Magnēts

Šis raksts ir par fiziku. Par orientēšanās sportu skatīt rakstu Magnēts (orientēšanās sacensības).

Pakavveida magnēts

Magnēts ir ķermenis, kas spēj radīt ap sevi magnētisko lauku. Šis ķermenis ir magnetizēts un tam piemīt magnētiskais moments, kas arī nosaka šī ķermeņa īpašību radīt ap sevi magnētisko lauku. Magnētus izgatavo no īpašām vielām — feromagnētiķiem, kas novietoti citu magnētu darbības laukā, paši pārvēršas par magnētiem (magnetizējas). Tādas vielas ir elementi Fe (dzelzs), Co (kobalts) un Ni (niķelis), kā arī daudzi sakausējumi.

Ne visi magnēti ir vienādi pēc to īpašībām un uzbūves. Dabiskie magnēti ir sastopami dabā magnētisko rūdu iegulumu veidā. Tartu Universitātē atrodas pats lielākais zināmais dabiskais magnēts. Tā masa ir 13 kilogrami, un šis magnēts ir spējīgs pacelt 40 kilogramus lielu smagumu. Mākslīgie magnēti ir magnēti, ko ir radījuši cilvēki uz atšķirīgas feromagnētiķu bāzes. Eksistē divu dažādu veidu mākslīgie magnēti - pastāvīgie un elektromagnēti. Pastāvīgie magnēti ir neelektrizēti ķermeņi, kas izgatavoti no cietiem materiāliem un šo magnētu īpašības nav saistītas ar ārējo avotu vai strāvas izmantošanu. Elektromagnēti kļūst magnētiski tad, kad tiem tiek pievadīta strāva.

Magnētu vēsture

Magnēts ir zināms cilvēkiem jau kopš neatminamiem laikiem. Ziņas par magnētiem un to īpašībām tika aprakstītas Talesa no Milētas un Platona darbos. Pats vārds magnēts radās sakarā ar to, ka grieķi atklāja dabas magnētus vietā, kuru dēvē par Magnēsiju (Tesālijā). Laika gaitā arī ķīnieši atrada šādus dabiskos magnētus, kurus dēvēja par "mīlošajiem akmeņiem". Viņi uzskatīja, ka tie pievelk dzelzi kā maiga māte apskauj savus bērnus. Grieķijā savukārt magnētus dēvēja par "Herkulesa akmeni".
Ķermeņi, kas pievelk dzelzi, cilvēcei bija zināmi pirms vairāk nekā 2000 gadiem. Magnēta puses laika gaitā sāka dēvēt arī par ziemeļu un dienvidu poliem. Jo tika pamanīta viena no magnētu īpašībām - magnēts tievas josliņas formā, novietots uz koka dēlīša, kurš peld ūdenī, pagriežas ar savu vienu galu Zemes ziemeļpola virzienā, bet ar otru Dienvidpola virzienā. Šis novērojums ir saistīts ar kompasa radīšanu. Pirmie kompasi parādījās Ķīnā. Eiropā kompasu sāka lietot no 12. gadsimta.
U. Gilberts publicēja lielu darbu par magnētiem, kurā aprakstīja savu pieredzi sakarā ar magnētiem un to īpašībām. Viņš pirmais nonāca pie slēdziena, ka Zeme pati ir liels lodveida magnēts.

Magnētu un magnētisma fizikālais raksturojums

Magnētisms

Magnētiskais lauks

Fizikā magnētisko lauku definē kā elektronu lādiņu kustību, kas iedarbojas ar spēku uz citiem kustīgiem lādiņiem. Šo lauku katrā punktā raksturo indukcijas vektors ${\vec {B}}$. Vektora B virzienu nosaka labās skrūves likuma — ja, griežot skrūvi pa labo vītni, tā pārvietojas lādiņa kustības virzienā, tad griešanas virziens parāda indukcijas vektora B un tam atbilstošo līniju virzienu — vai pēc labās rokas likuma: ja ar labās rokas plaukstu aptver vadu tā, ka atliektais īkšķis ir virzīts strāvas plūšanas virzienā, tad pārējo četru pirkstu orientācija norāda indukcijas līniju virzienu. Magnētisko indukciju aprēķina pēc Bio — Savāra — Laplasa likuma. Magnētiskās indukcijas mērvienība SI sistēmā ir tesla (T). Ārējā magnētiskā lauka avots ir strāva, kas savukārt atrodas apskatāmās strāvas magnētiskajā laukā. Tāpēc uz šo strāvas elementu arī darbojas Ampēra spēks.

Magnētiskais moments

Vielas magnētiskās īpašības nosaka tās atomu elektronu orbitālie magnētiskie momenti un elektronu spinu magnētiskie momenti. Magnētiskais moments ir lielums, kas raksturo strāvas kontūra vai magnētiķa magnetizāciju un ir vienāds ar kontūrā plūstošās strāvas stipruma un kontūrā ietvērtā laukuma reizinājumu. Ja magnētiskajā laukā ienes kontūru, pa kuru plūst strāva, un kontūrs var brīvi griezties, tas orientējas un ieņem stabilu līdzsvara stāvokli. Lai kontūru izvirzītu par zināmu leņķi no līdzsvara stāvokļa, tam jāpieliek noteikts spēka moments. Kontūra raksturošanai izdevīgi lietot vektoru, ko sauc par strāvas kontūra magnētisko momentu.

Magnetizācija

Ja vielu ievieto ārējā magnētiskā laukā, notiek atomu magnētisko momentu M_at orientācija, un tā rezultātā viela magnetizējas. Magnētisko momentu orientācijas pakāpi raksturo magnetizācijas vektors J, kas skaitliski vienāds ar tilpuma vienības magnētisko momentu.

Magnēta poli

Uz jebkuras no magnēta virsmām atrodas vismaz divas vietas, kuru tuvumā magnētu pievilkšanas spēks ir īpaši liels, tur koncentrējas magnētiskais spēks. Tādas vietas sauc par magnēta poliem. Lai gan abi magnēta poli pievelk ar vienāda lieluma spēku, tomēr polu nosaukumi ir dažādi. Izpētot patstāvīgo magnētu mijiedarbību tika noskaidrots:

• patstāvīgiem magnētiem ir divi poli: ziemeļu un dienvidu,
• vienādie poli (ziemeļpols—ziemeļpols; dienvidpols-dienvidpols) atgrūžas viens no otra, bet dažādie (ziemeļpols-dienvidpols) pievelkas;
• magnēta lauka spēka līnijas ir noslēgtas līknes, tās noslēdzas magnēta iekšpusē;
• ja stieņveida magnētu pārlauž uz pusēm, cenšoties atdalīt magnēta dienvidpolu no tā ziemeļpola, tad tā rezultātā iegūst divus stieņveida magnētus, kur katram ir gan savs ziemeļpols, gan dienvidpols.

Magnētiskās indukcijas līnijas parādītas ar dzelzs skaidiņu palīdzību

Magnētu pielietojums

• Kompass ir navigācijas instruments (aparāts) Zemes debespušu noteikšanai. Kompasa pirmsākumi meklējami senajā Ķīnā, kur tie tika izmantoti apmēram pirms 2000 gadiem. Eiropā kompasu sāka lietot ap 14. gadsimtu. Kompass tiek pielietots virziena noteikšanai: kuģim, virszemes transportlīdzeklim; virzienā, kurā iet gājējs; virzieni uz objektiem vai orientieri. Kompasi iedalās divās lielās klasēs: magnētiskie kompasi, kurus lieto tipogrāfi un tūristi, un cita veida kompasos: žirokompass, radiokompass, elektriskais kompass, atronomiskais kompass. Magnētiskais kompass sastāv no kompasa kārbiņas, diska ar skalu (no 0 grādiem līdz 360 grādiem), un no magnetizētas adatas, kura ir nolīdzsvarota un brīvi griežas.

Skatīt arī

• Kompass
• Magnētiskais lauks