Magnetismus

Rozbalit box

Obsah boxu

Magnetismus je fyzikální jev, který se projevuje silovým působením na pohybující se elektrické náboje. Je vytvářen pohybem elektrického náboje nebo změnou elektrického pole v čase. Spolu s elektřinou tvoří jeden souhrnný jev: elektromagnetismus, který je jednou ze čtyř základních interakcí ve vesmíru.

Slovo magnetismus pochází z řeckého slova magnétis líthos (μαγνήτης λίθος), což znamená "magnetický kámen". Tento název je odvozen od oblasti Magnésia v Thesálii, kde byla ve starověku nalezena bohatá naleziště magnetitu (Fe₃O₄), nerostu s přirozenými magnetickými vlastnostmi.

Zdrojem magnetického pole může být buď permanentní magnet, nebo elektromagnet (cívka s jádrem, kterou protéká elektrický proud). Magnetické silové působení se nejsilněji projevuje u feromagnetických látek, jako je železo, kobalt a nikl.

🧒 Pro laiky

Představte si magnetismus jako neviditelný tanec maličkých částeček uvnitř některých materiálů, například v kousku železa. Každá tato částečka, zvaná elektron, se chová jako miniaturní magnetická střelka kompasu.

V obyčejném kousku železa: Tyto střelky-elektrony tančí a otáčejí se naprosto chaoticky, každá jiným směrem. Jejich síly se navzájem vyruší, a proto kus železa normálně nic nepřitahuje.
Když přiblížíme magnet: Silný magnet funguje jako zkušený taneční mistr. Jeho neviditelná síla (magnetické pole) přikáže všem malým střelkám v železe, aby se srovnaly a začaly "tančit" stejným směrem. Najednou se jejich síly sečtou a z kousku železa se stane dočasný magnet, který se přitáhne k tomu silnému.
U permanentního magnetu: V materiálech, jako je magnetit nebo speciální slitiny, jsou tyto vnitřní střelky "ukázněné" a srovnané trvale. Proto si udržují svou magnetickou sílu neustále a mohou přitahovat jiné předměty.

Magnetismus je tedy týmová práce obrovského množství nepatrných částic, které se uvnitř látky domluví a začnou působit společnou silou jedním směrem.

⏳ Historie

Historie magnetismu sahá až do starověku. První pozorování tohoto jevu jsou spojena s objevem minerálu magnetitu, známého také jako magnetovec.

Starověk (cca 600 př. n. l.): Řecký filozof Thales z Milétu jako jeden z prvních popsal přitažlivé síly magnetitu na železo. Nezávisle na Řecku byl magnetismus znám i ve starověké Číně, kde byl kolem 4. století př. n. l. vynalezen první primitivní kompas, který využíval magnetovec pro určování světových stran.
17. století: Anglický lékař a fyzik William Gilbert položil základy moderní vědy o magnetismu. Ve svém díle "De Magnete" z roku 1600 systematicky popsal vlastnosti magnetů a jako první správně usoudil, že Země sama o sobě je obrovským magnetem, čímž vysvětlil funkci kompasu.
18. a 19. století – Sjednocení s elektřinou: Až do 19. století byly elektřina a magnetismus považovány za dva oddělené jevy. Zlom nastal v roce 1820, kdy dánský fyzik Hans Christian Ørsted náhodou zjistil, že elektrický proud procházející vodičem vychyluje střelku kompasu. Na jeho práci navázali André-Marie Ampère, který matematicky formuloval vztah mezi proudem a magnetickým polem, a Michael Faraday, který v roce 1831 objevil elektromagnetickou indukci – jev, kdy proměnné magnetické pole vytváří elektrické napětí.
Vrchol klasické teorie (1865): Skotský fyzik James Clerk Maxwell sjednotil všechny dosavadní poznatky do ucelené teorie elektromagnetického pole, popsané soustavou čtyř diferenciálních rovnic, dnes známých jako Maxwellovy rovnice. Jeho rovnice nejenže popsaly vztah mezi elektřinou a magnetismem, ale také předpověděly existenci elektromagnetických vln šířících se rychlostí světla, čímž odhalil, že světlo je formou elektromagnetického záření.

🔬 Podstata jevu

Základním zdrojem magnetismu je pohyb elektrického náboje. Tento pohyb může mít dvě hlavní formy, které vedou ke vzniku magnetického pole:

1. Makroskopické elektrické proudy: Jakýkoli vodič, kterým protéká elektrický proud (tj. usměrněný tok elektronů), kolem sebe vytváří magnetické pole. To je princip elektromagnetů. 2. Mikroskopické proudy v atomech: Magnetické vlastnosti materiálů jsou dány chováním elektronů v jejich atomech. Každý elektron má dvě základní vlastnosti, které přispívají k magnetismu:

   * Orbitální magnetický moment: Elektron obíhající kolem atomového jádra se chová jako miniaturní proudová smyčka a vytváří tak slabé magnetické pole.
   * Spinový magnetický moment: Jedná se o vnitřní kvantově-mechanickou vlastnost elektronu, kterou si lze zjednodušeně představit jako rotaci elektronu kolem vlastní osy. Tento "spin" generuje vlastní magnetický moment a u většiny materiálů je dominantním zdrojem magnetismu.

Celkový magnetický moment atomu je pak dán vektorovým součtem orbitálních a spinových momentů všech jeho elektronů.

Magnetické pole a siločáry

Magnetické pole je prostor v okolí magnetu nebo vodiče s proudem, ve kterém působí magnetické síly. Graficky se znázorňuje pomocí magnetických siločar. Jsou to myšlené křivky, které mají následující vlastnosti:

Jsou vždy uzavřené, nikdy nezačínají ani nekončí. To znamená, že neexistují žádné magnetické "náboje" (monopóly), na rozdíl od elektřiny, kde existují kladné a záporné náboje.
Mimo magnet směřují od severního pólu (N) k jižnímu pólu (S).
Uvnitř magnetu směřují od jižního pólu k severnímu.
Jejich hustota udává sílu magnetického pole – čím jsou hustší, tím je pole silnější.

Elektromagnetismus a Maxwellovy rovnice

Elektromagnetismus je teorie, která popisuje neoddělitelnou souvislost mezi elektrickými a magnetickými jevy. Základem této teorie jsou Maxwellovy rovnice, které shrnují, jak jsou elektrická a magnetická pole generována a jak se navzájem ovlivňují. V zjednodušené podobě říkají:

Elektrické náboje jsou zdrojem elektrického pole.
Neexistují magnetické monopóly (siločáry magnetického pole jsou uzavřené).
Měnící se magnetické pole vytváří elektrické pole (zákon elektromagnetické indukce).
Elektrický proud a měnící se elektrické pole vytvářejí magnetické pole (zobecněný Ampérův zákon).

Tato symetrie ukazuje, že elektřina a magnetismus nejsou dva oddělené jevy, ale dvě stránky jedné mince.

📚 Dělení magnetických látek

Materiály reagují na vnější magnetické pole různými způsoby. Podle jejich chování je dělíme do několika základních skupin:

Diamagnetické látky: Všechny látky vykazují slabý diamagnetismus. Tyto materiály mírně zeslabují vnější magnetické pole a jsou z něj slabě odpuzovány. Tento jev je způsoben změnou orbitálního pohybu elektronů v atomech. Patří sem například voda, měď, zlato, bismut nebo většina organických látek.

Paramagnetické látky: Tyto látky vnější magnetické pole mírně zesilují a jsou do něj slabě přitahovány. Jejich atomy mají permanentní magnetický moment, který se vlivem vnějšího pole částečně uspořádá. Po odstranění pole se uspořádání opět ztratí. Patří sem například hliník, platina, mangan nebo kyslík.

Feromagnetické látky: Jsou to materiály, které vnější magnetické pole mnohonásobně zesilují a jsou k magnetu silně přitahovány. Mají schopnost si udržet magnetizaci i po odstranění vnějšího pole a stát se tak permanentními magnety. To je způsobeno existencí tzv. magnetických domén – oblastí, kde jsou magnetické momenty atomů uspořádány stejným směrem. Vlivem vnějšího pole se tyto domény sjednocují. Mezi feromagnetické prvky patří železo, kobalt, nikl a některé lanthanoidy (např. gadolinium).

Další typy magnetismu:

   * Antiferomagnetismus: Magnetické momenty sousedních atomů jsou orientovány protiběžně a navzájem se vyruší. Celková magnetizace je nulová. Příkladem je chrom nebo oxid manganatý.
   * Ferrimagnetismus: Podobné antiferomagnetismu, ale protiběžně orientované magnetické momenty nemají stejnou velikost. Látka si tak zachovává výslednou magnetizaci. Typickým příkladem jsou ferity (např. magnetit).

🌎 Magnetismus v přírodě

Geomagnetismus

Země se chová jako obrovský magnet, který kolem sebe vytváří magnetické pole, známé také jako geomagnetické pole. Toto pole sahá desítky tisíc kilometrů do vesmíru a tvoří ochrannou oblast zvanou magnetosféra.

Předpokládá se, že zemské magnetické pole je generováno procesem zvaným geodynamo v tekutém vnějším zemském jádře. Proudění roztaveného železa a niklu funguje jako obrovské dynamo, které vytváří elektrické proudy, a ty následně generují magnetické pole.

Magnetické pole Země má zásadní význam pro život:

Ochrana před kosmickým zářením: Magnetosféra odklání většinu slunečního větru – proudu nabitých částic ze Slunce. Bez této ochrany by sluneční vítr postupně "odfoukl" zemskou atmosféru, jak se pravděpodobně stalo na Marsu.
Navigace: Umožňuje fungování kompasů, které se orientují podle siločar magnetického pole.
Orientace živočichů: Mnoho živočichů využívá magnetické pole pro orientaci a navigaci během migrace.

Je důležité poznamenat, že severní magnetický pól Země se nenachází na stejném místě jako severní zeměpisný pól a jeho poloha se neustále mění. Historické záznamy v horninách ukazují, že v minulosti došlo k úplnému přepólování zemského magnetického pole, kdy si severní a jižní pól vyměnily místa. Poslední taková událost nastala přibližně před 780 000 lety.

Biomagnetismus a magnetorecepce

Biomagnetismus je studium magnetických polí produkovaných živými organismy. Tato pole jsou extrémně slabá, ale měřitelná. Vznikají například elektrickou aktivitou v nervové soustavě (např. v mozku nebo srdci).

Magnetorecepce je schopnost některých živočichů vnímat magnetické pole Země a využívat ho k orientaci. Tato schopnost byla pozorována u mnoha druhů, včetně:

Ptáků: Zejména tažní ptáci využívají magnetické pole jako "vnitřní kompas" pro dálkovou navigaci.
Hmyzu: Například včely nebo monarchové stěhovaví.
Mořských živočichů: Mořské želvy, lososi a někteří kytovci se orientují podle magnetického pole v oceánech.
Savců: Výzkumy naznačují, že i někteří savci, jako jsou lišky, skot nebo psi, mohou vnímat magnetické pole.

Mechanismus magnetorecepce není plně objasněn, ale hlavní hypotézy zahrnují přítomnost magnetických krystalů (magnetit) v buňkách nebo kvantové efekty v molekulách (kryptochrom) v oku zvířete.

💡 Využití v praxi

Magnetismus je klíčovou technologií v nesčetných aplikacích, od každodenních předmětů po špičkový vědecký výzkum.

Každodenní život: Magnety na ledničce, kompasy, reproduktory a sluchátka, magnetické proužky na kreditních kartách, dveřní zvonky, hračky.
Průmysl a doprava: Elektromotory a generátory jsou základem většiny průmyslových zařízení. Transformátory využívají elektromagnetickou indukci ke změně napětí. Výkonné elektromagnety se používají na vrakovištích ke zvedání kovového šrotu. Technologie magnetické levitace (Maglev) umožňuje vlakům vznášet se nad kolejemi a dosahovat extrémně vysokých rychlostí.
Ukládání dat: Pevný disk (HDD) ukládá data pomocí magnetizace malých oblastí na rotujícím disku. Zapisovací hlava (malý elektromagnet) mění orientaci magnetických polí, čímž kóduje binární data (jedničky a nuly). Podobný princip využívají i magnetické pásky.
Medicína: Nejvýznamnější aplikací je magnetická rezonance (MRI). Tento diagnostický přístroj využívá velmi silné magnetické pole a rádiové vlny k vytvoření detailních obrazů měkkých tkání v těle, jako je mozek, svaly nebo orgány, bez použití ionizujícího záření. Princip spočívá v usměrnění protonů (hlavně v molekulách vody) v těle pacienta pomocí silného magnetu a následném sledování jejich reakce na rádiové pulzy.
Věda a výzkum: Urychlovače částic, jako je Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu, používají supravodivé elektromagnety k udržení paprsků částic na kruhové dráze. V zařízeních pro výzkum jaderné fúze, jako jsou tokamaky, se extrémně silná magnetická pole používají k udržení horkého plazmatu mimo stěny reaktoru.

🔬 Moderní výzkum

Současný výzkum magnetismu se zaměřuje na nové materiály a kvantové jevy, které otevírají dveře k revolučním technologiím.

Spintronika: Tento obor se snaží využít nejen náboj elektronu, ale i jeho spin. Cílem je vyvinout rychlejší, menší a energeticky úspornější elektronické součástky. Spintronické principy již dnes využívají čtecí hlavy pevných disků (jev obří magnetorezistence, GMR). Budoucí aplikace zahrnují nové typy pamětí (MRAM), které si uchovají data i po vypnutí napájení, a spinové tranzistory.
Antiferomagnetická spintronika: Výzkum se soustředí na využití antiferomagnetických materiálů, které jsou v přírodě hojnější a mohly by umožnit ještě rychlejší zápis dat a vyšší hustotu uložení informací. Průkopníkem v této oblasti je český fyzik Tomáš Jungwirth.
Kvantový magnetismus: Zkoumá magnetické jevy na úrovni kvantové mechaniky, například v exotických materiálech jako jsou spinové kapaliny nebo topologické izolátory. Tyto objevy by mohly vést k vývoji kvantových počítačů.
Magnetické materiály nové generace: Vědci hledají a vyvíjejí nové materiály s vylepšenými magnetickými vlastnostmi, například silnější permanentní magnety bez obsahu vzácných zemin nebo materiály pro magnetické chlazení.

Zdroje

MAGNETISMUS: HISTORIE a SOUČASNOST - Učená společnost České republiky Magnetismus - Wikipedie Historie objevu magnetismu - MAGSY.cz Magnetismus – Fyzika na Vltavě Magnetické pole Zeme – Wikipédia Maxwellovy rovnice - WikiSkripta Maxwellovy rovnice :: MEF - Encyklopedie fyziky Na čem drží magnety a co je fero, para, diamagnetismus - Magnetik.cz Magnetic resonance imaging - Wikipedia Magnetické pole Země - Wikipedie Elektřina a magnetismus: Poznejte nejen Maxwellovy rovnice - Svět energie Princip MRI - Ceitec.cz Eduard Petrovský: Zemské magnetické pole a jeho význam pro život - YouTube Magnetic Resonance Imaging (MRI) - NIBIB Historie magnetů - supermagnete.cz