Wyobraź sobie: Jesteś w swojej kuchni, mimochodem podnosisz magnes z lodówki, tylko po to, by stwierdzić, że nie przylega do drzwi lodówki ze stali nierdzewnej. To powszechne rozczarowanie ujawnia fascynującą prawdę naukową o magnetyzmie — fundamentalnej sile, która rządzi interakcjami między materiałami w sposób bardziej złożony, niż większość ludzi zdaje sobie sprawę.

Magnetyzm to zjawisko fizyczne wynikające z ruchu i spinu elektronów wewnątrz materiałów. Kiedy atomowe lub molekularne momenty magnetyczne ustawiają się razem, materiał wykazuje makroskopowe właściwości magnetyczne. Materiały są klasyfikowane według ich charakterystyki magnetycznej:

Najbardziej znane materiały magnetyczne — żelazo, kobalt, nikiel i ich stopy — wykazują silne przyciąganie do pól magnetycznych i mogą zachować namagnesowanie, tworząc magnesy trwałe. Dzieje się tak poprzez kwantowo-mechaniczne interakcje między niesparowanymi elektronami, które tworzą spontanicznie namagnesowane obszary zwane domenami.

Materiały takie jak aluminium i platyna wykazują słabe, tymczasowe namagnesowanie po wystawieniu na działanie pól magnetycznych z powodu losowego ustawienia niesparowanych spinów elektronowych, które częściowo organizują się pod wpływem zewnętrznych pól.

Materiały te zawierają atomy z przeciwnymi momentami magnetycznymi o równej sile, co skutkuje brakiem magnetyzmu netto. Przykłady obejmują tlenek manganu i tlenek niklu.

Podobne do antyferromagnetyków, ale z nierównymi przeciwnymi momentami, materiały te (jak ferryty) wykazują słaby magnetyzm netto.

Wszystkie materiały posiadają tę słabą właściwość — odpychanie pól magnetycznych poprzez indukowane przeciwne pola z zmienionych orbit elektronowych. Miedź i woda są typowymi przykładami, gdzie dominuje diamagnetyzm.

• Żelazo: Główny składnik stali, łatwo namagnesowany, ale również łatwo rozmagnesowywany, co czyni go idealnym do rdzeni elektromagnesów.
• Kobalt: Twardy materiał magnetyczny o wysokiej koercji, ceniony w magnesach trwałych, takich jak odmiany Alnico i SmCo.
• Nikiel: Oferuje odporność na korozję i umiarkowany magnetyzm, często stopowany w celu wzmocnienia tych właściwości.
• Stal: Stopy żelaza i węgla, których właściwości magnetyczne różnią się w zależności od zawartości węgla — stale niskowęglowe magnesują się łatwo, podczas gdy wersje wysokowęglowe tracą siłę magnetyczną.
• Gadolin: Metal ziem rzadkich wykazujący ferromagnetyzm poniżej 20°C, stosowany w specjalistycznych zastosowaniach chłodniczych i magazynowych.

Metale takie jak miedź i złoto wykazują pomijalny magnetyzm, ponieważ ich sparowane elektrony znoszą momenty magnetyczne. Jednak wprowadzenie elementów ferromagnetycznych (jak dodanie żelaza do złota) może wywołać właściwości magnetyczne do specjalistycznych zastosowań.

Zachowanie magnetyczne stali nierdzewnej zależy od jej struktury krystalicznej, określonej przez zawartość chromu i niklu:

• Austenityczna (304/316): Wysoka zawartość niklu tworzy właściwości niemagnetyczne — powszechne w naczyniach kuchennych i sprzęcie medycznym.
• Ferrytyczna (430): Niska zawartość niklu, ale wysoka zawartość chromu daje właściwości magnetyczne, stosowane w urządzeniach takich jak zewnętrzne części lodówek.
• Martensytyczna: Warianty magnetyczne o wysokiej zawartości węgla, odpowiednie do narzędzi tnących i łożysk pomimo zmniejszonej odporności na korozję.

Prosty test z magnesem ujawnia, z jakim typem masz do czynienia — jeśli się trzyma, stal nierdzewna jest ferrytyczna lub martensytyczna.

Materiały takie jak drewno, plastik i szkło nie posiadają konfiguracji elektronowych potrzebnych do tworzenia domen magnetycznych. Ich inherentne reakcje diamagnetyczne lub słabo paramagnetyczne generują siły zbyt małe, aby można było zauważyć przyciąganie.

Od głośników konwertujących sygnały elektryczne na dźwięk za pomocą wibrujących magnesów, po dyski twarde przechowujące dane magnetycznie, a smartfony wykorzystujące czujniki magnetyczne do wykrywania orientacji.

Skanery MRI wykorzystują silne pola magnetyczne do nieinwazyjnego obrazowania wewnętrznego, podczas gdy terapie magnetyczne (choć naukowo dyskutowane) nadal są badane.

Silniki elektryczne, generatory i dźwigi magnetyczne obsługujące wielotonowe ładunki demonstrują mechaniczną użyteczność magnetyzmu, uzupełnioną technologiami separacji minerałów i bezwibracyjnymi łożyskami magnetycznymi.

Pociągi Maglev unoszące się na polach magnetycznych osiągają niezwykłe prędkości, podczas gdy pojazdy elektryczne opierają się na zasadach magnetycznych w celu napędu.

• Mocniejsze magnesy trwałe do energooszczędnych silników
• Ulepszone magnesy miękkie do transformatorów wysokiej częstotliwości
• Zaawansowane folie magnetyczne do gęstego przechowywania danych
• Materiały wielofunkcyjne łączące właściwości magnetyczne z innymi właściwościami
• Ekologiczne kompozycje minimalizujące zależność od metali ziem rzadkich

Od magnesów na lodówkę po ratujące życie urządzenia medyczne, niewidzialne siły magnetyzmu wciąż rewolucjonizują technologię, prezentując nowe granice naukowe do eksploracji.