Magnetid on üks tavalisemaid „tööriistu“, mida oma igapäevaeludes kohtame ja kasutame, kuid sageli isegi ei märka. Vaata näiteks oma külmkapi ust – see püsib kinni tänu magnetismile. Mõtle oma kõrvaklappidele või arvuti kõlarile – needki on töös tänu magnetitele. Või näiteks elektrilised aknad autos – ka nende tööpõhimõtte taga on magnetilised materjalid.
Magnetid on sõna otseses mõttes kõikjal. Elekter, magnetism ning magnetväli on ühed kasulikemad nähtused, mida me loodusteaduses tunneme. Ilma nendeta ei töötaks suur osa asju, mida me enesestmõistetavaks peame.
Kui korraks peatuda ja sellele pikemalt mõelda, siis kas pole mitte hämmastav, et üks metallitükk saab teist liigutada läbi nähtamatu jõu? Ja kas poe mitte äge, et see võluväena näiv „trikk“ on tegelikult täiesti seletatav teaduslik nähtus?
Tõepoolest, magnetism on midagi erakordset. Võime, millega üks kehake või aine suudab teist liigutada läbi tühjuse, ilma igasuguse otsese kontakti või nähtava sidemeta kõlab ulmeliselt. Ometi on see reaalne ja seletatav nähtus, mille juured ulatuvad aatomite sisemusse ja elektrilaengute liikumisse.
Et paremini mõista, kuidas see kõik toimib, vaatame lähemalt, mis on magnetism, kuidas tekib magnetväli ning miks magnetid meid iga päev ümbritsevad.
Mis täpsemalt on magnetism?
Magnetism on jõud, mille abil magnetilised materjalid tõmbavad või tõukavad teisi magnetilisi materjale. See on ühtlasi ka kõige tavalisem viis, kuidas me magnetismi toimimist igapäevaelus näeme.
Just see teebki magnetid nii huvitavaks ja samas praktiliseks. Magnetjõud on kontaktivaba jõud, mis tähendab, et magnetilised kehad ei pea teineteist puudutama, et mõju avaldada.
See aga ei tähenda, et tegemist oleks maagiaga. Tegelikkuses on nende jõudude taga protsessid, mis toimuvad mikroskoopilisel tasemel, meie silmale nähtamatul skaalal. Ja selles mõõtmes on kõik pidevas liikumises.
Magnetjõu tekitajateks on kaks nähtust just sellel väikesel tasemel: esiteks osakeste ja aatomite magnetmoment ning teiseks elektrivool.
Magnetmoment ja elektronid
Kui liigume mikroskoopilisel tasemel aatomi sisemusse, siis seal on keskseks tegelaseks elektron. See on aine üks subatomaarsetest osakestest.
Elektronid liiguvad ehk „keerlevad“ aatomituuma ümber. Igal elektronil on negatiivne elektrilaeng ning samuti omadus, mida nimetatake spinniks. Elektroni spinn on see, mis tekitab magnetmomendi. See on justkui tilluke magnet igas elektronis.
Tavaliselt moodustavad elektronid paare, mille spinnid on vastassuunalised. Sellisel juhul kompenseerivad nende magnetmomendid üksteist ja tulemuseks on aine, millel ei väljendu magnetilisi omadusi.
Loodus „eelistab“ eelkõige stabiilsust, mistõttu tasakaalus elektronide korral on magnetism harvaesinev. Vastasel juhul oleks kogu universum täis magnetilisi kehi, mis oleks üsna ebamugav.
Mõnikord on aines siiski paaristumata elektronid. Kuid isegi sel juhul ei tähenda see veel automaatselt, et aine oleks magnetiline, kuna määrava tähtsusega on ka see, kas nende magnetmomendid on samas suunas joondunud.
Meile tuttav magnetism, kus magnetil on selgelt eristatav põhja- ja lõunapoolus, tekib siis, kui elektronide magnetmomendid on kõik ühes suunas joondunud. Ainult sellisel juhul on aine magnetväli piisavalt tugev, et see avaldaks tajutavat mõju.
Elekter, magnetism ja elektromagnetid
Nagu juba mainitud, on olemas kaks magnetismi allikat. Üks neist on elektronide magnetmoment ja nende joondumine, teine on elektrivool.
Elektrivool tekitab magnetvälja, kuna elekter on sisuliselt elektronide liikumine läbi materjali. Selle liikumise käigus joonduvad elektronid ühtlaselt ning just see liikumine loob juhtme ümber magnetvälja.
Seda nähtust kasutatakse ära elektromagnetites. Need on tugeva mõjuga magnetid, mis töötavad elektrivoolu abil. Tõenäoliselt oled seda mõistet juba varem kuskil kuulnud või õppinud. Nagu paljusid teisi elektriseadmeid, saab ka elektromagnetit sisse ja välja lülitada, mis muudab selle eriti kasulikuks näiteks tööstusvaldkonnas.
Kui võtta magnetiline materjal ja kerida selle ümber traat, mille kaudu juhitakse elektrivool, muutub kogu mähis magnetiliseks. Elektronide liikumine tekitab magnetvälja, mis koondub traadikerise ehk solenoidi sisse.
Niipea kui vool katkeb, kaob ka magnetväli ning solenoid lakkab olemast magnet. Selline sisse ja välja lülitatav magnetväli ongi üks elektromagnetismi peamiseid praktilisi nähtuseid.
Mis on magnetväli?
Me teame, et magnetid tõmbavad ligi või tõukavad eemale esemeid, mis on magnetilisele jõule vastuvõtlikud.
Ent palju olulisem on küsimus, mis tegelikult toimub kahe magnetilise objekti vahel. See ala magneti ümber, kus tema mõju avaldub, ongi magnetväli. See on nähtamatu jõuväli, mis tekib elektronide korrastatud paigutuse ja liikumise tulemusel aines.
Oled ilmselt varem näinud magnetvälja skeemi või joonist, kust on näha, et magnetitel on alati kaks poolust – põhjapoolus ja lõunapoolus – ning nende vahel kujutatakse magnetvälja jooni.
Need jooned näitavad magnetvoogu, mis alati väljub magneti põhjapoolusest ja liigub lõunapoolusesse. Mida tihedamalt need jooned paiknevad, seda tugevam on magnetväli. Ja muide, need jooned ei ristu omavahel mitte kunagi.
Magnetväli päriselus: rauaviilmete katse
Üks parimaid viise magnetvälja toimet oma silmaga näha on lihtne katse rauaviilmetega.
Selleks vajad püsimagnetit (ehk magnetit, millel on püsiv magnetväli) ja peotäit väikeseid rauaviilmeid, mis sisuliselt on peen rauapuru. Kui need püsimagneti ümber puistad, joonduvad viilmed vastavalt magnetväljale ja moodustavad nähtava kujundi, mis järgib magnetvälja jooni.
Tulemus on efektne ja annab selge ettekujutuse sellest, millise kujuga on magnetväli tegelikult.
Erinevat tüüpi magnetid ja magnetism
Tõenäoliselt on sul juba välja kujunenud arusaam, et kõik magnetid ei ole ühesugused. Me teame, et on olemas nii elektromagnetiline jõud kui ka niinimetatud „tavalised“ magnetid, mida võib tihti näha mõnes absurdsevõitu multifilmis. Seega võime üsna kindlalt eeldada, et magnetismil on mitmeid erinevaid vorme. Oleme näiteks juba maininud üht neist – püsimagnet.
Teadlased armastavad nähtusi liigitada ja süstematiseerida. Selleks et magnetismist paremini aru saada, tasub ka meil need erinevused selgeks teha.
Diamagnetism
Alustame diamagnetismist. See on magnetismi vorm, mis esineb igas aines kogu aeg, kuid ei väljendu meile tuntud kujul. Diamagneetiline aine sisaldab ainult paaristunud elektrone.
Kui diamagnetiline aine satub paramagnetiliste või ferromagnetiliste ainete lähedusse, siis selle nõrg magnetiline efekt jääb teiste mõjude varju.
Paramagnetism
Paramagnetilised ained on need, mis tõmbuvad nõrgalt mistahes välise magnetvälja suunas, millega nad kokku puutuvad.
Enamik keemilisi ühendeid on paramagnetilised, sest neis leidub paaristumata elektrone. Siia hulka kuulub isegi selline tundud element nagu hapnik, mis võib esmapilgul üllatav tunduda. Paramagnetilises aines joonduvad vabad elektronid välise magnetväljaga, mis tulemusena tekib ajutine magnetiline mõju.
Ferromagnetism
Ferromagnetilised ained on need, mida me tavaliselt ette kujutame, kui me mõtleme magnetite peale.
Neis on samuti paaristumata elektronid, kuid erinevalt paramagnetilisest ainest joonduvad need elektronid spontaanselt, ilma välise magnetvälja mõjuta. Selle tõttu säilivad ferromagnetiliste ainete magnetilised omadused ka iseseisvalt, isegi kui eemaldada nad välise magnetvälja mõju alt.
Tüüpilised ferromagnetilised materjalid on näiteks raud (millest ka kategooria nimetus „ferro“ tuletatud on), nikkel ja koobalt.
Püsimagnetid ja ajutised magnetid
Mõisted püsimagnet ja ajutine magnet on magnetismi teemal üsna levinud. Nende tähendus ja erinevus on üsna lihtsasti mõistetav.
Püsimagnetid on tavaliselt ferromagnetilised ained, mis säilitavad oma magnetilised omadused ka siis, kui nad ei ole välisest magnetväljast mõjutatud. Nende elektronide magnetilised momendid püsivad joondunult ka iseseisvalt.
Kui ferromagnetilist ainet kuumutada, võib see oma magnetilised omadused kaotada. Soojus suurendab aatomite sisemist liikumist, mistõttu elektronide joondumine on raskendatud.
Ajutised magnetid on seevastu paramagneetilised ained, mis muutuvad magnetiliseks ainult välise magnetvälja mõjul. Näiteks kirjaklamber – ta ei ole iseenesest magnetiline, kuid ta reageerib magnetile ja tõmbub selle poole.
Tänu sellele, et magnetismi saab tekitada, juhtida ja muundada, on võimalik arendada väga pratilisi tehnoloogiaid. Üks olulisemaid neist on transformaator, mis on seade, mis võimaldab elektrivoolu pinget muuta. Trafod toimivad elektromagnetismi põhimõttel.
Maa magnetväli
Sa ilmselt juba tead, et Maal on oma magnetväli. Just see on põhjuseks, miks ka magnetite puhul räägitakse põhja- ja lõunapoolustest.
Tegelikult on kogu planeet Maa magnetiline, ja see on ka põhjus, miks kompassid töötavad. Kui võtaksid peotäie mulda, ei oleks see iseenesest magnetiline, kuid Maa tohutu suurus ja koostis tekitab planeedi suurima magnetvälja.
Miks see nii on? Tõtt-öelda pole teadlased selles päris üksmeelele jõudnud. Arvatakse, et Maa magnetväli tekib tänu konvektsioonivooludele planeedi vedelas tuumas, mis koosneb peamiselt rauast ja niklist. Metallide liikumine tekitab elektrivoolu, mis omakorda loobki tugeva magnetvälja.
See on ka põhjus, miks taevasse ilmuvad virmalised. Kui päikeselt lähtuvad laetud osakesed kohtuvad Maa magnetväljaga, suunatakse need polaaraladel atmosfääri ülemistesse kihtidesse. Seal nad põrkuvad õhumolekulidega ning see tekitab helenduse optilise efekti, mida tunneme virmalistena ehk aurora borealis põhjapoolkeral ja aurora australis lõunapoolkeral.
Maa magnetväli kaitseb meid kosmilise kiirguse eest ning mängib olulist rolli ka selles, kuidas me elektrit toodame. Nähtust, mille käigus muutuv magnetväli tekitab elektrivoolu, nimetatakse elektromagnetiliseks induktsiooniks.
Magnetism on nähtamatu, et võimas jõud, mis mängib rolli igas nutiseadmes, kodumasinas ja isegi Maa enda tasakaalus. See on üks looduse salapärasemaid, aga ka kõige praktilisemaid jõude.
Kas sulle meeldis see artikkel? Jäta hinnang
Laadin...
