Objektide magnetiline vastastikmõju on üks põhiprotsesse, mis juhivad kõike universumis. Selle nähtavad ilmingud on magnetilised nähtused. Nende hulgas on virmalised, magnetite ligitõmbamine, magnettormid jne. Kuidas need tekivad? Mis need on?
Magnetism
Magnetilisi nähtusi ja omadusi nimetatakse ühiselt magnetismiks. Nende olemasolu on teada juba väga pikka aega. Oletatakse, et juba neli tuhat aastat tagasi kasutasid hiinlased neid teadmisi kompassi loomisel ja merereisidel navigeerimiseks. Eksperimentide läbiviimine ja füüsikalise magnetnähtuse tõsine uurimine algas alles 19. sajandil. Hans Oerstedit peetakse selle valdkonna üheks esimeseks uurijaks.
Magnetilised nähtused võivad esineda nii kosmoses kui ka Maal ning ilmneda ainult magnetväljades. Sellised väljad tekivad elektrilaengutest. Kui laengud on paigal, tekib nende ümber elektriväli. Kui nad liiguvad – magnetväli.
See tähendab, et magnetvälja nähtus tekib koos tulekugaelektrivool või vahelduv elektriväli. See on ruumipiirkond, milles toimib jõud, mis mõjutab magneteid ja magnetjuhte. Sellel on oma suund ja see väheneb, kui see eemaldub oma allikast - juhist.
Magnetid
Keha, mille ümber tekib magnetväli, nimetatakse magnetiks. Väikseim neist on elektron. Magnetite külgetõmbejõud on kõige kuulsam füüsikaline magnetiline nähtus: kui kinnitada kaks magnetit üksteise külge, siis need kas tõmbavad või tõrjuvad. Kõik sõltub nende positsioonist üksteise suhtes. Igal magnetil on kaks poolust: põhja- ja lõunapoolus.
Samanimelised poolused tõrjuvad üksteist, vastupidised poolused aga tõmbavad ligi. Kui lõigata see kaheks, siis põhja- ja lõunapoolus ei eraldu. Selle tulemusena saame kaks magnetit, millest igaühel on samuti kaks poolust.
On palju materjale, mis on magnetilised. Nende hulka kuuluvad raud, koob alt, nikkel, teras jne. Nende hulgas on vedelikke, sulameid, keemilisi ühendeid. Kui magneteid hoitakse magneti läheduses, muutuvad need ise magnetiks.
Ained nagu puhas raud omandavad selle omaduse kergesti, kuid jätavad sellega ka kiiresti hüvasti. Teiste (nt terase) magnetiseerimiseks kulub kauem aega, kuid mõju säilib pikka aega.
Magnetiseerimine
Oleme eespool kindlaks teinud, et laetud osakeste liikumisel tekib magnetväli. Aga millisest liikumisest saab rääkida näiteks külmkapi küljes rippuvas rauatükis? Kõikained koosnevad aatomitest, mis sisaldavad liikuvaid osakesi.
Igal aatomil on oma magnetväli. Kuid mõnes materjalis on need väljad suunatud juhuslikult erinevatesse suundadesse. Selle tõttu ei teki nende ümber ühte suurt väli. Sellised ained ei ole võimelised magnetiseeruma.
Teistes materjalides (raud, koob alt, nikkel, teras) on aatomid võimelised asetuma nii, et need kõik osutavad ühtemoodi. Selle tulemusena moodustub nende ümber ühine magnetväli ja keha magnetiseerub.
Selgub, et keha magnetiseerumine on tema aatomite väljade järjestus. Selle järjekorra murdmiseks piisab, kui lüüa seda kõvasti näiteks haamriga. Aatomiväljad hakkavad kaootiliselt liikuma ja kaotavad oma magnetilised omadused. Sama juhtub ka materjali kuumutamisel.
Magnetiline induktsioon
Magnetilised nähtused on seotud liikuvate laengutega. Seega tekib elektrivooluga juhi ümber kindlasti magnetväli. Aga kas see võib olla ka vastupidi? Inglise füüsik Michael Faraday esitas kord selle küsimuse ja avastas magnetilise induktsiooni nähtuse.
Ta jõudis järeldusele, et konstantne väli ei saa tekitada elektrivoolu, kuid muutuv väli küll. Vool tekib magnetvälja suletud ahelas ja seda nimetatakse induktsiooniks. Sel juhul muutub elektromotoorjõud võrdeliselt ahelat läbiva välja kiiruse muutumisega.
Faraday avastus oli tõeline läbimurre ja tõi elektritootjatele märkimisväärset kasu. Tänu temale sai võimalikuks voolu vastuvõtmine mehaanilisest energiast. Rakendati teadlase tuletatud seadust jakasutatakse elektrimootorite, erinevate generaatorite, trafode jms seadmes.
Maa magnetväli
Jupiteril, Neptuunil, Saturnil ja Uraanil on magnetväli. Meie planeet pole erand. Tavaelus me seda peaaegu ei märka. See ei ole käegakatsutav, sellel pole maitset ega lõhna. Kuid just temaga seostatakse looduses esinevaid magnetnähtusi. Näiteks aurora, magnettormid või magnetretseptsioon loomadel.
Sisuliselt on Maa tohutu, kuid mitte väga tugev magnet, millel on kaks poolust, mis ei kattu geograafiliste poolustega. Magnetjooned lahkuvad planeedi lõunapoolusest ja sisenevad põhja. See tähendab, et tegelikult on Maa lõunapoolus magneti põhjapoolus (sellepärast on läänes lõunapoolus tähistatud sinisega - S ja punane tähistab põhjapoolust - N).
Magnetväli ulatub planeedi pinnast sadade kilomeetrite kaugusele. See toimib nähtamatu kuplina, mis peegeldab võimsat galaktilist ja päikesekiirgust. Kiirgusosakeste kokkupõrkel Maa kestaga tekib palju magnetnähtusi. Vaatame neist kuulsaimaid.
Magnettormid
Päikesel on meie planeedile tugev mõju. See mitte ainult ei anna meile soojust ja valgust, vaid kutsub esile ka selliseid ebameeldivaid magnetnähtusi nagu tormid. Nende ilmumist seostatakse päikese aktiivsuse suurenemise ja selle tähe sees toimuvate protsessidega.
Maad mõjutavad pidev alt Päikesest lähtuvad ioniseeritud osakeste voolud. Nad liiguvad kaasakiirusega 300-1200 km/s ja neid iseloomustatakse päikesetuulena. Kuid aeg-aj alt toimub tähel tohutu hulga nende osakeste äkiline väljutamine. Need mõjuvad maakera löökidena ja põhjustavad magnetvälja võnkumist.
Sellised tormid kestavad tavaliselt kuni kolm päeva. Sel ajal tunnevad mõned meie planeedi elanikud end halvasti. Kesta vibratsioonid peegelduvad meis peavalude, suurenenud rõhu ja nõrkusega. Elu jooksul kogeb inimene keskmiselt 2000 tormi.
virmalised
Looduses on ka meeldivamaid magnetnähtusi - virmalised või aurora. See avaldub kiiresti muutuvate värvidega taevasära kujul ja esineb peamiselt kõrgetel laiuskraadidel (67–70 °). Päikese tugeva aktiivsuse korral täheldatakse kiirgust veelgi madalamal.
Umbes 64 kilomeetri kõrgusel pooluste kohal kohtuvad laetud päikeseosakesed magnetvälja kaugematel aladel. Siin suunduvad mõned neist Maa magnetpoolustele, kus nad interakteeruvad atmosfääri gaasidega, mistõttu ilmub aurora.
Hõõgumise spekter oleneb õhu koostisest ja selle harvaesinemisest. Punane kuma esineb 150–400 kilomeetri kõrgusel. Sinised ja rohelised toonid on seotud suure hapniku- ja lämmastikusisaldusega. Need esinevad 100 kilomeetri kõrgusel.
Magnitorvastuvõtt
Peamine teadus, mis uurib magnetnähtusi, on füüsika. Mõned neist võivad aga olla seotud ka bioloogiaga. Näiteks elamise magnetiline tundlikkusorganismid – võime ära tunda Maa magnetvälja.
Paljudel loomadel, eriti rändliikidel, on see ainulaadne kingitus. Magnetretseptsioonivõime leiti nahkhiirtel, tuvidel, kilpkonnadel, kassidel, hirvedel, mõnedel bakteritel jne. See aitab loomadel kosmoses navigeerida ja leida oma kodu, eemaldudes sellest kümnete kilomeetrite kaugusele.
Kui inimene kasutab orienteerumiseks kompassi, siis loomad kasutavad täiesti looduslikke tööriistu. Teadlased ei suuda veel täpselt kindlaks teha, kuidas ja miks magnetoretseptsioon töötab. Kuid teadupärast suudavad tuvid oma kodu leida ka siis, kui nad se alt sadade kilomeetrite kaugusele viia, sulgedes samal ajal linnu täiesti pimedasse kasti. Kilpkonnad leiavad oma sünnikoha isegi aastaid hiljem.
Tänu oma "superjõududele" ootavad loomad vulkaanipurskeid, maavärinaid, torme ja muid kataklüsme. Nad on tundlikud magnetvälja kõikumiste suhtes, mis suurendab enesesäilitamise võimet.
