Lodestone:Ορισμός και μαγνητικές ιδιότητες
Το Lodestone είναι ένα κομμάτι μαγνητίτη που έχει μαγνητιστεί φυσικά. Το όνομα lodestone προέρχεται από τον όρο "lode" της Μέσης Αγγλικής που σημαίνει δρόμος ή ταξίδι, κάνοντας την έννοια του όρου lodestone να είναι μια πέτρα που οδηγεί.
Το Lodestone έχει έναν μοναδικό ορισμό που εν μέρει δανείζει τις μαγνητικές ιδιότητες που βρίσκονται μέσα σε αυτή τη μοναδική πέτρα. Ο όρος αντικατοπτρίζει μια από τις πρώτες χρήσεις του lodestone ως φυσικής μαγνητικής πυξίδας, η οποία χρησιμοποιήθηκε σε μεγάλο βαθμό στην πλοήγηση.
Τι είναι ο Μαγνητίτης;
Ο μαγνητίτης είναι ένα οξείδιο του σιδήρου με τον χημικό τύπο Fe3 O4 . Ο μαγνητίτης έχει μαύρο ή σκούρο καφέ χρώμα και μικρά κομμάτια μαγνητίτη βρίσκονται στα περισσότερα πυριγενή πετρώματα καθώς και σε ορισμένα ιζηματογενή πετρώματα. Ο μαγνητίτης μπορεί να βρεθεί σε πολλές περιοχές του κόσμου, συμπεριλαμβανομένης της Νότιας Αμερικής, της Αυστραλίας, των Ηνωμένων Πολιτειών, της Ευρώπης και της Κίνας. Υψηλές συγκεντρώσεις lodestone, η φυσικά μαγνητισμένη εκδοχή του μαγνητίτη, έχουν βρεθεί στην Τανζανία και είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τις μετρήσεις της πυξίδας. Το Lodestone βρίσκεται συνήθως κοντά στην επιφάνεια της γης.
Ως ορυκτό, ο μαγνητίτης έχει κρυσταλλική μικροδομή. Αυτό σημαίνει ότι τα άτομα από τα οποία αποτελείται ο μαγνητίτης είναι πολύ ταξινομημένα δομημένα σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο πλέγματος. Στην περίπτωση του μαγνητίτη, το κρυσταλλικό σύστημα είναι ισομετρικό, που σημαίνει ότι το μοναδιαίο κελί του κρυστάλλου είναι ένας κύβος. Η πιο κοινή μορφή με την οποία μπορείτε να βρείτε μαγνητίτη είναι ως οκταεδρικοί κρύσταλλοι.
Ο ορυκτός μαγνητίτης έλκεται φυσικά από ένα μαγνητικό πεδίο αλλά δεν είναι ο ίδιος μαγνήτης (δηλαδή δεν δημιουργεί μαγνητικό πεδίο).
Πώς ο μαγνητίτης γίνεται μαγνητικός;
Για να γίνει lodestone, ο μαγνητίτης πρέπει να μαγνητιστεί. Ο κανονικός μαγνητίτης δεν σχηματίζεται μαγνητικός, και στην πραγματικότητα, οι περισσότεροι μαγνητίτες δεν μπορούν να μαγνητιστούν καθόλου. Για να μαγνητιστεί ο μαγνητίτης πρέπει να έχει συγκεκριμένη κρυσταλλική δομή και χημική σύσταση. Το Lodestone σχηματίζεται σε μεγάλο βαθμό από μαγνητίτη, αλλά έχει επίσης εγκλείσματα μαγεμίτη (οξειδωμένος μαγνητίτης) και άλλες ακαθαρσίες μεταλλικών ιόντων. Αυτές οι ακαθαρσίες και τα εγκλείσματα κάνουν την κρυσταλλική δομή του μαγνητίτη να είναι ανομοιογενής και επιτρέπει στο ορυκτό να ανθίσταται στον απομαγνητισμό μόλις μαγνητιστεί.
Διατυπώθηκε για πρώτη φορά η θεωρία ότι το μαγνητικό πεδίο της Γης προκάλεσε κομμάτια μαγνητίτη να μαγνητιστούν για να σχηματίσουν lodestone. Ωστόσο, διαπιστώθηκε ότι το μαγνητικό πεδίο της Γης είναι πολύ ασθενές (σε 0,25 έως 0,65 Gauss) για να προκαλέσει μια τέτοια αλλαγή στον ορυκτό μαγνητίτη. Έκτοτε, έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι ο μαγνητίτης που μαγνητίζεται για να σχηματίσει τους λίθους που έχουν βρεθεί από τους ανθρώπους το κάνει μέσω κεραυνών.
Ο κεραυνός είναι το αποτέλεσμα μιας ηλεκτρικής ανισορροπίας μεταξύ των σύννεφων καταιγίδας και του εδάφους. Η ανισορροπία είναι ασταθής και διορθώνεται με την εκκένωση του ηλεκτρισμού με τη μορφή ηλεκτρικού ρεύματος. Το ηλεκτρικό ρεύμα εμφανίζεται ως κεραυνός επειδή η ταχεία ροή ηλεκτρονίων από το σύννεφο προς το έδαφος δημιουργεί ένα πλάσμα που εκπέμπει ακτινοβολία μαύρου σώματος ως ορατό φως. Όταν ο κεραυνός χτυπά τη γη, δημιουργεί για λίγο ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Είναι αυτό το πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που πιστεύεται ότι μαγνητίζει τον μαγνητίτη, δημιουργώντας έναν lodestone. Δεδομένου ότι οι lodestones βρίσκονται συνήθως κοντά στην επιφάνεια της γης, δεν είναι βαθιά θαμμένοι στο έδαφος, είναι πολύ πιθανό ο κεραυνός να είναι όντως αυτός που παρέχει το απαραίτητο μαγνητικό πεδίο για να μαγνητίσει τον μαγνητίτη σε lodestone.
Στη δεκαετία του 1500, ο Δρ William Gilbert, ο οποίος ήταν ο πρώτος επιστήμονας στον τομέα του παλαιομαγνητισμού (η μελέτη του μαγνητισμού των πετρωμάτων), εργάστηκε για να ανακαλύψει τους κανόνες που διέπουν τον μαγνητισμό του lodestone και τις χρήσεις του lodestone, καθώς και τον τρόπο με τον οποίο οι ιδιότητες του lodestone θα μπορούσε να μελετηθεί για την καλύτερη κατανόηση του μαγνητικού πεδίου της Γης. Ο Δρ Gilbert ανακάλυψε ότι η μαγνήτιση μπορεί επίσης να συμβεί με τη χρήση θερμότητας, σε μια διαδικασία που ονομάζεται θερμομαγνήτηση όπου ένα αντικείμενο θερμαίνεται και στη συνέχεια ψύχεται παρουσία μαγνητικού πεδίου.
Πώς Λειτουργεί ο Μαγνητισμός;
Ο μαγνητισμός είναι μια δύναμη που προκαλεί την έλξη ή την απώθηση αντικειμένων που μπορούν να επηρεαστούν από το πεδίο δύναμης.
Ο μαγνητισμός προκαλείται από το σπιν των ηλεκτρονίων στα άτομα ενός μαγνητικού υλικού. Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα υποατομικά σωματίδια που έχουν μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στο σπιν τους. Όταν ένα ηλεκτρόνιο είναι ασύζευκτο, δεν υπάρχει άλλο ηλεκτρόνιο που να περιστρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση και να ακυρώνει το μικρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το ασύζευκτο περιστρεφόμενο ηλεκτρόνιο. Εάν όλα τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε ένα υλικό περιστρέφονται σε τυχαίες κατευθύνσεις, τότε η δύναμη του μαγνητικού πεδίου που ασκείται από το υλικό είναι ασθενής ή εντελώς ανύπαρκτη. Ωστόσο, εάν όλα τα μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια περιστρέφονται προς την ίδια κατεύθυνση, το αποτέλεσμα μπορεί να είναι ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από το υλικό.
Για παράδειγμα, κάθε άτομο σιδήρου έχει τέσσερα ασύζευκτα ηλεκτρόνια τα οποία έχουν όλα την ίδια κατεύθυνση σπιν. Όταν ένα αντικείμενο που δημιουργεί ένα σχετικά ισχυρό μαγνητικό πεδίο, όπως ένας λίθος, διέρχεται επανειλημμένα από ένα κομμάτι σιδήρου προς την ίδια κατεύθυνση, όλα τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε κάθε άτομο σιδήρου ευθυγραμμίζονται και προκαλούν το τεμάχιο σιδήρου να μαγνητιστεί .
Για ποιους σκοπούς χρησιμοποιήθηκε ένα Lodestone;
Όταν ένα κομμάτι lodestone αιωρείται από μια χορδή και επιτρέπεται ελεύθερη επίπεδη κίνηση, θα ευθυγραμμιστεί με την πολικότητα βορρά-νότου του μαγνητικού πεδίου της Γης κατά μήκος του μακρύτερου άξονα του lodestone. Φυσικά, αυτή η ιδιότητα του lodestone έχει προκαλέσει τη χρήση του ως φυσική πυξίδα. Όταν αγγίξετε ένα κομμάτι σιδήρου με έναν λίθο, το σίδερο θα μαγνητιστεί προσωρινά και θα ευθυγραμμιστεί επίσης με το μαγνητικό πεδίο της Γης, δείχνοντας βόρεια και νότια. Έτσι κατασκευάστηκαν οι πρώτες βελόνες πυξίδας.
Από το 600 π.Χ., οι άνθρωποι γνώριζαν τις μαγνητικές ιδιότητες του lodestone. Οι αρχαίοι Έλληνες πίστευαν ότι ο λίθος διέθετε ψυχή που είναι αυτό που έδωσε στην πέτρα τις «μαγικές» της ιδιότητες. Οι Κινέζοι χρησιμοποιούσαν το lodestone όχι μόνο ως πυξίδα αλλά και ως εργαλείο για την πρόβλεψη του μέλλοντος. Με την κατανόηση του μαγνητισμού που έχουμε σήμερα, το lodestone χρησιμοποιείται πιο συχνά ως εργαλείο διδασκαλίας για να βοηθήσει στην επίδειξη του τρόπου λειτουργίας του μαγνητισμού στους μαθητές. Στο πέρασμα των αιώνων, το Lodestone έκανε ένα απίστευτο ταξίδι με την ανθρωπότητα.
