Magnetismul este fenomenul prin care anumite materiale și curenții electrici atrag sau resping alte materiale, printr-un câmp invizibil numit câmp magnetic. Un magnet are mereu doi poli, nord și sud: polii diferiți se atrag, iar cei identici se resping. Busola funcționează pentru că acul ei este un mic magnet care se rotește liber și se aliniază cu câmpul magnetic al Pământului, indicând aproximativ direcția nord.
Magneții par niște jucării simple, dar în spatele lor se află una dintre cele mai importante descoperiri ale fizicii: electricitatea și magnetismul sunt două fețe ale aceluiași fenomen. Pe această legătură funcționează motoarele electrice, generatoarele din centrale, difuzoarele și aparatele de rezonanță magnetică din spitale. Mai jos afli cum se comportă magneții, de unde vine câmpul magnetic al Pământului, de ce apar aurorele și cum folosești corect o busolă.
Ce este magnetismul
Magnetismul este una dintre manifestările forței electromagnetice, produsă de sarcinile electrice aflate în mișcare. Într-un fir, sarcinile în mișcare sunt electronii care formează curentul; într-un magnet permanent, sursa este chiar comportamentul electronilor din atomi, care se comportă ca niște magneți minusculi.
Oamenii au observat magnetismul acum peste două mii de ani, la o rocă numită magnetită, un oxid de fier care atrage bucăți de fier. Numele vine, probabil, de la Magnesia, o regiune din Grecia antică unde se găsea această piatră. Bucățile de magnetită magnetizată natural erau numite în română „piatră magnetică”.
În anul 1600, medicul englez William Gilbert a publicat lucrarea De Magnete, în care a arătat, cu experimente, că Pământul însuși se comportă ca un magnet mare. A fost una dintre primele cărți bazate pe experiment sistematic, în spiritul descris în Metoda științifică: cum verifică cercetătorii o idee.
Magneții și polii lor
Orice magnet are doi poli, numiți nord și sud, iar forța magnetică este cea mai puternică în apropierea lor. Regula de bază este simplă: polii diferiți se atrag, polii de același fel se resping.
Dacă tai un magnet bară în două, nu obții un pol nord separat și un pol sud separat, ci doi magneți mai mici, fiecare cu propriul nord și sud. Oricât de mult l-ai tăia, chiar până la nivelul atomilor, se întâmplă la fel. Fizicienii au căutat „monopoli magnetici”, adică poli izolați, dar nu au găsit niciunul.
Ce materiale sunt atrase de magneți
Nu toate metalele sunt atrase de magneți. Cele puternic magnetice se numesc feromagnetice: fierul, nichelul, cobaltul și multe aliaje ale lor, inclusiv majoritatea oțelurilor. Aluminiul, cuprul, aurul și argintul nu se lipesc de magnet, iar unele oțeluri inoxidabile sunt foarte slab atrase sau deloc.
| Tip de magnet | Cum funcționează | Exemple |
|---|---|---|
| Magnet permanent natural | magnetită magnetizată în natură | „piatra magnetică” |
| Magnet permanent artificial | aliaj sau ceramică magnetizată în fabrică | magneți de frigider, magneți de neodim |
| Magnet temporar | fier moale care devine magnetic doar lângă alt magnet | o agrafă care atrage altă agrafă |
| Electromagnet | bobină prin care trece curent, adesea cu miez de fier | macarale de fier vechi, încuietori electrice |
Domeniile magnetice
În interiorul unei bucăți de fier, atomii sunt grupați în regiuni mici numite domenii magnetice. În fiecare domeniu, micii magneți atomici sunt orientați la fel, dar domeniile vecine au orientări diferite și se anulează reciproc. Când apropii un magnet, domeniile se aliniază, iar fierul devine el însuși magnetic.
Un magnet permanent își pierde proprietățile dacă este încălzit peste o anumită temperatură, numită temperatura Curie, după fizicianul Pierre Curie; pentru fier, ea este de aproximativ 770 °C. Lovirile puternice și repetate pot și ele dezordona domeniile și slăbi un magnet.
Câmpul magnetic
Câmpul magnetic este regiunea din jurul unui magnet sau al unui curent electric în care se simt forțele magnetice. Nu se vede, dar poate fi pus în evidență ușor: presară pilitură de fier pe o foaie de hârtie așezată peste un magnet, bate ușor foaia și vei vedea cum pilitura se aranjează în linii curbe, de la un pol la celălalt. Acestea sunt liniile de câmp.
Liniile de câmp ies prin convenție din polul nord și intră în polul sud. Acolo unde sunt dese, câmpul este puternic; acolo unde se răresc, câmpul este slab.
Intensitatea câmpului magnetic (mai exact, inducția magnetică) se măsoară în tesla (T), unitate numită după inventatorul Nikola Tesla. Un tesla este o valoare mare, așa că în practică se folosesc des microtesla și militesla.
| Sursă | Câmp magnetic aproximativ |
|---|---|
| Câmpul Pământului la suprafață | 25–65 microtesla, în funcție de loc |
| Magnet de frigider | câțiva militesla |
| Magnet mic de neodim, lângă suprafață | în jur de 1 tesla |
| Aparat de rezonanță magnetică dintr-un spital | de obicei 1,5–3 tesla |
Electricitate și magnetism: aceeași forță
Electricitatea și magnetismul sunt legate indisolubil: orice curent electric produce un câmp magnetic, iar un câmp magnetic variabil produce curent electric. Împreună formează electromagnetismul, una dintre cele patru interacțiuni fundamentale ale naturii.
Legătura a fost descoperită în 1820 de fizicianul danez Hans Christian Ørsted, care a observat că acul unei busole se mișca atunci când pornea curentul printr-un fir aflat în apropiere. În 1831, englezul Michael Faraday a descoperit fenomenul invers, inducția electromagnetică: mișcând un magnet printr-o bobină, a obținut curent electric. În anii 1860, scoțianul James Clerk Maxwell a unificat toate aceste observații într-un set de ecuații și a arătat că lumina este o undă electromagnetică, așa cum se explică în Lumina și culorile: de ce vedem curcubeul și cerul albastru.
Electromagnetul
Un electromagnet este o bobină de sârmă prin care trece curent, de obicei înfășurată pe un miez de fier moale. Când curentul trece, bobina devine magnet; când curentul se oprește, magnetismul dispare aproape complet. Avantajul este că îl poți porni, opri și regla. Poți construi unul simplu înfășurând sârmă izolată în jurul unui cui mare și legând capetele la o baterie de 4,5 V, pentru câteva secunde: cuiul va ridica agrafe.
Motorul și generatorul
- Motorul electric transformă energia electrică în mișcare: un curent care trece printr-o bobină aflată între magneți produce forțe care o rotesc. Îl găsești în mașina de spălat, aspirator, ventilator, trotineta electrică.
- Generatorul face invers: o bobină rotită într-un câmp magnetic (de o turbină cu apă, abur sau vânt) produce curent electric. Aproape toată electricitatea din rețea vine din generatoare de acest tip.
Mărimile de bază ale curentului, tensiunea, intensitatea și rezistența, sunt explicate în Electricitatea: curent, tensiune și rezistență explicate.
Sfat: Dacă te întrebi cum se poate obține curent din mișcare, ține minte cuvântul-cheie „variație”. Un magnet care stă nemișcat lângă o bobină nu produce nimic; doar când se mișcă, sau când câmpul se schimbă, apare curentul.
Pământul, un magnet uriaș
Pământul are un câmp magnetic propriu, care se comportă aproximativ ca al unui magnet bară uriaș, ușor înclinat față de axa de rotație. Sursa lui nu este însă un magnet solid, ci mișcarea fierului topit din nucleul extern al planetei, care generează curenți electrici și, prin ei, câmp magnetic. Mecanismul se numește geodinam.
Un magnet permanent nu ar putea exista în interiorul Pământului, pentru că temperaturile de acolo sunt mult peste temperatura Curie. Despre straturile planetei și nucleul de fier și nichel afli mai multe în Pământul explicat: structura, rocile și forțele interne.
Polii magnetici se mișcă și se inversează
Polii magnetici ai Pământului nu coincid cu polii geografici și se deplasează lent, cu zeci de kilometri pe an. Pe scale de timp geologice, câmpul își schimbă chiar sensul: polul nord magnetic devine pol sud și invers. Ultima inversare completă a avut loc acum aproximativ 780.000 de ani.
Aceste inversări au rămas „înregistrate” în roci. Când lava se răcește, mineralele magnetice din ea se aliniază cu câmpul din acel moment. Pe fundul oceanelor, de o parte și de alta a dorsalelor, rocile formează benzi cu magnetizare alternantă, una dintre dovezile principale ale expansiunii fundului oceanic și ale mișcării plăcilor, descrise în Tectonica plăcilor: cum se mișcă și se ciocnesc continentele.
Magnetosfera și aurorele
Câmpul magnetic al Pământului formează în jurul planetei un scut numit magnetosferă, care deviază cea mai mare parte a particulelor încărcate venite de la Soare, numite vânt solar. Fără acest scut, atmosfera ar fi expusă mult mai puternic radiațiilor.
O parte dintre particule sunt dirijate de liniile de câmp spre regiunile polare, unde ciocnesc atomii de oxigen și azot din atmosfera înaltă și îi fac să emită lumină. Așa apar aurorele: boreală în emisfera nordică, australă în cea sudică. Culoarea verde, cea mai frecventă, vine de la oxigen. Din România, aurorele se pot vedea foarte rar, doar în timpul furtunilor geomagnetice puternice, ca o strălucire roșiatică spre nord.
Busola: cum funcționează și cum o folosești
Busola este un ac magnetic ușor, sprijinit pe un pivot, care se poate roti liber și se orientează de-a lungul liniilor câmpului magnetic al Pământului. Capătul marcat al acului, de obicei roșu, arată spre polul nord magnetic.
Busola magnetică a fost folosită pentru navigație în China în jurul secolului al XI-lea, iar în Europa apare în documente în secolul al XII-lea. A schimbat navigația pe mare, pentru că permitea orientarea și pe cer înnorat, fără Soare sau stele.
Nordul magnetic și nordul geografic
Nordul arătat de busolă nu este exact nordul geografic, adică direcția spre polul în jurul căruia se rotește Pământul. Unghiul dintre cele două se numește declinație magnetică. În România, declinația este mică, de câteva grade spre est, dar pe o hartă topografică sau într-o drumeție lungă, câteva grade înseamnă zeci sau sute de metri de abatere după câțiva kilometri. Hărțile topografice bune indică valoarea declinației pentru zona respectivă.
Un detaliu care surprinde: pentru că polul nord al acului este atras spre nord, iar polii diferiți se atrag, înseamnă că în apropierea polului nord geografic se află, din punct de vedere fizic, un pol sud magnetic. Denumirea de „pol nord magnetic” este una geografică, păstrată din tradiție.
Cum folosești corect o busolă
- Ține busola orizontal, în palmă, la nivelul pieptului, ca acul să se poată roti liber.
- Îndepărtează-te de obiecte metalice, mașini, stâlpi și liniile de înaltă tensiune; ține telefonul și cheile în buzunar.
- Rotește carcasa până când acul se suprapune peste marcajul N.
- Citește direcția dorită pe cadran și alege un reper îndepărtat în acea direcție, spre care mergi.
- Verifică periodic direcția, mai ales în pădure sau pe ceață.
Important: Busola din telefon folosește un senzor magnetic și poate fi deranjată de husele cu magnet, de obiectele metalice și de câmpurile din apropiere. Pe munte, o busolă clasică și o hartă tipărită sunt o rezervă sigură când bateria se descarcă.
Construiește-ți propria busolă
Ai nevoie de un ac de cusut, un magnet, o bucățică de dop de plută și un vas cu apă. Freacă acul de 20–30 de ori cu același pol al magnetului, mereu în aceeași direcție. Înfige acul orizontal în pluta tăiată subțire și pune-o să plutească în apă. Acul se va roti încet și se va opri pe direcția nord-sud.
Magneții în tehnologie și în natură
Magnetismul este prezent în aproape toate aparatele moderne, adesea fără să-l observi. Câteva exemple:
- difuzoarele și căștile, în care un magnet și o bobină transformă semnalul electric în vibrații sonore, principiu folosit încă de la primele telefoane, cum arată Telefonul și radioul: cum au apărut comunicațiile la distanță;
- hard diskurile clasice, care stochează datele în regiuni magnetizate minuscule;
- plitele cu inducție, unde un câmp magnetic variabil încălzește direct vasul metalic;
- aparatele de rezonanță magnetică (RMN), care folosesc câmpuri puternice pentru imagini detaliate ale organelor;
- trenurile cu levitație magnetică, care plutesc deasupra șinei fără contact;
- închizătorile magnetice ale ușilor de dulap și ale genților.
În natură, multe animale simt câmpul magnetic al Pământului. Păsările migratoare, unele țestoase marine și chiar unele bacterii par să-l folosească pentru orientare; mecanismele sunt încă studiate, iar ce se știe despre păsări găsești în Migrația păsărilor: cum se orientează pe mii de kilometri.
Siguranța cu magneții puternici
Magneții obișnuiți sunt inofensivi, dar cei puternici, de neodim, cer atenție. Ei se atrag cu forțe mari și pot prinde pielea între ei sau se pot sparge în așchii ascuțite când se ciocnesc.
- Ține magneții mici și puternici departe de copii. Dacă un copil înghite doi sau mai mulți magneți, aceștia se pot atrage prin pereții intestinului și pot provoca leziuni grave. În acest caz, mergi de urgență la medic sau sună la 112.
- Persoanele cu stimulator cardiac sau alte implanturi electronice trebuie să respecte recomandările medicului privind distanța față de magneți puternici.
- Nu apropia magneți puternici de carduri cu bandă magnetică, ceasuri mecanice și ecrane vechi.
Pentru legăturile magnetismului cu restul fizicii, de la mișcare la lumină și atom, citește ghidul Fizica pe înțeles: legile care explică lumea din jur.
Ideile principale
Magnetismul este o formă de manifestare a forței electromagnetice, produsă de sarcinile electrice în mișcare. Magneții au întotdeauna doi poli, care nu pot fi separați, iar materialele feromagnetice precum fierul pot fi magnetizate prin alinierea domeniilor lor. Curentul electric produce câmp magnetic, iar câmpul variabil produce curent, principiu pe care se bazează motoarele și generatoarele. Pământul are propriul câmp, generat în nucleul de fier topit, care ne protejează de vântul solar, produce aurorele și orientează acul busolei.
De reținut:
- polii diferiți se atrag, cei identici se resping;
- fierul, nichelul și cobaltul sunt puternic magnetice, aluminiul și cuprul nu;
- câmpul magnetic se măsoară în tesla; al Pământului are zeci de microtesla;
- busola arată nordul magnetic, ușor diferit de cel geografic;
- magneții de neodim trebuie ținuți departe de copii.
Întrebări frecvente
De ce arată busola spre nord?
Pentru că acul ei este un mic magnet care se aliniază cu câmpul magnetic al Pământului. Capătul marcat arată spre polul nord magnetic, aflat aproape, dar nu exact, de polul nord geografic.
Ce metale sunt atrase de magnet?
În principal fierul, nichelul, cobaltul și majoritatea oțelurilor. Aluminiul, cuprul, aurul și argintul nu sunt atrase vizibil.
Pot obține un singur pol magnetic, tăind magnetul?
Nu. Fiecare bucată tăiată devine un magnet complet, cu pol nord și pol sud. Până acum nu a fost observat niciun pol magnetic izolat.
De ce are Pământul câmp magnetic?
Din cauza mișcării fierului topit din nucleul extern, care produce curenți electrici și, prin ei, un câmp magnetic. Mecanismul se numește geodinam.
Pot vedea aurora boreală din România?
Foarte rar, doar în nopțile cu furtuni geomagnetice puternice, și de obicei ca o strălucire roșiatică slabă spre nord. Pentru aurore spectaculoase trebuie să mergi în nordul Scandinaviei sau în zone apropiate de cercul polar.
