczna elektryczność. Dlatego właśnie zjawiska takie nazywamy elektromagnetyzmem – łącznie ze światłem, które jest falą elektromagnetyczną.

3. Najsilniejszy magnes osiąga moc 100 tesli

Skanery do rezonansu magnetycznego stosowane w medycynie mają najczęściej moc 1,5 tesli, a najsilniejsze 3 tesli. Pole magnetyczne o tej wartości jest na tyle silne, że przed badaniem konieczne jest zdjęcie wszelkich metalowych części ubrań, a rezonans magnetyczny głowy wymaga również zmycia makijażu, który może zawierać drobne cząsteczki metali.

Wyobraź sobie, że najsilniejszy magnes – w Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku – osiąga 100 tesli. Został on stworzony do generowania pola magnetycznego, które może trwać zaledwie kilka sekund. Najsilniejszy magnes, który może zachować pole na długi czas, osiąga 45 tesli i mieści się na Uniwersytecie Stanu Floryda. Każde włączenie magnesu w Los Alamos wiąże się z ryzykiem, że materiał nie wytrzyma naprężeń i magnes ulegnie zniszczeniu. Dlatego zawsze przed jego uruchomieniem cały budynek jest ewakuowany.

4. Magnesy udowodniły, że mechanika kwantowa działa

Odkrycie jednej z fundamentalnych zasad mechaniki kwantowej nie byłoby możliwe bez eksperymentu z zastosowaniem magnesów. Eksperyment przeprowadzili fizycy Otto Stern i Walter Gerlach w 1922 roku. Użyli dwóch magnesów, jeden na drugim, każdy zbudowany tak, aby produkował długie asymetryczne pole magnetyczne. Następnie wypuścili przez pole magnetyczne nienaładowane cząsteczki – atomy srebra. Asymetryczne pole powinno zmienić lekko tor ruchu atomów. Ponieważ atomy były zorientowane w losowych kierunkach oraz ich momenty kątowe również były losowe, tor ruchu powinien być inny dla każdego atomu, jednak nie było wiadomo jak bardzo będą się różnić ich tory. Na tarczy, do której dolatywały atomy, powinno być widoczne równomierne rozłożenie atomów, z jednego końca do drugiego.

Tak się jednak nie stało. Zaobserwowano dwa skupiska atomów, tak jakby wiązka rozdzieliła się na dwa kierunki i cząstki nie były w stanie znaleźć się nigdzie pomiędzy. W ten sposób Stern i Gerlach zademonstrowali, że spiny cząstek są skwantyzowane – mogą być ustawione do góry lub na dół, i nie ma innej możliwości.

eksperyment sterna i gerlacha

5. Magnes nie musi być metalem

Większość magnesów, jakie są używane w codziennym życiu wykonanych jest z żelaza (np. magnesy w lodówkach). Ale nie musi tak być. Magnesy mogą być zrobione z każdego materiału z niesparowanymi elektronami. Może być to metal lub stop metali, np. neodym stosowany w twardych dyskach. Może być to również materiał, który nie jest w ogóle metalem, np. spinel – minerał należący do tlenków, używany do uszczelniania drzwi lodówek.

6. Magnesy były znane już w starożytnej Grecji i Chinach

Grecy i Chińczycy zauważyli w starożytności, że coś dziwnego dzieje się z pewnymi materiałami, zwanymi magnetytami. Jest to forma tlenku żelaza, która powstaje, kiedy magma z wulkanu powoli ostyga. Zaobserwowano, że magnetyty przyciągają inne metale podobne do żelaza, a nawet potrafią namagnesować żelazo. Kiedy małe kawałki metalu zostały namagnesowane, a nastepnie powieszone na sznurku lub położone na wodzie, ustawiały się równolegle do pola magnetycznego Ziemi – w ten sposób powstały pierwsze kompasy.

7. Niektóre zwierzęta i bakterie mają magnetyty w swoich ciałach

Na przykład gromada mięczaków zwana chitonami. Magnetyty znajdują się w ich „zębach”, co – dzięki ich właściwościom ściernym – pozwala im na zeskrobywanie glonów. Inną jego funkcją może być nawigacja w otoczeniu i umożliwienie powrotu do pewnych miejsc. Właśnie taką funkcję spełniają magnetyty w dziobach gołębi pocztowych.

gołąb pocztowy

Źródło: www.livescience.com/47383-cool-facts-about-magnets.html