Magnetizmus Zeme možno veľmi zjednodušene vysvetliť tak, že v dôsledku prúdenia roztavenej hmoty v tekutom jadre tečú vnútri Zeme elektrické prúdy, ktoré vytvárajú magnetické pole. Niekedy sa dokonca hovorí, že Zem pracuje ako dynamo.
Aká sila však poháňa elektrické prúdy vnútri kompasu? Ihla kompasu je predsa obvykle vyrobená zo železa a v jej vnútri žiadna látka neprúdi. Teda v kompase nie je ukryté žiadne dynamo. A ak sme aj v procese zmagnetizovania ihly rozbehli v jej vnútri nejaké elektrické prúdy, v dôsledku trenia by sa ihla mala zahrievať, elektrické prúdy by sa mali spomaľovať a magnetizmus ihly by mal slabnúť. Nič také sa však nepozoruje. Ako je možné, že magnetizmus železa časom nezoslabne? .zamrznuté magnetky
Podľa kvantovej mechaniky je magnetizmus látok možný aj bez vnútorných elektrických prúdov, pretože každý elektrón sa správa ako magnetka, ktorá je síce maličká, ale v čase nemenná. Magnetky jednotlivých elektrónov sa v atómoch skladajú a vytvárajú atomárne magnetky, ktorých veľkosť pomerne komplikovaným spôsobom závisí od počtu elektrónov v atóme. Napríklad atómy s nepárnym počtom elektrónov majú konečne veľkú atomárnu magnetku, kým atómy s úplne zaplnenými elektrónovými vrstvami, ako napríklad vzácne plyny hélium, neón a argón, nie sú magnetické. Väčšina atómov s konečne veľkou atomárnou magnetkou však túto magnetku stratí, ak sú chemicky naviazané v látkach. Takzvané magnetické atómy, ako napríklad železo, kobalt a nikel, však svoju atomárnu magnetku obvykle nestrácajú ani v zlúčeninách.
To však neznamená, že ak látka obsahuje magnetické atómy, musí byť zaručene magnetická. Napríklad železo je magnetické iba pri teplotách nižších než 770o C a kobalt pri teplotách pod 1 121o C . Tieto teploty nazývame kritickými. Ak by sme ihlu kompasu vyhriali nad jej kritickú teplotu, prestala by nám ukazovať sever.
Aká zmena sa teda odohráva v systéme atomárnych magnetiek pri kritickej teplote, keď jej výsledkom je taká dramatická zmena správania magnetickej ihly? Veď základné stavebné kamene magnetu, t. j. atomárne magnetky, zostávajú pri tejto teplote neporušené. Navyše, železo pri teplote 770o C ešte nie je kvapalné, teda jeho atómy ešte stále vytvárajú pravidelnú mriežku.
Odpoveďou je, že pri kritickej teplote nastáva takzvaný fázový prechod, čiže akási zmena skupenstva magnetiek, ktorá sa podobá na zmenu skupenstva molekúl vody pri jej premene z vodnej pary na ľad. Vo vodnej pare sa molekuly vody pohybujú viac-menej chaotickým spôsobom, kým v ľade sú tie isté molekuly zamrznuté v pravidelnom usporiadaní. Podobne v magnete nad kritickou teplotou sú atomárne magnetky ponatáčané náhodnými smermi, kým pod kritickou teplotou začne medzi natočeniami magnetiek prevládať jeden smer – smer celkového zmagnetizovania vzorky. V tesnej blízkosti kritickej teploty je týmto smerom orientovaná len malá časť magnetiek, ale pri ďalšom znižovaní teploty pribúdajú rovnako natočené magnetky, až pri absolútnej nule teploty sú všetky magnetky orientované jedným smerom.
Aby v skúmanej látke mohlo vzniknúť magnetické usporiadanie, musia medzi atomárnymi magnetkami pôsobiť sily, ktoré ich natáčajú navzájom rovnobežne. Zdalo by sa, že sila medzi magnetkami musí súvisieť s magnetickými poľami, ktoré tieto magnetky vytvárajú. Ak však smer jednej magnetky fixujeme a s druhou magnetkou sa pohybujeme v magnetickom poli tej prvej, natočenie druhej magnetky sa bude meniť od miesta k miestu. Magnetické sily teda nevysvetľujú rovnobežné usporiadanie atomárnych magnetiek.
Pri konečnej teplote na atomárne magnetky navyše pôsobia okrem magnetických síl aj náhodne orientované tepelné sily, ktoré pôsobia proti usporiadaniu. Už pri izbovej teplote sú tepelné sily, ktorých veľkosť pri zvyšovaní teploty ešte rastie, omnoho väčšie, než magnetické sily. Dá sa však ukázať, že medzi susednými magnetkami okrem magnetických a tepelných síl pôsobia aj podstatne väčšie sily celkom inej povahy, ktorých vysvetlenie opäť podáva až kvantová mechanika. Tieto sily sú zodpovedné za rovnobežné usporiadanie atomárnych magnetiek a ich veľkosť je v zhode s pozorovanými kritickými teplotami magnetov. .ako funguje kompas
Prečo sa však ihla so zamrznutými magnetkami v magnetickom poli Zeme natočí, kým ihla s neusporiadanými magnetkami sa nenatočí? Veď magnetické pole Zeme pôsobí v obidvoch prípadoch na jednotlivé atomárne magnetky rovnako!
Pomôžeme si analógiou s molekulami vody. Najprv si treba uvedomiť, že ak chceme otočiť jedinú molekulu vody v kryštáli ľadu a ak pritom chceme ponechať väzby medzi molekulami nezmenené, potom musíme zároveň otočiť celý kryštál. Keby sme totiž otočili iba jednu molekulu, potom by sme kryštál v jej okolí museli zdeformovať. Ak teda pôsobíme na jedinú molekulu alebo skupinu blízkych molekúl, môžeme kryštálom pohnúť ako celkom. Tú vlastnosť nazývame tuhosťou a využil ju každý, kto pracoval s lopatou. Na druhej strane, vo vodnej pare nie je nič ľahšie ako natočiť molekulu vody daným smerom, pretože s výnimkou najbližšieho okolia otočenej molekuly sú ostatné molekuly k natočeniu tejto molekuly ľahostajné. Vodná para teda nie je tuhá, čo sa prejavuje okrem iného aj tak, že lopata sa z nej vyrobiť nedá.
Vráťme sa však k natáčaniu ihly kompasu. Ak je teplota nižšia ako kritická teplota ihly, potom magnetické pole Zeme musí všetky zamrznuté atomárne magnetky otočiť naraz, ako keby išlo o otočenie tuhého telesa. Natočenie magnetiek je však síce malou, ale konečnou väzbou naviazané na natočenie kryštálu, preto výsledkom pôsobenia zemského magnetického poľa bude otočenie ihly – kompas funguje. Ak je však teplota vyššia ako kritická teplota ihly, potom náhodne orientované tepelné sily sú omnoho väčšie ako pôsobenie slabého magnetického poľa Zeme a iba zanedbateľne malá časť magnetiek sa natočí do smeru zemského magnetického poľa. Preto aj sila pôsobiaca na kryštál bude natoľko slabá, že ihla ako celok sa do smeru poľa nenatočí. V takomto prípade si teda ihla funkciu kompasu neplní.
Ak teda chceme kompas odmagnetizovať, najjednoduchšie je vyhriať ho nad jeho kritickú teplotu. Zaujímavé pritom je, že po spätnom schladení pod kritickú teplotu sa kompas obvykle nezmagnetizuje. Ako je to možné?
Presnejším skúmaním by sme zistili, že po takomto schladení vzniknú v kompase tzv. magnetické domény. Ide o magneticky usporiadané oblasti obsahujúce miliardy magnetiek, ktoré sú však navzájom ponatáčané tak, aby kompas vytváral vo svojom okolí čo najmenšie magnetické pole. Magnet s takýmito doménami sa potom navonok javí, akoby vôbec nebol magnetický.
Aby sme kompas opäť zmagnetizovali, musíme ho vložiť do dostatočne silného vonkajšieho magnetického poľa, ktoré všetky magnetické domény natočí jedným smerom. Tým spôsobom sa napríklad prepisuje informácia v pevných diskoch počítačov. Mimochodom, niečo veľmi podobné zrejme pozorovala už v roku 1681 posádka istej lode smerujúcej do Bostonu: do lode udrel blesk a ním vyvolaný magnetický impulz vymenil severný pól kompasu s južným. Skúsení námorníci však magnet otočili a do Bostonu napokon trafili.
A poučenie? Možno aj vás v detstve vystríhali, že s magnetom sa nemáte hrať pri hodinkách, lebo ich zmagnetizujete. Ak sa vám to predsa podarí, potom by teoreticky malo pomôcť, ak také znehodnotené hodinky vyhrejete nad 770 °C. Autor je fyzik.
Aká sila však poháňa elektrické prúdy vnútri kompasu? Ihla kompasu je predsa obvykle vyrobená zo železa a v jej vnútri žiadna látka neprúdi. Teda v kompase nie je ukryté žiadne dynamo. A ak sme aj v procese zmagnetizovania ihly rozbehli v jej vnútri nejaké elektrické prúdy, v dôsledku trenia by sa ihla mala zahrievať, elektrické prúdy by sa mali spomaľovať a magnetizmus ihly by mal slabnúť. Nič také sa však nepozoruje. Ako je možné, že magnetizmus železa časom nezoslabne? .zamrznuté magnetky
Podľa kvantovej mechaniky je magnetizmus látok možný aj bez vnútorných elektrických prúdov, pretože každý elektrón sa správa ako magnetka, ktorá je síce maličká, ale v čase nemenná. Magnetky jednotlivých elektrónov sa v atómoch skladajú a vytvárajú atomárne magnetky, ktorých veľkosť pomerne komplikovaným spôsobom závisí od počtu elektrónov v atóme. Napríklad atómy s nepárnym počtom elektrónov majú konečne veľkú atomárnu magnetku, kým atómy s úplne zaplnenými elektrónovými vrstvami, ako napríklad vzácne plyny hélium, neón a argón, nie sú magnetické. Väčšina atómov s konečne veľkou atomárnou magnetkou však túto magnetku stratí, ak sú chemicky naviazané v látkach. Takzvané magnetické atómy, ako napríklad železo, kobalt a nikel, však svoju atomárnu magnetku obvykle nestrácajú ani v zlúčeninách.
To však neznamená, že ak látka obsahuje magnetické atómy, musí byť zaručene magnetická. Napríklad železo je magnetické iba pri teplotách nižších než 770o C a kobalt pri teplotách pod 1 121o C . Tieto teploty nazývame kritickými. Ak by sme ihlu kompasu vyhriali nad jej kritickú teplotu, prestala by nám ukazovať sever.
Aká zmena sa teda odohráva v systéme atomárnych magnetiek pri kritickej teplote, keď jej výsledkom je taká dramatická zmena správania magnetickej ihly? Veď základné stavebné kamene magnetu, t. j. atomárne magnetky, zostávajú pri tejto teplote neporušené. Navyše, železo pri teplote 770o C ešte nie je kvapalné, teda jeho atómy ešte stále vytvárajú pravidelnú mriežku.
Odpoveďou je, že pri kritickej teplote nastáva takzvaný fázový prechod, čiže akási zmena skupenstva magnetiek, ktorá sa podobá na zmenu skupenstva molekúl vody pri jej premene z vodnej pary na ľad. Vo vodnej pare sa molekuly vody pohybujú viac-menej chaotickým spôsobom, kým v ľade sú tie isté molekuly zamrznuté v pravidelnom usporiadaní. Podobne v magnete nad kritickou teplotou sú atomárne magnetky ponatáčané náhodnými smermi, kým pod kritickou teplotou začne medzi natočeniami magnetiek prevládať jeden smer – smer celkového zmagnetizovania vzorky. V tesnej blízkosti kritickej teploty je týmto smerom orientovaná len malá časť magnetiek, ale pri ďalšom znižovaní teploty pribúdajú rovnako natočené magnetky, až pri absolútnej nule teploty sú všetky magnetky orientované jedným smerom.
Aby v skúmanej látke mohlo vzniknúť magnetické usporiadanie, musia medzi atomárnymi magnetkami pôsobiť sily, ktoré ich natáčajú navzájom rovnobežne. Zdalo by sa, že sila medzi magnetkami musí súvisieť s magnetickými poľami, ktoré tieto magnetky vytvárajú. Ak však smer jednej magnetky fixujeme a s druhou magnetkou sa pohybujeme v magnetickom poli tej prvej, natočenie druhej magnetky sa bude meniť od miesta k miestu. Magnetické sily teda nevysvetľujú rovnobežné usporiadanie atomárnych magnetiek.
Pri konečnej teplote na atomárne magnetky navyše pôsobia okrem magnetických síl aj náhodne orientované tepelné sily, ktoré pôsobia proti usporiadaniu. Už pri izbovej teplote sú tepelné sily, ktorých veľkosť pri zvyšovaní teploty ešte rastie, omnoho väčšie, než magnetické sily. Dá sa však ukázať, že medzi susednými magnetkami okrem magnetických a tepelných síl pôsobia aj podstatne väčšie sily celkom inej povahy, ktorých vysvetlenie opäť podáva až kvantová mechanika. Tieto sily sú zodpovedné za rovnobežné usporiadanie atomárnych magnetiek a ich veľkosť je v zhode s pozorovanými kritickými teplotami magnetov. .ako funguje kompas
Prečo sa však ihla so zamrznutými magnetkami v magnetickom poli Zeme natočí, kým ihla s neusporiadanými magnetkami sa nenatočí? Veď magnetické pole Zeme pôsobí v obidvoch prípadoch na jednotlivé atomárne magnetky rovnako!
Pomôžeme si analógiou s molekulami vody. Najprv si treba uvedomiť, že ak chceme otočiť jedinú molekulu vody v kryštáli ľadu a ak pritom chceme ponechať väzby medzi molekulami nezmenené, potom musíme zároveň otočiť celý kryštál. Keby sme totiž otočili iba jednu molekulu, potom by sme kryštál v jej okolí museli zdeformovať. Ak teda pôsobíme na jedinú molekulu alebo skupinu blízkych molekúl, môžeme kryštálom pohnúť ako celkom. Tú vlastnosť nazývame tuhosťou a využil ju každý, kto pracoval s lopatou. Na druhej strane, vo vodnej pare nie je nič ľahšie ako natočiť molekulu vody daným smerom, pretože s výnimkou najbližšieho okolia otočenej molekuly sú ostatné molekuly k natočeniu tejto molekuly ľahostajné. Vodná para teda nie je tuhá, čo sa prejavuje okrem iného aj tak, že lopata sa z nej vyrobiť nedá.
Vráťme sa však k natáčaniu ihly kompasu. Ak je teplota nižšia ako kritická teplota ihly, potom magnetické pole Zeme musí všetky zamrznuté atomárne magnetky otočiť naraz, ako keby išlo o otočenie tuhého telesa. Natočenie magnetiek je však síce malou, ale konečnou väzbou naviazané na natočenie kryštálu, preto výsledkom pôsobenia zemského magnetického poľa bude otočenie ihly – kompas funguje. Ak je však teplota vyššia ako kritická teplota ihly, potom náhodne orientované tepelné sily sú omnoho väčšie ako pôsobenie slabého magnetického poľa Zeme a iba zanedbateľne malá časť magnetiek sa natočí do smeru zemského magnetického poľa. Preto aj sila pôsobiaca na kryštál bude natoľko slabá, že ihla ako celok sa do smeru poľa nenatočí. V takomto prípade si teda ihla funkciu kompasu neplní.
Ak teda chceme kompas odmagnetizovať, najjednoduchšie je vyhriať ho nad jeho kritickú teplotu. Zaujímavé pritom je, že po spätnom schladení pod kritickú teplotu sa kompas obvykle nezmagnetizuje. Ako je to možné?
Presnejším skúmaním by sme zistili, že po takomto schladení vzniknú v kompase tzv. magnetické domény. Ide o magneticky usporiadané oblasti obsahujúce miliardy magnetiek, ktoré sú však navzájom ponatáčané tak, aby kompas vytváral vo svojom okolí čo najmenšie magnetické pole. Magnet s takýmito doménami sa potom navonok javí, akoby vôbec nebol magnetický.
Aby sme kompas opäť zmagnetizovali, musíme ho vložiť do dostatočne silného vonkajšieho magnetického poľa, ktoré všetky magnetické domény natočí jedným smerom. Tým spôsobom sa napríklad prepisuje informácia v pevných diskoch počítačov. Mimochodom, niečo veľmi podobné zrejme pozorovala už v roku 1681 posádka istej lode smerujúcej do Bostonu: do lode udrel blesk a ním vyvolaný magnetický impulz vymenil severný pól kompasu s južným. Skúsení námorníci však magnet otočili a do Bostonu napokon trafili.
A poučenie? Možno aj vás v detstve vystríhali, že s magnetom sa nemáte hrať pri hodinkách, lebo ich zmagnetizujete. Ak sa vám to predsa podarí, potom by teoreticky malo pomôcť, ak také znehodnotené hodinky vyhrejete nad 770 °C. Autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.