Ako funguje magnet?

Keď priblížite magnet k lyžičke, pritiahne ju – hoci sa jej ani nedotkne. Táto schopnosť pôsobiť na diaľku je dôsledkom magnetického poľa, ktoré magnet vytvára okolo seba. Práve vďaka nemu magnet priťahuje alebo odpudzuje iné magnety a pôsobí na feromagnetické materiály (napr. železo či bežnú oceľ).

---

Magnetické pole je neviditeľné, avšak dá sa znázorniť pomocou kovových pilín. Ak magnet položíme pod papier a nasypeme naň piliny, samovoľne sa usporiadajú do charakteristických línií. Tie zodpovedajú tzv. siločiaram magnetického poľa, ktoré znázorňujú jeho smer a relatívnu intenzitu. Čím sú siločiary hustejšie, tým je magnetické pole v danom mieste silnejšie [00:23].

Všimnite si, že magnetické siločiary vychádzajú z jedného konca magnetu a vstupujú do opačného, čím majú určený smer. Zároveň tvoria uzavreté slučky – vždy sa uzatvárajú samy do seba a vytvárajú súvislý okruh. Miesto, kde magnetické siločiary z magnetu vystupujú, a miesto, kde doň vstupujú, nazývame póly magnetu:

• zo severného pólu (N) siločiary vychádzajú,
• do južného pólu (S) siločiary vstupujú.

Práve toto smerovanie a uzatváranie magnetických siločiar spolu so snahou poľa usporiadať sa čo najplynulejšie a energeticky najvýhodnejšie vysvetľuje správanie dvoch magnetov v tesnej blízkosti.

Hoci by si každý magnet mohol svoje siločiare uzavrieť aj „sám do seba“, ak sa v jeho blízkosti nachádza opačný pól iného magnetu, pole uprednostní plynulejšiu a enrgeticky výhodnejšiu cestu siločiar. Preto sa pri opačných póloch (N–S) siločiary prepoja medzi magnetmi a vytvoria jedno spoločné magnetické pole. Výsledkom je priťahovanie.

Naopak, keď sú oproti sebe rovnaké póly (N–N alebo S–S), siločiary sa nemôžu plynulo prepojiť – smerovali by proti sebe. Takéto usporiadanie je energeticky nevýhodné, a preto sa magnetické pole vytláča do okolia. Toto „rozpínanie“ poľa sa navonok prejaví ako odpudzovanie magnetov.

Možno vás napadne otázka: dá sa z magnetu získať iba severný alebo iba južný pól? Nie. „Pól“ nie je časť magnetu, ktorú by ste vedeli odobrať – je to len miesto, kde magnetické siločiary z magnetu vystupujú, a miesto, kde doň vstupujú. Keďže magnetické pole magnetu tvorí uzavreté slučky, vždy musí existovať výstup aj vstup.

Preto keď magnet rozrežete, neodrežete severný pól od južného. Magnetické pole sa v každej časti znovu usporiada tak, aby vytvorilo uzavreté slučky – a tým vzniknú dva nové páry miest výstupu a vstupu. Výsledkom sú dva menšie magnety, každý opäť so svojím severným aj južným pólom. A tento princíp platí aj pri delení na stále menšie časti, samostatný „jeden pól“ sa neobjaví.

Už vieme, že póly sú vždy dva. Odkiaľ sa však berie magnetické pole ako také? Odpoveď musíme hľadať na úrovni atómov – v elektrónoch, ich spine a v tom, ako sa ich magnetické účinky v atómoch (a medzi atómami) navzájom sčítajú alebo vyrušujú. Práve to rozhoduje o tom, či je materiál pritiahnuteľný magnetom, či sa dokáže usporiadať tak, že sa z neho stane magnet s vlastným magnetickým poľom – alebo či je jeho reakcia na magnetické pole taká slabá, že ju v bežnom živote prakticky nepostrehneme.

---

Aby sme pochopili, odkiaľ sa berie magnetické pole, musíme sa pozrieť na úroveň atómov. V strede atómu je jadro, tvorené kladne nabitými protónmi a elektricky neutrálnymi neutrónmi. Okolo jadra sa nachádzajú elektróny so záporným nábojom.

Vieme, že elektróny, protóny a neutróny majú svoju hmotnosť. Protóny a elektróny majú elektrický náboj. Majú tieto častice ešte nejakú ďalšiu vlastnosť?

Áno, existuje jedna, ktorá je pre magnetizmus absolútne zásadná, aj keď sa o nej veľmi nehovorí. Nazýva sa spin.

Spin je čisto kvantová vlastnosť, ktorá nemá obdobu v klasickej fyzike. Jeho dôsledkom je, že elementárne častice majú magnetický moment, teda magnetický účinok. Laicky si ich preto môžeme predstaviť ako drobné magnety.

Spin majú všetky elementárne častice, ale u elektrónov je jeho magnetický vplyv najvýraznejší. Preto sú elektróny z pohľadu magnetizmu kľúčové.

Spin elektrónu je teda hlavným príspevkom k magnetizmu atómu, nie však jediným. Keď sa elektrón pohybuje okolo jadra, správa sa ako drobný elektrický prúd – a každý prúd vytvára magnetické pole. Toto pole je druhým príspevkom do magnetizmu atómu a nazýva sa orbitálne magnetické pole.

Môže sa preto zdať, že každý atóm musí byť magnetický – elektróny majú magnetický moment daný spinom a zároveň sa pohybujú v atóme, čím vytvárajú aj orbitálne magnetické pole. Zdanlivo by teda mal byť magnetický každý atóm, a tým pádom aj každý materiál, ktorý je z takýchto atómov zložený.

V skutočnosti to však takto jednoduché nie je. V mnohých atómoch sa magnetické účinky elektrónov navzájom vyrušia, takže atóm ako celok nemá žiadny výsledný magnetický moment. A aj v prípadoch, keď jednotlivé atómy magnetický moment majú, to ešte neznamená, že materiál bude navonok magnetický – buď ako magnet, alebo tým, že bude na magnetické pole citeľne reagovať.

---

Na to, aby bol materiál magnetický ako celok, nestačí len to, že elektróny majú spin a vytvárajú magnetické pole. Musí byť splnených niekoľko podmienok na viacerých úrovniach:

1. Priaznivé usporiadanie elektrónov v atóme – aby mal atóm magnetický moment, typicky vďaka prítomnosti nepárových elektrónov.
2. Priaznivé vzájomné usporiadanie atómov v pevnej látke – aby sa magnetické momenty susedných atómov dokázali navzájom zladiť a umožnili vznik magnetických domén.
3. Priaznivé usporiadanie a správanie magnetických domén – aby sa materiál navonok správal ako magnet.

Pozrime sa na jednotlivé podmienky podrobnejšie:

1. Priaznivé usporiadanie elektrónov v atóme

Elektróny sa v atóme nachádzajú v tzv. orbitáloch a jeden orbitál môže byť obsadený najviac dvoma elektrónmi. Ak sú v orbitáli dva elektróny, majú opačné spiny, a ich magnetické účinky sa preto do veľkej miery navzájom vyrušia. Podobne sa môžu vyrušiť aj príspevky súvisiace s ich pohybom v atóme.

Plne obsadený orbitál tak spravidla neprispieva k celkovému magnetizmu atómu. Aby mohol atóm k magnetizmu prispieť, musí mať aspoň jeden nepárový elektrón – teda elektrón, ktorý je v orbitáli sám.

2. Priaznivé vzájomné usporiadanie atómov v pevnej látke

Samotná prítomnosť nepárových elektrónov a magnetický účinok jednotlivých atómov však ešte nestačia na to, aby sa materiál ako celok správal ako magnet.

Je to z dôvodu, že vplyv na magnetizmus materiálu ako celku má aj usporiadanie atómov v pevnej látke. V niektorých materiáloch sa magnetické momenty susedných atómov dokážu zlaďovať do rovnakého smeru, čo je pre systém energeticky výhodné. V iných materiáloch sa naopak tieto momenty neusporiadajú jednotne a výsledkom je, že materiál ako celok magnetický nie je.

3. Priaznivé usporiadanie a správanie magnetických domén

Aj keď sa magnetické momenty atómov v materiáli dokážu zlaďovať, bežne sa nezoradia jednotne v celom objeme materiálu. Namiesto toho sa zlaďujú len lokálne – v menších oblastiach, ktoré nazývame magnetické domény.

Každý kus materiálu sa zvyčajne skladá z mnohých takýchto domén. V rámci jednej domény sú magnetické momenty atómov natočené rovnakým smerom, no jednotlivé domény môžu byť orientované rôzne. Ich magnetické účinky sa preto môžu navzájom rušiť.

Napríklad v bežnom kuse železa existuje veľa domén, ktoré sú orientované rôzne. Ich účinky sa preto navzájom vyrušia a železo navonok pôsobí ako nemagnetické. Až keď sa železo dostane do vonkajšieho magnetického poľa (napríklad v blízkosti magnetu alebo v poli vytvorenom elektrickým prúdom), domény sa môžu preskupovať a začať sa orientovať jednotnejšie. Až vtedy sa z materiálu stáva magnet.

---

V predchádzajúcej časti sme videli, že o magnetizme materiálu rozhoduje správanie magnetických domén. Teraz prichádza dôležitá otázka: čo sa stane, keď vonkajšie magnetické pole zmizne?

Rozdiel medzi materiálmi je v tom, ako pevne sú domény „viazané“ vo vnútornej (kryštálovej) štruktúre materiálu a ako ľahko sa po odstránení poľa dokážu vrátiť do pôvodného usporiadania.

Materiály, v ktorých sa domény po odstránení poľa ľahko vrátia do pôvodného neusporiadaného stavu, nazývame magneticky mäkké. Naopak materiály, v ktorých sú domény pevnejšie „ukotvené“, takže ak sa raz usporiadajú, dokážu si toto usporiadanie udržať aj bez vonkajšieho poľa, označujeme ako magneticky tvrdé.

---

Permanentný magnet je magneticky tvrdý materiál, ktorý bol zmagnetizovaný – jeho domény sa usporiadali a po odstránení vonkajšieho poľa sa nevracajú spontánne do neusporiadaného stavu. Preto si dokáže dlhodobo udržať vlastné magnetické pole.

Na výrobu silných permanentných magnetov sa používajú špeciálne materiály a zliatiny, napríklad na báze neodýmu, železa a bóru.

Pozrite si video pre ešte lepšie pochopenie – názorné vizualizácie a konkrétne príklady, ktoré vám magnetizmus rýchlo ujasnia.