Kratka priča o dija-, para-, fero- i antiferomagnetnim materijalima i njihovoj primeni u fizici i elektrotehnici

Jedan zanimljiv eksperiment

Zamislimo jedan dugačak tanak provodnik – običnu žicu, nešto dužu, npr. oko jedan metar. Priključimo li na njene krajeve bateriju, oko ovog provodnika nastaće magnetno polje, koje ćemo jednostavno moći detektovati time što će igla magnetnog kompasa, kada je približimo provodniku, odstupiti od svog standardnog položaja sever-jug. Magnetno polje koje nastaje oko provodnika sa strujom nadjačava magnetno polje naše planete, pa zbog toga igla kompasa skreće u blizini provodnika.

Slika 1: Slabašno magnento polje Zemlje orijentiše iglu magnetnog kompasa u smeru sever-jug.	Slika 2: Magnetno polje koje stvara struja nadjačava Zemljino magnetno polje, pa igla kompasa skreće.

Da bismo efekat skretanja igle kompasa učinili izraženijim, možemo u ovom eksperimentu učiniti nekoliko izmena. Kao prvo, možemo povećati jačinu struje kroz provodnik, recimo tako što na krajeve žice privežemo bateriju sa većim naponom (preciznije – elektromotornom silom). Povećana jačina struje izazvaće jače magnetno polje. Takođe, možemo iglu kompasa približiti provodniku, jer je magnetno polje u blizini provodnika jače nego na većem rastojanju. Ove modifikacije osnovnog eksperimenta shvatićemo intuitivno, bez formula i jednačina. 

Postoji još jedna mogućnost za pojačavanje „magnetnog dejstva“: umesto korišćenja „snažnije“ baterije i pravolinijskog provodnika, možemo žicu namotati u jednu petlju-krug, i kompas postaviti u centru petlje: tada će kompas kao naš merni uređaj biti sa svih strana okružen magnetnim poljem, koje će u zbiru, u unutrašnjosti kruga, dati pojačano magnetno polje. Možemo primetiti važnu činjenicu: u ovom slučaju struja oko magnetne igle kreće se praktično po jednom krugu, samom namotaju žice, i unutar tog kruga obrazuje magnetno polje.

(Sada smo već došli prilično blizu konstrukciji elektromagneta: ako bakarnu žicu, izolovanu celom svojom dužinom sem na samim krajevima, namotamo nekoliko desetina puta (ili još i više) po nekom valjku kao nosaču, i unutar valjka ubacimo pogodan feromagnetni materijal, kao što je npr. gvožđe, kada na provodnik priključimo bateriju dobijamo pravi-pravcati elektromagnet. Konstrukcija realnih elektromagneta koji se koriste u elektroinženjerstvu u suštini upravo je takva.)

Slika 3: Kada je kompas okružen namotajem sa strujom, magnetno dejstvo struje postaje izraženije.	Slika 4: Korišćenjem nekoliko desetina namotaja magnetno dejstvo unutar ovog elektromagneta dodatno se pojačava.

Dakle, u eksperimentu sa jednim namotajem struja se kreće duž kružnog provodnika, praktično po jednom krugu. Ovaj zaključak biće nam važan kada budemo analizirali pojavu nastanka magnetnog dipola kod atoma, jer kod atoma oko jezgra kružnim putanjama kreću se elektroni, koji na taj način predstavljaju svojevrsne mikro-struje, koje sa svoje strane izazivaju magnetno polje.

Nekoliko reči o terminologiji…

Pomenuta petlja, krug ili kružni „zavijutak“ naziva se namotaj ili navojak. Kada ih ima mnogo, onda se takva struktura – kao što smo već videli – naziva elektromagnet, kalem, solenoid ili zavojnica. Priznajem da postoje blage razlike u terminologiji između ovih pojmova, ali za potrebe ove priče možemo ih zanemariti.

Otkud magnetizam?

Kada je reč o električnoj struji kroz jedan žičani provodnik, tu je glavni lik elementarna čestica koja se naziva elektron. U stvari, nije reč samo o jednom elektronu, već o enormno velikom broju elektrona. Možete li izračunati koliko elektrona prođe kroz jedan presek nekog provodnika u jednoj sekundi? (Ja sam izračunao za vas: pri jačini struje od jednog ampera, kroz poprečni presek „žice“ u jednoj jedinoj sekundi prođe 6,24 × 10¹⁸ elektrona. Napisano u svakodnevnoj notaciji, ova brojka izgleda ovako: 6.240.000.000.000.000.000. Zar nisam rekao da je reč o enormnom broju?)

Jedan elektron, kao elementarna čestica, ima svoje tri osnovne osobine: masu, spin i naelektrisanje. Zašto se nigde ne pominje magnetizam kao svojstvo čestice? Zato što magnetizam i nije osnovno svojstvo elementarne čestice: magnetizam nastaje tek kada se naelektrisana čestica kreće! Da bi došlo do pojave magnetizma, naelektrisana čestica mora da se kreće (i to ravnomerno pravolinijski, mada ćemo ovaj dodatni uslov prećutno izostaviti).

Ako ste dovoljno odvažni, preporučio bih vam da pogledate tekst „Magnetizam: karika koja nedostaje“, objavljen u „Astronomskom magazinu“ na lokaciji https://www.astronomija.org.rs/nauka/fizika/8108-magnetizam-karika-koja-nedostaje ; tu možete pronaći dokaz pojave magnetne sile kada se naelektrisanje kreće ravnomerno pravolinijski – izveden na osnovu relacija specijalne teorije relativnosti i jednostavne matematike.

Dakle, kada kroz prav provodnik „teče“ struja, mnoštvo elektrona koji formiraju tu struju obrazuju i magnetno polje; a ako je provodnik zakrivljen u vidu kružnog namotaja, efekat unutar namotaja još je izraženiji.

Ipak, u kontekstu naše priče o magnetnim materijalima, prilično je pogodno da uvedemo pojmove električnog i magnetnog dipola. Videćemo da elektron koji se kreće oko atomskog jezgra formira jedan malecni magnet.

Slika 5: Elektron koji se kreće oko jezgra atoma predstavlja električnu struju i formira jedan minijaturni magnet.

Električni…

Već i sama reč „dipol“ označava važnu osobinu te strukture: to je „nešto“ što ima dva pola, dva kraja. Kada je reč o električnom dipolu, to su dva naelektrisanja suprotnih znakova, a kod magnetnog dipola reč je o „severnom“ i „južnom“ polu magnetnog dipola. Razmotrimo električni i magnetni dipol ponaosob!

Električni dipol je sistem od dva naelektrisanja jednake veličine, ali suprotnih znakova. Budući da se naelektrisanja suprotnih znakova privlače, da ne bi „tresnula“ jedno o drugo, moraju na neki način da budu pričvršćena.

Da bi se lakše baratalo jednačinama o električnim dipolima, uvedena je veličina koja se naziva električni dipolni moment. To je vektorska veličina, i kao takva ima tri svoje čuvene osobine: pravac, smer i intenzitet. Pojednostavljeno, reći ćemo da osobine pravca i smera označavaju prostornu usmerenost dipola, a intenzitet – silu između pozitivno i negativno naelektrisanih krajeva.

Slika 6: Električni dipol čine dva naelektrisanja iste veličine, a suprotnih znakova.	Slika 7: Električni dipolni moment, prikazan strelicom, jedna je od najvažnijih osobina električnog dipola.

Električni dipolni moment je zgodna fizička veličina, jer u potpunosti karakteriše električno polje oko dipola, i u pogledu njegove jačine, i u pogledu prostorne usmerenosti. Poznajući dipolni moment, možemo reći da u potpunosti znamo i način na koji će taj električni dipol reagovati sa drugim dipolima.

I, što je vrlo važno, električni dipolni moment, kao i svaki drugi vektor, može da se vektorski sabira sa drugim električnim momentom…! To znači da ako imamo sistem od deset električnih dipola, njihovo ukupno dejstvo na ostatak „sveta“ možemo opisati vektorskim sabiranjem svih deset električnih dipolnih momenata pojedinačno uzetih dipola.

… i magnetni dipol

S druge strane, magnetni dipol takođe ima svoja dva pola, „severni“ i „južni“, i ima svoju površinu – površinu „zavijutka“ ili namotaja. Ali, otkud potiču severni i južni pol magnetnog dipola? Otuda što se kružni namotaj kroz koji protiče električna struja ponaša kao jedan jednostavan magnet; a o tome smo čitali u odeljku „Jedan zanimljiv eksperiment“: kroz kružni namotaj kreće se električna struja, i zbog toga unutar dipolske strukture – ali i oko nje – nastaje magnetno polje.

Kao i kod električnog dipolnog momenta, tako je i kod magnetnog dipolnog momenta pogodno koristiti vektorsku veličinu koja se naziva magnetni dipolni moment. Magnetni dipolni moment ima svoju usmerenost u prostoru, kao i svoj intenzitet, i može se vektorski sabirati sa drugim magnetnim dipolnim momentima.

Slika 8: Magnetni dipolni moment pm je vektorska veličina određena jačinom struje i i površinom namotaja S.

Magnetni dipol ponaša se kao pravi-pravcati (stalni) magnet: ima dva magnetna pola, i može svojim magnetnim poljem da utiče na okolne magnetne momente, da privlači ili odbija druga tela.

Potpuno analogno električnom dipolnom momentu, i više magnetnih dipolnih momenata može se vektorski sabirati, pri čemu je moguće dobiti razne kombinacije ukupnog magnetnog polja, kako u pogledu jačine, tako i u pogledu usmerenosti u prostoru.

Naglasimo: elektroni koji se kreću oko atomskog jezgra formiraju magnetno polje, odnosno jedan mali, elementarni magnet.

Zbog čega je cela dosadašnja „priča“ važna?

Prisetimo se da je supstancija na našoj planeti sastavljena od atoma. Atomi imaju svoje jezgro, i svoj elektronski omotač. U omotaču nalaze se elektroni koji se oko jezgra kreću kružnim putanjama. Sâmo to kretanje jednog elektrona oko jezgra na određen način predstavlja električnu struju: elektron se vrti oko jezgra, i budući da je naelektrisan, u suštini obrazuje jednu mikro-struju. Kao što se oko kružnog namotaja kroz koji prolazi struja formira magnetni dipol, isto tako se i oko elektrona koji se kreće oko jezgra formira (malecan) magnetni dipol; a svaki taj malecni dipol ponaša se kao pravi-pravcati minijaturni magnet.

Dakle, elektron koji se vrti oko jezgra predstavlja jedan minijaturni magnet! S obzirom na to da supstancija u našem svakodnevnom okruženju ima veoma mnogo atoma, imaće i veoma mnogo magnetnih dipola sa svojim magnenim dipolnim momentima. A to znači da će se ti magnetni momenti vektorski sabirati, pri čemu će se nekada poništavati, nekada poklapati, a nekada biti negde između te dve krajnosti.

Šta primećujemo u praksi?

Vrlo dobro znamo da magnet – bilo da je reč o elektromagnetu, bilo o permanetnom magnetu izrađenom od pogodnih feromagnetika – može da privlači gvozdene eksere, a ne može niti da pomeri perce, papir, čak ni zrno soli. Kako je to moguće? U čemu se razlikuju te supstancije, kada toliko različito reaguju na magnetno polje? Da li postoje supstancije na koje magnetizam uopšte ne deluje…?

Pažljivi eksperimenti ipak upućuju na to da magnetizam deluje na svaku makroskopsku supstanciju, ali da su iz određenih razloga ti efekti kod mnogih supstancija vrlo slabi, pogotovo kada se uporede sa materijalima kod kojih je magnetno dejstvo veoma izraženo.

I zaista, utvrđeno je da se prema interakciji sa magnetnim poljem sve supstancije mogu podeliti u dve velike grupe: magnetski slabe materijale i magnetski jake materijale. Prvoj grupi pripadaju dijamagnetski materijali (ili, kraće, dijamagnetici) i paramagnetski materijali (paramagnetici). Magnetski jakim materijalima pripadaju feromagnetski materijali (feromagnetici) i antiferomagnetski materijali (pogađate – antiferomagnetici). Razmotrimo ove magnetske materijale svaku podgrupu ponaosob!

Slika 9: Ovo je način na koji se supstancije mogu podeliti prema intenzitetu svoje interakcije sa magnetnim poljem.

Dijamagnetici

Dijamagnetski materijali (ili – dijamagnetici) takvi su magnetski materijali koji sa spoljašnjim magnetnim poljem najslabije reaguju. Ako se dijamagnetski materijal unese u magnetno polje, rezultujuća jačina magnetnog polja unutar dijamagnetika biće manja od jačine spoljašnjeg magnetnog polja.

Plemeniti gas helijum dobar je primer dijamagnetika. U jezgru atoma ovog elementa nalaze se dva protona i dva neutrona, a oko jezgra kruže dva elektrona. Eksperimentalno je utvrđeno da helijum sam po sebi nema magnetni moment. To se može objasniti time što se elektroni, koji se kreću oko jezgra, obrću u suprotnim smerovima, njihovi pojedinačni magnetni momenti se poništavaju (zato što imaju isti intenzitet, ali suprotne smerove), pa atom kao celina nema magnetni moment. Naime, kao što znamo, svaki elektron koji se kreće kružno oko bilo kog atomskog jezgra, u suštini predstavlja jednu malecnu mikro-struju. A gde je struja kružna, tu je i magnetno polje, i, sledstveno tome, magnetni dipolni moment. Kod helijuma van spoljašnjeg magnetnog polja ovi momenti se poništavaju, pa helijum sam po sebi nema magnetno polje.

Ali, ako se atom helijuma postavi u spoljašnje magnetno polje, proračun pokazuje da jedan od elektrona počne da se kreće brže nego u stanju bez spoljašnjeg magnetnog polja, a onaj drugi počne da se kreće sporije. Elektron koji se brže kreće predstavljaće veću struju, i izazvaće, samim tim, veći dipolni moment. Elektron koji se se kreće sporije predstavlja manju struju i, prema tome, ima manji dipolni moment. Sada su dipolni momenti usmereni na suprotne strane, i budući da više nisu jednaki po intenzitetu, njihov vektorski zbir biće različit od nule: pri unosu atoma helijuma u spoljašnje magnetno polje taj atom počne da ima dipolni moment, tj. svoj „severni“ i „južni“ kraj, odnosno ponaša se kao minijaturni magnet, i kao takav u stanju je da interaguje sa spoljašnjim magnetnim poljem.

Slika 10: Brzine elektrona (crvene strelice) su jednake, pa su jednaki i magnetni momenti (zelene strelice).	Slika 11: U spoljašnjem magnetnom polju različite su brzine, i zbog toga su različiti i magnetni momenti.

Pored helijuma, dijamagneticima pripadaju bakar, zlato, srebro, cink, bizmut, grafit, ali i azot, argon, vodonik i voda. Skoro svi gasovi (sem kiseonika) su dijamagnetici. Dijamagnetski efekat je sam po sebi vrlo slab, ali je ipak izraženiji kod čvrstih i tečnih tela, jer je kod njih i sama koncentracija atoma veća.

Paramagnetici

Kod dijamagnetika, kao što smo videli, elektroni u atomu imaju poništavajuće (kompenzovane) magnetne momente, pa njihovi atomi, sami po sebi, bez spoljašnjeg magnetnog polja, nemaju magnetni moment; magnetna svojstva ovih materijala pojavljuju se samo kada se komad dijamagnetika smesti u neko magnetno polje.

Kod paramagnetika situacija je nešto drugačija, jer njihovi atomi nemaju kompenzovane (poništavajuće) magnetske momente. Kada se paramagnetni materijal smesti u spoljašnje magnetno polje, ovi magnetni momenti teže da se postave duž linija sila spoljašnjeg magnetnog polja (baš kao što, na makroskopskom nivou, igla kompasa odstupa od pravca sever-jug u blizini provodnika sa strujom). Međutim, i sam paramagnetski efekat je slab (premda je stotinak puta veći od dijamagnetskog), jer se tom „usmeračkom“ efektu snažno suprotstavlja termičko kretanje atoma i molekula. Bez obzira na to, za razliku od dijamagnetika, kada se paramagnetski materijali unesu u spoljašnje magnetno polje, jačina tog polja se zbog tog uređenja nešto povećava.

Primetimo da dijamagnetski efekat postoji i kod paramagnetika, ali je toliko slab da ga izraženiji paramagnetski efekat potpuno prekriva.

Tipični paramagnetici su aluminijum, platina, kiseonik, a i sam vazduh.

Feromagnetici

Feromagnetizam je znatno različit od dija- i paramagnetizma. Feromagnetici su supstancije koje snažno interaguju sa spoljašnjim magnetnim poljem – mnogo intenzivnije od prethodna dva tipa materijala. Pri tome, kod feromagnetika postoje i dijamagnetski i paramagnetski efekti, ali su više hiljada puta manjeg intenziteta nego što je sam feromagnetizam.

Feromagnetizam ima drugačiju prirodu od dva prethodno pomenuta tipa materijala. Dok je dija- i paramagnetizam zasnovan na pojavama na nivou atoma, kod feromagnetika glavnu ulogu imaju velike grupe atoma; to su tzv. Vajsovi domeni.

Feromagnetici mogu biti isključivo kristalne strukture, supstancije u čvrstom agregatnom stanju. U okviru kristalnih rešetki feromagnetika dolazi do udruživanja velike količine atoma feromagnetika u jedinice kod kojih su magnetni dipolni momenti orijentisani u istom pravcu i smeru: to su ti pomenuti Vajsovi domeni.

Vajsovi domeni imaju mnogo veće dimenzije (0,001 do 0,01 centimetara) nego što su to pojedinačni atomi, pa sadrže ogromnu količinu atoma.

Budući da su dipolni momenti orijentisani u istom pravcu i smeru, kod ovih domena dolazi do njihovog vektorskog sabiranja, i ceo domen ponaša se kao jedan veliki elementarni magnet. (Primetimo da su kod paramagnetika elementarni magneti bili sami atomi, dok dijamagnetici nemaju „magnetizam“ dok se ne unesu u spoljašnje magnetno polje, pri čemu je dijamagnetski efekat takođe na nivou atoma. Kod feromagnetika nije reč o atomima, već o mnogo većim, Vajsovim domenima.)

Histerezisna petlja

Histerezisna petlja karakteristična je samo za feromagnetike. Ta petlja opisuje proces namagnetisavanja jednog feromagnetika. Njena glavna zanimljivost je to što stanje namagnetisanosti nekog komada feromagnetskog materijala ne zavisi samo od jačine polja kojim se taj komad magnetiše, već i od toga koliko je taj komad prethodno bio namagnetisan.

Pretpostavimo da imamo neku gvozdenu šipku, oko koje ćemo namotati nekoliko stotina namotaja izolovane bakarne žice. Krajeve bakarnih žica privezaćemo za naponski izvor – bateriju – čiju „voltažu“ možemo kontinualno menjati od nule do nekih pozitivnih, ali i nekih negativnih vrednosti. Tom prilikom na pogodan način (npr. iglom kompasa) merićemo koliko se gvozdena šipka namagnetisala.

Dakle, počinjemo od isključene baterije i nenamgnetisane gvozdene šipke. Ako voltažu baterije polako povećavamo, primetićemo da se namagnetisanost šipke najpre naglo povećava, a zatim sve slabije i slabije, dok voltaža ne dostigne vrednost preko koje se namagnetisanost više ne povećava – to je tzv. magnetno zasićenje.

Slika 12: Kriva magnećenja feromagnetika pokazuje zavisnost namagnetisanja od jačine spoljašnjeg magnetnog polja.

Kako je došlo do zasićenja? Povećavanjem spoljašnjeg magnetnog polja („voltaže“ baterije) Vajsovi domeni su se sve više i više orijentisali u smeru polja. U trenutku kada su svi domeni orijentisani u smeru spoljašnjeg magnetnog polja, postaje nemoguće dalje povećanje namagnetisanosti šipke – „stigli smo“ u magnetno zasićenje. Dalje povećanje jačine spoljašnjeg polja ne utiče na stanje šipke, jer je namagnetisana „do maksimuma“.

Počnimo da smanjujemo jačinu spoljašnjeg magnetnog polja. Kao što možemo očekivati, namagnetisanost šipke počinje da opada. Međutim, u trenutku kada napon baterije postane jednak nuli, magnetni domeni zadržavaju izvesnu orijentisanost, bez obzira na to što više ne postoji spoljašnje magnetno polje. Materijal nije razmagnetisan, mada više nema spoljašnjeg polja; na osnovu ove pojave zapravo i funkcionišu permanentni magneti napravljeni od feromagnetnih materijala.

Počnimo da povećavamo voltažu baterije, ali u suprotnom, negativnom smeru. Namagnetisanost šipke postaje sve manja i manja, i u jednom trenutku, u tački u kojoj grafik histerezisne petlje preseče apscisnu osu, namagnetisanost postaje jednaka nuli: magnetna šipka potpuno je razmagnetisana.

Daljim povećanjem voltaže baterije – u negativnom smeru – dolazi do preorijenatcije Vajsovih domena u suprotnu stranu, namagnetisanost počne da raste – isto u negativnom smeru – najpre naglo, a potom sve sporije. Vajsovi domeni ponovo se orijentišu u smeru spoljašnjeg, „negativnog“ magnetnog polja, i u jednom trenutku ponovo dolazi do zasićenja: svi domeni su se orijentisali u istom smeru, i dalje povećanje spoljašnjeg magnetnog polja nema uticaja na namagnetisanost materijala.

Nastavimo li da povećavamo voltažu baterije u „pozitivnom“ smeru, namagnetisanost ponovo počinje da raste, u jednom trenutku kriva magnećenja preseca apscicnu osu i ponovo počinje da raste do novog zasićenja.

Time je jedan ciklus magnećenja feromagnetika završen.

Slika 13: (a) Van magnetnog polja Vajsovi domeni usmereni su haotično. (b) U zasićenju svi domeni usmereni su u istom pravcu i smeru. (c) Prilikom prestanka dejstva spoljašnjeg polja domeni ostaju orijentisani približno u istom smeru.

Jedna zanimljivost…

Formiranje Vajsovih domena odnosi se na obrazovanje jedne uređene strukture u feromagnetskom materijalu, ali se toj uređenosti suprotstavlja termičko oscilovanje atoma i molekula u materijalu. Ispostavilo se da postoji određena temperatura – tzv. Kirijeva temperatura – pri kojoj feromagnetni materijal gubi svoja feromagnetna svojstva i postaje paramagnetik. Za nikl ta temperatura iznosi 627 kelvina, za gvožđe 1033 K, a za kobalt 1395 K.

Kirijeva temperatura manja je od temperature topljenja svakog feromagnetskog materijala.

Feromagnetici u praksi

Zbog svojih povoljnih osobina, u inženjerskoj praksi feromagnetici se vrlo često koriste – mnogo češće od dija- i paramagnetika. Postojanje histerezisne petlje je ono što feromagnetike čini toliko korisnim u svakodnevnim inženjerskim primenama.

Prema obliku histerezisne petlje, feromagnetski materijali mogu se podeliti na magnetno meke i magnetno tvrde materijale.

Magnetno meki feromagnetici imaju uspravniju histerezisnu petlju, koja je uz to i manje površine. Pokazuje se da je površina histerezisne krive srazmerna gubicima magnetne energije u toku jednog cikulsa namagnetisavanja. Zbog male površine histerezisne petlje magnetno meki feromagnetici lako se namagnetišu i razmagnetišu, pa se koriste kod uređaja kod kojih je potrebno konstantno namagnetisavanje i razmagnetisavanje, kao što su jezgra električnih mašina – motora i generatora, kalemova, transformatora i relea.

Najkvalitetniji magnetno meki materijal je monokristalno gvožđe, ali se ono u praksi vrlo teško dobija. Zbog toga često se koriste legure gvožđa sa nekim drugim materijalima, poput npr. legura gvožđa i silicijuma ili gvožđa i nikla. Pored toga, koriste se i legure oksida gvožđa i oksida nikla i cinka, ili mangana i cinka.

Magnetno tvrdi materijali imaju položeniju histerezisnu krivu veće površine. Koriste se za izradu permanentnih (stalnih) magneta i magnetnih memorija poput magnetnih traka, disketa ili hard-diskova.

Pri tome, za izradu stalnih magneta najčešće su se koristili tvrdi čelici sa većim procentom ugljenika (oko 0,8% do 1,5%), koji su legirani volframom, hromom i kobaltom. Još bolje osobine imaju tvrdi čelici sa malim sadržajem ugljenika (manje od 0,03%), legirani aluminijumom, niklom, kobaltom ili bakrom. Koriste se i neke druge legure, poput mešavine oksida gvožđa i oksida barijuma ili stroncijuma.

Za izradu magnetnih memorija koriste se magnetno tvrdi materijali, poput barijum- ili kobalt-ferita, legura gvožđa i kobalta, ili legura kobalta i nikla.

Antiferomagnetici

Sovjetski fizičar-nobelovac Landau 1933. godine teorijski je došao do zaključka da moraju postojati posebni magnetni materijali, kod kojih susedni magnetni momenti imaju suprotan smer. Takva uređenost naziva se antiparalelnom, a supstancije sa tom osobinom su antiferomagnetici. I zaista, do 1938. godine već je bio poznat čitav niz antiferomagnetika: MnO, MnS, Cr₂O₃, NiCr, kao i mnogi drugi.

Kako se ponašaju antiferomagnetici? Ispostavilo se da za njih postoji određena temperatura – tzv. Nelova temperatura – analogna Kirijevoj temperaturi kod feromagnetika. Iznad Nelove temperature antiferomagnetici, poput feromagnetika, gube svoja antiferomagnetska svojstva i „pretvaraju se“ u paramagnetike. Međutim, pri snižavanju temperature, kod antiferomagnetika toplotne oscilacije atoma se smanjuju, pa zbog toga antiparalelni karakter njihovih kristalnih rešetaka dolazi do izražaja, i sposobnost namagnetisanja drastično opada.

Jedan duhoviti eksperiment

Na kraju ove priče moram sa vama da podelim ideju o jednom ekseprimentu, zapravo zanimljivom trik-pitanju, koje bi mogao da vam postavi vaš profesor fizike.

Pretpostavimo da imate dve naizgled potpuno jednake šipke. Znate da je jedna od njih permanentni magnet, a da je druga izrađena od nekog feromagnetnog materijala, ali da je nenamagnetisana. Treba da izvršite takav eksperiment, nekoristeći nikakvu drugu opremu, kojim biste pouzdano utvrdili koja šipka je magnet, a koja nije. Kako biste to uradili?

Evo kako bih ja to uradio. Postavio bih jednu od šipki na sto, a jednim od dva kraja druge šipke dodirnuo bih središte prve. Ako bih šipkom u ruci podigao šipku sa stola, to znači da mi je u ruci bio magnet, a na stolu nenamagnetisana šipka. Ako šipkom u ruci ne bih podigao šipku na stolu, to znači da mi je u ruci nenamagnetisana šipka, a na stolu je šipka-magnet.

Sledi objašnjenje ovog ogleda. Permanentni magnet-šipka ne privlači svojom sredinom; najsnažnije privlači svojim krajevima-polovima, ali sredinom ne. Zbog domenske strukture feromagnetskog materijala, u sredini magneta magnetni momenti Vajsovih domena se poništavaju (koliko njih „vuče“ jednim krajem na jednu stranu, toliko ih „vuče“ drugim krajem i na drugu), pa svojom sredinom šipkasti magnet ne privlači (za razliku od svojih polova, gde ne dolazi do kompenzovanja domena i gde je magnetno polje najjače).

Drago mi je da sada znate „trik“. Možda ste znali i ranije, a možda i ne. Svejedno, baš bi mi bilo drago ako zbog svog znanja impresionirate svog profesora fizike i dobijete odličnu ocenu. Pravo u dnevnik – razume se!