Magnesy stałe spotykamy w głośnikach, silnikach, czujnikach, zabawkach, uchwytach i zamknięciach meblowych. Są tak powszechne, że łatwo uznać ich działanie za oczywiste. Tymczasem wokół magnetyzmu wciąż krąży wiele uproszczeń. Niektóre są nieszkodliwe, inne prowadzą do błędnych wniosków o sile magnesów, ich trwałości, a nawet możliwościach wytwarzania energii z bardzo dużych czy małych magnesów neodymowych. 

1. Magnes przyciąga każdy metal

To prawdopodobnie najbardziej rozpowszechniony mit. Magnes stały silnie oddziałuje przede wszystkim z materiałami ferro- i ferrimagnetycznymi. W codziennym życiu największe znaczenie mają przede wszystkim żelazo i odpowiednie rodzaje stali. Do materiałów o silnych właściwościach magnetycznych należą również nikiel i kobalt.

Miedź, aluminium, złoto czy srebro nie przywierają natomiast do zwykłego magnesu. Nie oznacza to jednak, że pole magnetyczne nie oddziałuje na nie wcale. Aluminium jest paramagnetykiem i może być bardzo słabo przyciągane, natomiast miedź, złoto i srebro są diamagnetykami i wykazują niezwykle słabe odpychanie. W codziennych warunkach efekty te są praktycznie niezauważalne.

Różnie zachowują się także stale nierdzewne. Zależy to od ich składu, struktury krystalicznej i historii obróbki. Stale ferrytyczne i martenzytyczne są zwykle wyraźnie przyciągane, natomiast austenityczne mogą reagować bardzo słabo. Obróbka plastyczna na zimno może jednak zwiększyć ich właściwości magnetyczne.

2. Im większy magnes, tym zawsze jest silniejszy

Rozmiar ma znaczenie, ale sam nie przesądza o sile oddziaływania magnesu na konkretny przedmiot. Liczą się również materiał, jego gatunek – na przykład klasa magnesu neodymowego – kształt, kierunek namagnesowania, powierzchnia styku, odległość oraz właściwości przyciąganego elementu.

Dlatego mały magnes neodymowy może w określonych warunkach przewyższyć znacznie większy magnes ferrytowy. Co więcej, określenie „siła magnesu” jest pewnym uproszczeniem. Możemy przecież porównywać między innymi siłę odrywania, indukcję magnetyczną przy powierzchni, koercję czy maksymalny iloczyn energii. Nie istnieje zatem jedna uniwersalna wielkość określająca, który magnes jest „silniejszy” w każdej sytuacji.

3. Magnes stały działa wiecznie i nigdy nie słabnie

„Stały” nie znaczy „niezniszczalny”. Prawidłowo użytkowany magnes może zachowywać swoje właściwości przez bardzo długi czas, ale wysoka temperatura, silne pole skierowane przeciwnie do jego namagnesowania czy niekorzystne warunki środowiskowe mogą pogorszyć jego parametry. Korozja może niszczyć materiał i zmniejszać jego czynną objętość, natomiast silne uderzenia w przypadku kruchych magnesów neodymowych często prowadzą przede wszystkim do pęknięcia lub odłupania.

Szczególnie ważna jest temperatura. Trzeba odróżnić maksymalną temperaturę pracy od temperatury Curie. Magnes może doznać nieodwracalnej utraty części namagnesowania jeszcze przed osiągnięciem temperatury Curie. Sama temperatura Curie to temperatura, powyżej której zanika spontaniczne uporządkowanie momentów magnetycznych odpowiedzialne za ferro- lub ferrimagnetyzm.

4. Przecięcie magnesu pozwoli oddzielić biegun N od S

Gdy podzielimy magnes na dwie części, nie rozdzielimy bieguna północnego od południowego. Powstaną dwa mniejsze magnesy, a każdy z nich będzie miał własny biegun N i S.

Możemy dzielić go dalej, ale zasada pozostaje taka sama. W zwykłych magnesach stałych bieguny występują parami, a linie pola magnetycznego tworzą zamknięte pętle.

Hipotetyczne pojedyncze bieguny, nazywane monopolami magnetycznymi, pozostają przedmiotem badań w fizyce. Dotychczas nie potwierdzono eksperymentalnie istnienia swobodnego fundamentalnego monopolu magnetycznego. W niektórych układach materii skondensowanej mówi się wprawdzie o wzbudzeniach zachowujących się jak efektywne monopole, ale nie są one tym samym co poszukiwana fundamentalna cząstka z pojedynczym ładunkiem magnetycznym.

5. Zwykła warstwa plastiku, szkła albo drewna zatrzymuje pole magnesu

Typowe materiały niemagnetyczne, takie jak papier, drewno, szkło czy większość tworzyw sztucznych, nie stanowią skutecznej osłony przed statycznym polem magnesu. Magnes może więc przyciągać stalowy element przez kartkę papieru, szybę czy cienką warstwę drewna.

Jeżeli po włożeniu pomiędzy magnes a przedmiot kolejnych warstw przyciąganie słabnie, najczęściej przyczyną jest po prostu zwiększenie odległości. Pole magnesu szybko słabnie wraz z dystansem.

Nie oznacza to jednak, że pola magnetycznego w ogóle nie można ograniczać. Odpowiednio dobrane materiały o dużej przenikalności magnetycznej mogą przekierowywać strumień pola, a specjalne konstrukcje, nadprzewodniki czy układy aktywne pozwalają w określonych zastosowaniach zmniejszyć pole w chronionym obszarze. Zwykła plastikowa osłona nie działa jednak w ten sposób.

6. Magnes może być źródłem darmowej energii

To mit, który od lat napędza pomysły na różnego rodzaju „silniki magnetyczne” i perpetuum mobile. Magnes może powodować ruch i zmianę energii potencjalnej układu. Kiedy dwa elementy się przyciągają, część energii związanej ze stanem całego układu może zostać zamieniona na energię ruchu.

Problem pojawia się wtedy, gdy urządzenie miałoby działać cyklicznie. Aby przywrócić układ do stanu początkowego, trzeba ponownie oddalić przyciągnięte elementy lub w inny sposób odtworzyć pierwotną konfigurację. W idealnym układzie wymagałoby to co najmniej tyle samo energii, ile wcześniej można było uzyskać, a w rzeczywistym urządzeniu dochodzą jeszcze straty.

Magnes nie jest więc źródłem darmowej energii. W silnikach i generatorach magnesy uczestniczą w przekształcaniu energii i kształtowaniu pola magnetycznego, ale nie są źródłem energii napędzającej urządzenie.

7. Stal nierdzewna nie może być przyciągana przez magnes

To uproszczenie. „Stal nierdzewna” nie jest jednym materiałem, lecz szeroką grupą stopów o różnej strukturze. Najczęściej spotykane stale austenityczne, np. 304 i 316, po wyżarzaniu zwykle reagują na magnes bardzo słabo albo wcale. Z kolei stale ferrytyczne i martenzytyczne, stosowane m.in. w niektórych sztućcach, urządzeniach AGD oraz elementach technicznych, mogą być wyraźnie magnetyczne. Co więcej, austenityczna stal nierdzewna może częściowo nabrać właściwości magnetycznych po intensywnej obróbce na zimno, np. gięciu, tłoczeniu lub walcowaniu. Test magnesem nie odpowiada więc na pytanie, czy materiał jest nierdzewny — informuje jedynie o jego konkretnej odmianie i stanie obróbki.

Magnesy bez magii

Magnesy stałe nie łamią praw fizyki, ale ich rzeczywiste właściwości są ciekawsze niż wiele krążących na ich temat legend. Zrozumienie różnicy między właściwościami materiału magnetycznego, polem, siłą i energią pozwala nie tylko obalać popularne mity, lecz także właściwie i bezpiecznie wykorzystywać magnesy w praktyce.

Bibliografia

1. OpenStax, Urone P. P., Hinrichs R., College Physics 2e, rozdz. 22.1 „Magnets”, Rice University.
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/22-1-magnets

2. OpenStax, Urone P. P., Hinrichs R., College Physics 2e, rozdz. 22.2 „Ferromagnets and Electromagnets”, Rice University.
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/22-2-ferromagnets-and-electromagnets

3. OpenStax, Urone P. P., Hinrichs R., College Physics 2e, rozdz. 22.3 „Magnetic Fields and Magnetic Field Lines”, Rice University.
https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/22-3-magnetic-fields-and-magnetic-field-lines

4. British Stainless Steel Association, „Effect of cold work and heat treatment on the magnetic permeability of austenitic stainless steels”.
https://bssa.org.uk/bssa_articles/effect-of-cold-work-and-heat-treatment-on-the-magnetic-permeability-of-austenitic-stainless-steels/

5. MIT School of Engineering, Jensen S., „Why can't magnetism be used as a source of energy?”, 2012.
https://engineering.mit.edu/ask-an-engineer/why-cant-magnetism-be-used-as-a-source-of-energy

6. National Center for Complementary and Integrative Health (NCCIH), „Magnets For Pain: What You Need To Know”.
https://www.nccih.nih.gov/health/magnets-for-pain-what-you-need-to-know

7. Pittler M. H., Brown E. M., Ernst E., „Static magnets for reducing pain: systematic review and meta-analysis of randomized trials”, CMAJ, 2007, 177(7), 736–742.
https://doi.org/10.1503/cmaj.061344

8. Cullity B. D., Graham C. D., Introduction to Magnetic Materials, 2nd ed., Wiley-IEEE Press, 2008.