Cara Kerja Magnet

Bagaimana cara kerja magnet?

Pertanyaan yang sering muncul adalah, "Bagaimana cara kerja magnet atau?",, "Mengapa besi bersifat magnetik?",, "Apa yang membuat magnet,?" Atau, "Medan magnet terbuat dari apa?".

Itu pertanyaan yang baik, dan berhak mendapatkan jawaban yang baik. Namun apakah Anda tahu bahwa ada banyak tentang magnet pada tingkat atom yang belum diketahui? Seperti halnya dengan sebagian besar kekuatan dasar lainnya kita kenal, seperti gravitasi, listrik, mekanik dan panas, para ilmuwan mulai dengan mencoba memahami bagaimana mereka bekerja, apa yang mereka lakukan, apakah ada rumus yang dapat dibuat untuk menggambarkan (memprediksi) perilaku mereka sehingga kita dapat mulai mengendalikan mereka, dan seterusnya .

Pekerjaan yang selalu dimulai dengan observasi sederhana (itu kata indah untuk bermain-main dengan hal ini!).. Itulah sebabnya mengapa begitu penting untuk memiliki beberapa "tangan" orang berpengalaman dengan magnet jika Anda mengamati mereka, anda akan mulai memahami bagaimana mereka bekerja. Ini adalah yang dikerjakan pelopor ilmiah, seperti Faraday, Lenz, Gilbert, Henry dan Fleming. 

Kita mulai dengan bertanya, "Mengapa? Ini" adalah apa yang para ilmuwan terus lakukan - mencoba untuk mencari tahu mengapa hal-hal yang berperilaku seperti yang mereka lakukan Setelah kita mengetahuinya, kita memiliki pegangan yang lebih baik tentang bagaimana mereka nantinya membuat alat yang berguna bagi kita. Biarkan saya berbagi dengan Anda sebagian dari apa yang diketahui tentang bagaimana magnet bekerja.. Semua pertanyaan belum dijawab, mungkin Anda akan membantu menjawab beberapa dari mereka Jadi, sebagian dari apa yang diketahui hanya pengamatan, beberapa tebakan, tapi telah banyak dijelaskan.

Magnetisme Atom

Hanya ada beberapa unsur dalam tabel periodik yang tertarik pada magnet,. Tidak ada elemen, dengan sendirinya dapat menjadi magnet yang sangat kuat, paling-paling hanya bisa menjadi magnet lemah yaitu jika didekatkan pada magnet lain . Ketika paduan berbagai logam dibuat, beberapa paduan membuat magnet yang baik sangat tahu. Mengapa? Kita tidak benar-benar tahu, tapi kita dapat mengamatinya dengan beberapa aturan yang konsisten. Seperti yang Anda ketahui, kami telah melihat bahwa ketika arus mengalir dalam kawat, medan magnet dibuat di sekitar kawat. Kini hanya sekelompok bergerak elektron, dan elektron yang bergerak membuat medan magnet. Ini adalah bagaimana elektromagnet dibuat untuk bekerja. Hal ini akan menjadi penting untuk diingat saat kita memfokuskan diri pada struktur atom. Sekitar inti atom, dimana proton dan neutron hidup, ada elektron mengelilinginya. Kita selalu berpikir bahwa mereka memiliki orbit melingkar tertentu seperti planet memiliki sekitar, tapi telah menemukan bahwa jauh lebih rumit, dan banyak lebih menantang! Sebaliknya, pola-pola di mana kita mungkin akan menemukan elektron dalam satu orbital ini memperhitungkan's persamaan gelombang Schroedinger account orbital. Gambar dari orbital tersebut dapat ditemukan dihttp://www.shef.ac.uk/chemistry / orbitron / index.html .    Pertama, elektron dapat dianggap menempati kulit tertentu dalam mengelilingi inti atom. Kulit ini telah diberi nama seperti huruf K, L, M, N, O, P, T. Mereka juga diberi nomor nama, seperti sebagai 1,2,3,4,5,6,7.  Dalam kulit, mungkin ada subkulit atau orbital, dengan nama seperti s, p, d, f. Beberapa orbital ini tampak seperti bola, beberapa terlihat seperti jam pasir, yang lain tampak seperti manik-manik di gelang. K berisi shell orbital s. Disebut orbital 1s. Shell L berisi orbital s dan p. Disebut sebuah orbital 2s dan 2p. Kulit M berisi s, p dan d orbital. Disebut sebuah 3s, 3p dan 3d orbital. N, O, P dan Q masing-masing kulit berisi s, p, d dan f orbital. Disebut sebuah 4s, 4p, 4d, 4f, 5s, 5p, 5d, 5F, 6s, 6p, 6d, 6f, 7s, 7P , 7d dan 7f orbital. Orbital ini juga memiliki berbagai sub-orbital. Orbital s hanya dapat berisi 2 elektron dan tidak memiliki sub-orbital. Orbital p dapat berisi 6 elektron, 2 di masing-masing 3 sub-orbital, seperti p _x, p _y dan p _z. orbital d dapat mengandung 10 elektron, 2 di setiap 5 sub-orbital, seperti d _xy, d _xz, d _yz, d _Z2, d _x2-y2. orbital f dapat berisi 14 elektron, 2 di masing-masing 7  sub-orbital. (Dan ada ag orbital yang dapat berisi 18 elektron, 2 di masing-masing dengan 9 sub-orbital, elektron ) Maksimal 2 elektron dapat menempati satu sub-orbital di mana satu memiliki spin dari UP, yang lain memiliki spin DOWN. Ada tidak dapat dua elektron dengan spin UP di sub-orbital pokok yang sama. Asas Pengecualian Pauli (.) Juga , saat Anda memiliki pasangan elektron dalam orbital-, sub bidang magnet gabungan mereka akan saling menghilangkan satu sama lainnya. Untuk menunjukkan berapa banyak elektron di orbital masing-masing, konvensi berikut ini kadang-kadang digunakan: Klor memiliki 1s ² 2s ²2p ⁶ 3s ² 3p ⁵ dari total 17 elektron. ini memberitahu kita bahwa ada 2 di 1s, 2s 2, 2p 6, 2 di 3, dan 5 di 3p. Mari kita lihat pada pola bagaimana elektron orbital diisi ketika kita merujuk ke dalam tabel periodik unsur !. (ini adalah suatu unsur yang fantastis!)   

Seperti yang Anda lihat, urutan umum untuk memenuhi orbital elektron tergantung dari tingkat energi masing-masing sub kulit, dan tingkat energi yang tinggi akan menampung elektron yang semakin banyak pula: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p  Setelah masing-masing orbital penuh, maka mulai mengisi tempat berikutnya dalam urutan ini. Ada beberapa lompatan aneh di urutan ketika Anda bisa mengisi 4f, 5d dan 6p orbital, tetapi itulah bagaimana seharusnya. Jika kita memeriksa Besi (nomor atom 26), Cobalt (27), Nikel (28) dan Gadolinium (64), yang semuanya dianggap feromagnetik karena mereka sangat tertarik pada magnet, sulit untuk melihat apa yang membuat mereka begitu berbeda dari unsur-unsur lain di samping mereka atau di bawah mereka dalam tabel periodik. Dengan kata lain, jika Besi magnet begitu kuat, mengapa Mangan tidak? Mungkin ada faktor lain yang kita perlu pertimbangkan seperti struktur kristalnya. Tapi secara umum diterima bahwa elemen-elemen feromagnetik memiliki momen magnetik besar karena elektron yang tidak berpasangan pada orbital terluar mereka. Ini seperti arus elektron yang mengalir dalam kumparan kawat, menciptakan sebuah medan magnet. spin dari elektron inilah yang sebenarnya dipikirkan dalam timbulnya medan magnet. Bila Anda mendapatkan sejumlah medan ini bersama-sama, mereka akan saling menambahkan hingga membuat medan yang lebih besar. 

Besi (Fe) Nomor Atom 26, Konfigurasi elektronnya 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 3d ⁶ 4s ² . Hal ini menunjukkan orbit elektron sebagai cincin melingkar di sekitar inti. Ini benar-benar tidak seperti ini, namun ini membuat diagram yang baik. Bulatan hijau di tengah adalah inti dengan 26 proton dan 26 neutron. Titik oranye yang di orbital 3d adalah 4 elektron tak berpasangan.  Elektron tak berpasangan dalam 3d menciptakan momen magnet, atau kekuatan.. Diperkirakan bahwa D / r harus 3 atau lebih untuk membuat ferromagnetism, Kondisi ini terjadi di Iron, Cobalt, nikel dan kelompok  bahan langka bumi.  Dengan keterangan diatas bukankah kita bisa pergi satu tingkat lebih dalam mekanika kuantum?. Ini adalah tempat kita bertanya, "Apa yang membuat medan magnet"  Saat ini, ada empat gaya dasar yang diketahui: gravitasi, elektromagnetisme, lemah, kuat?. Apa yang menciptakan gaya-gaya tersebut ??? Ada spekulasi di antara fisikawan partikel bahwa gaya tersebut adalah hasil dari foton yang dipertukarkan antara partikel. Pertukaran ini adalah apa yang membuat tolakan atau tarik-menarik antara berbagai partikel, memberi kita kekuatan yang disebut gravitasi, magnetisme, dan lain-lain yang terus mengikat proton bersama-sama di pusat atom. Untuk pemahaman yang lebih mendalam, Anda akan ingin membaca tentang Model Standar dari atom dihttp://particleadventure.org/particleadventure/frameless/standard_model.html dan http://particleadventure.org/particleadventure/  http://www.schoolscience.co.uk/content/4/physics/particles/index.html

Domain Magnetik

1.  Momen Magnetik dari atom tetangga terikat paralel dengan gaya kuantummekanik.

   
; 2.  Atom ini dengan karakteristik magnetik seperti ini dikelompokkan ke dalam daerah yang disebut domain. Domain Masing-masing memiliki kutub sendiri yaitu kutub Utara dan Selatan.  

Domain adalah dikenal magnet permanen terkecil. sekitar 6.000 domain akan menempati area seukuran ujung jarum. Sebuah domain terdiri dari sekitar 1,000,000,000,000,000 atau 10 ¹⁵atom.  

3. Pada bahan yang belum bersifat magnet , wilayah domain berorientasi secara acak dan menetralisir satu sama lain atau melemahkan satu sama lainnya. Namun, medan magnet masih ada dalam domain! (Diagram ini menunjukkan domain sebagai kubus kecil atau kotak - pandangan mikroskopik.)

Berikut ini adalah contoh dari besi yang belum termagnetisasi, menunjukkan domain magnetik dalam orientasi acak (x adalah panah menjauhi Anda = Kutub Selatan, dot panah ke arah Anda = Kutub Utara)

Ini menunjukkan medan magnet di sekitar sampel besi tak termagnetisasi dengan kelompok-kelompok  domain, seperti yang disebutkan di atas, dengan orientasi acak. Seperti yang Anda lihat, sampel ini memiliki beberapa kutub Utara dan Selatan di mana garis gaya medan magnet keluar dan masuk ke materi.  
4. Pengaruh medan magnet luar menyebabkan domain magnet menjadi terserahkan sehingga momen magnetik mereka saling menguatkan satu sama lain dan searah dengan bidang diterapkan.

    

Ini menunjukkan medan magnet di sekitar kelompok domain, dimana semua adalah berorientasi pada arah yang sama.  

Dan ini menunjukkan medan magnet di sekitar kelompok domain pada garis yang samaDengan bahan magnetik lunak seperti besi, bidang eksternal kecil akan menyebabkan sejumlah besar keselarasan. Namun, karena kekuatan menyimpan energi kecil maka hanya sedikit penyelarasan akan dipertahankan.  Dengan bahan magnetik keras seperti Alnico medan eksternal yang lebih besar harus diberikan untuk membuat keselarasan dari domain, tapi sebagian besar keselarasan akan dipertahankan walaupun medan eksternal dihapus, sehingga menciptakan sebuah magnet permanen yang lebih kuat, yang akan memiliki satu kutub Utara dan satu kutub Selatan. Jika kita melihat ini lebih dari tingkat makro, tingkat di mana kita telah benar-benar melihat di bawah mikroskop, kita akan melihat domain yang lebih besar - bukan sebagai kubus atau kotak, tetapi lebih seperti poligon beraturan. Jika Anda adalah untuk memeriksa sepotong besi yang tidak magnet, Anda akan menemukan bahwa domain dalam besi tidak akan menunjuk ke arah yang sama, namun akan menunjuk ke arah sekelompok keacakan. Keacakan ini adalah apa yang menyebabkan medan magnet setiap domain akan dilemahkan oleh medan magnet dari domain lain yang hasilnya adalah bahwa ada kutub utara tidak tunggal atau kutub selatan Sebaliknya, ada sekelompok kutub utara dan selatan di seluruh tempat yang saling melemahkan. Nah, kalau ini sepotong besi diletakkan dalam medan magnet luar (diciptakan oleh arus listrik yang mengalir dalam solenoida), maka domain akan mulai untuk searah dengan medan magnet eksternal. Dibutuhkan energi untuk membuat orientasi magnet menjadi kuat. Seperti medan magnet eksternal menjadi semakin kuat, lebih dan lebih dari domain magnet pada materi tersearahkan. Akan ada kondisi di mana semua domain dalam besi berda dalam kondisi saturasi (jenuh). kondisi ini disebut jenuh karena tidak ada lagi domain yang belum tersearahkan, tidak peduli berapa banyak kuat medan magnet dibuat. ((Diagram ini menunjukkan domain sebagai poligon beraturan - lebih dari pandangan makro.)

Perhatikan bahwa domain masih punya medan magnet mereka sendiri, tetapi garis-garis medan tinggal hampir secara eksklusif di dalam material. Sangat sedikit garis medan magnet keluar dari material, ini akan 

menjadi contoh besi yang belum termagnetisasi. Menghasilkan medan magnet dengan domain seperti yang ditunjukkan di atas dengan medan magnet eksternal kecil. Ini memiliki dua kutub utara (kanan bawah dan kanan atas) dan kutub selatan (di sebelah kiri).  

Menghasilkan medan magnet dengan domain seperti yang ditunjukkan di atas dengan medan magnet ekternal yang lebih besar. Mulai tampak seperti sebuah magnet dengan kutub utara dan selatan yang pasti.   

 Menghasilkan medan magnet dengan domain seperti yang ditunjukkan di atas dengan medan magnet eksternal besar, domain pada kondisi saturasi. Inilah yang biasanya terlihat pada magnet tetap atau sementara. Apa yang terjadi ketika medan magnet eksternal berkurang kembali ke nol? Dalam bahan magnetik lunak (seperti besi atau baja silikon), sebagian besar domain akan kembali ke orientasi acak mereka, sehingga Anda akan ditinggalkan dengan magnet yang sangat lemah sejak hanya beberapa domain akan berbaris dengan arah yang sama. Anda akan kembali memulai dari Dalam bahan magnetik keras (paduan besi seperti Alnico, beberapa jenis baja, besi-neodymium boron, dll ), sebagian besar domain akan tetap selaras, sehingga Anda akan ditinggalkan dengan magnet yang kuat. Karena titik akhir tidak sama dengan titik awal untuk bahan magnetik, mereka memiliki apa yang disebut hysteresis (kurva histerisis).