Magnes trwały, materiał, który na przestrzeni dziejów powodował wielki przewrót zarówno w nauce, jak i technice, zawsze zdumiewał samych fizyków i był dla nich niewiarygodnie trudny do pojęcia, a cóż dopiero dla niespecjalistów. Postanowiłem jednak, aby mój wykład był zrozumiały. No, i żeby był krótki, bo jak stwierdziła nasza wybitna poetka Wisława Szymborska „wszelka niedoskonałość lżejsza jest do zniesienia, jeśli podaje się ją w małych dawkach”.
W latach naszego dzieciństwa nauczyciel, zwykle fizyki, demonstrował nam metal pomalowany z jednej strony na niebiesko, zaś z drugiej na czerwono – mający magiczną właściwość przyciągania, najogólniej mówiąc, wszystkiego co wykonane z żelaza i jego stopów. To jest właśnie magnes trwały: namagnesowane ciało stanowiące źródło stałego pola magnetycznego.
Magnetyzm magnesów stałych jest jedną z najstarszych, lecz ciągle intensywnie badaną dziedziną wiedzy. Jego początki sięgają wielu wieków przed naszą erą, starożytnych Chin, gdzie pranauka magnetyzmu była rozwijana w kontekście jasnowidztwa i tajemnych praktyk. Intrygujące sugestie o związku magnesów trwałych z początkami szachów są dyskutowane przez Józefa Needhama w jego dziele „Nauka i cywilizacja w Chinach”. Autor podaje, że w roku 113 p. n. e. elokwentny szarlatan Luan Ta celem rozweselenia władcy Wu Ti demonstruje sztuczkę polegającą na samoczynnej walce figur na szachownicy. Godny uwagi komentarz na temat tej sztuczki jest podany w encyklopedii opublikowanej dużo, dużo później, bo w roku 998, gdzie zgodnie z pracą czytamy: „Weź krew koguta i zmieszaj ją z opiłkami żelaza i utartym proszkiem magnetytu. Po dniu nałóż pastę na głowy figur szachowych pozwól jej wyschnąć na słońcu. Następnie postaw figury na szachownicy. Będą odskakiwały od siebie w wyniku wzajemnego odpychania”.
„Weź krew koguta i zmieszaj ją z opiłkami żelaza oraz utartym proszkiem magnetytu. Po dniu nałóż pastę na głowy figur szachowych pozwól jej wyschnąć na słońcu. Następnie postaw figury na szachownicy. Będą odskakiwały od siebie w wyniku wzajemnego odpychania”.
Mamy tu jasne sprawozdanie, jak złożony magnes trwały był produkowany ponad 2000 lat temu. Należy zauważyć, że przepis o kombinacji bardzo drobnych cząstek różnych faz magnetycznych, jednej twardej – magnesującej się bardzo trudno i drugiej miękkiej – magnesującej się z kolei łatwo, jest dokładnie kierunkiem wiodącym we współczesnych badaniach naci magnesami trwałymi. Zresztą byłoby bardzo interesujące odtworzyć ten przepis i zmierzyć własności tych magnesów trwałych.
W tym samym okresie szkoła Fukiera – zajmująca się przepowiadaniem przyszłości – wykorzystuje do tego celu orientację łyżki sporządzonej z magnetytu [1]. Orientacja tej łyżki była traktowana jako rzecz najwyższej wagi. Między innymi zmiany jej położenia w polu magnetycznym Ziemi wykorzystywano przy planowaniu ulic miast starożytnych Chin.
Odkrycie naturalnych magnesów trwałych (magnetytu) i właściwości żelaza dokonano również niezależnie w Grecji, Egipcie i Gwatemali, i w zależności od miejsca, w którym ruda magnetytu została znaleziona przyjmowała różne nazwy. I tak np. był to kamień z Heraklei, bądź też Herkulesa, kamień z magnezji, czyli magnes, kamień indyjski, kamień (bez dodatkowego określenia), kamień żelazny, antiphyson (magnes przyciągający i odpychający żelazo), żywe żelazo, kość Horusa (starożytny Egopt), loastone (kamień drogowskaz), lub ledeston (anglia, ok. 1500 r.), aimant (kochający kamień, Francja), tsu’sze (kamień kochający, Chiny) [1].
W X-XIII wieku w ówczesnym świecie opanowano technologię wytwarzania magnesu trwałego w postaci drutu stalowego poprzez jego chłodzenie w polu magnetycznym i następnie magnesowanie magnetytem. Ta początkowo rytualna łyżka, wskazująca południe, wchodzi powszechnie w skład zarówno ciekłych, jak i montowanych na sucho kompasów. Było to pierwsze magnetyczne urządzenie, które zmieniło świat i stanowiło podstawę pierwszego przemysłu magnesów. Kompas i jego budowę po raz pierwszy bardzo dobrze opisano w chińskim tekście Shen Kua z roku 1088, gdzie czytamy „Czarownicy pocierają koniec igły magnetytem. Najlepiej igłę zawiesić na pojedynczym, jedwabnym włóknie przymocowanym w środku igły kawałkiem wosku o rozmiarach ziarenka gorczycy – następnie wieszając je w bezwietrznym miejscu zawsze będzie wskazywała południe” [3].
Najwcześniejszy porównywalny tekst Aleksandra Neckhama – angielskiego mnicha pracującego na Uniwersytecie w Paryżu – pochodzi dopiero z roku 1190.
Nasze nowoczesne rozumienie magnetyzmu zaczyna się pierwszym rozpoznanym do tej pory naukowym tekstem Williama Gilberta „De Magnete…” opublikowanym w roku 1600. Gilbert demaskuje przesądne wierzenia, które zrosły się z magnesami trwałymi i identyfikuje samą Ziemię, bardziej niż gwiazdy, jako źródło istnienia biegunów magnetycznych. Przełomowego w dziejach łączenia elektryczności i magnetyzmu dokonał przypadkowo Oersted w roku 1820. Po kilku tygodniach od jego odkrycia, że przewód przewodzący prąd elektryczny obraca igłę magnetyczną, Ampere i Arago w Paryżu, pokazali, że cewka z prądem elektrycznym jest dokładnie odpowiednikiem magnesu trwałego. Odkrycie to w połączeniu z odkryciem przez Faradaya w roku 1831 indukcji elektromagnetycznej doprowadziło do elektryfikacji naszej planety.
Jest jednak wstrząsające zdać sobie sprawę, że kiedy Einstein formułował w 1905 szczególną teorię względności i mimo istnienia równań Maxwella łączących elektryczność i magnetyzm, mimo opisu atomu przez Bohra, mimo sformułowania przez Heissenberga i Diraca równań opisujących wzajemne oddziaływanie spinów elektronów najlepsze były podkowiaste magnesy trwałe ze stali – niewiele różniące się od tych używanych od ponad 1000 lat. Nawet w roku 1930 kiedy podstawy magnetyzmu były już kompletne, stalowe magnesy dalej powszechnie królowały.
Jest jednak wstrząsające zdać sobie sprawę, że kiedy Einstein formułował teorię względności, Bohr opisywał atom, Heissenberg i Dirac – wzajemne oddziaływanie spinów elektronów – najlepsze były podkowiaste magnesy ze stali – niewiele różniące się od tych używanych od ponad 1000 lat.
Najdogodniejszym sposobem wyrażania jakości magnesu trwałego jest jego gęstość energii, ponieważ odzwierciedla podwojoną maksymalną energię, która może występować w przestrzeni magnesu trwałego. Ta gęstość energii jest zewnętrzną właściwością uzależnioną od składu chemicznego i od mikrostruktury magnesu trwałego. Pierwszymi nowoczesnymi magnesami trwałymi były magnesy na bazie żelaza, niklu i glinu opracowane przez Japończyka Hiroshimę w roku 1931.
Warto zauważyć, że huta Baildon w Katowicach rozpoczyna produkcję przemysłową tych magnesów trwałych w roku 1934 w oparciu o technologię opracowaną przez Ludwika Kozłowskiego – późniejszego profesora WSP w Katowicach i AGH w Krakowie. Dodanie do tych magnesów kobaltu i ich obróbka w zewnętrznym polu magnetycznym umożliwiła uzyskanie magnesów trwałych powszechnie stosowanych do dziś. Koniec lat 60 to magnesy trwałe oparte na związku Sm-Co.
Magnesy te do tego stopnia zdominowały rynek, że przewidywano, że światowe zasoby kobaltu zostaną wyczerpane w okresie najbliższych 50 lat. Stąd też w następnym okresie wprowadzono do produkcji magnesy trwałe Sm-Fe-N. Podjęte w latach 70. intensywne badania umożliwiające poznanie właściwości fizykochemicznych metali ziem rzadkich doprowadziły do zaproponowania w roku 1983 przez grupę uczonych japońskich współpracujących z Sagawą i amerykańskich z Croatem, nowej generacji magnesów – związków międzymetalicznych neodym-żelazo-bor, a ostatnio neodym-żelazo-azotr (węgiel, wodór).
Należy zauważyć, że na przestrzeni naszego wieku gęstość energii magnetycznej magnesów trwałych ulegała podwojeniu co 12 lat. Przez to magnesy trwałe stały się około 100 razy mniejsze, dając w przestrzeni je otaczającej to samo pole magnetyczne.
Te nowoczesne magnesy trwale umożliwiły miniaturyzację dotychczasowych urządzeń i układów, i opracowanie nowych. Ponadto wkroczyły na stale do nowych dziedzin, np. medycyny, Jako przykład zastosowań magnesów niech stanowi wymarzony samochód oraz transport wewnętrzny w zakładach przemysłowych. W medycynie powszechne jest leczenie urazów kręgosłupa lub cięć, w tym pooperacyjnych z użyciem magnesów trwałych.
Można zadać pytanie: jak długo tak spektakularny, szczególnie w ostatnim okresie, rozwój magnesów trwałych może być kontynuowany? Mimo zwodniczych sugestii wysuwanych przez niektórych naukowców ośmielam się twierdzić, że nie ma postępu w poszukiwaniu ferromagnetycznych stopów o namagnesowaniu w temperaturze pokojowej znacznie wyższym niż żelaza ferrytów. Nie należy jednak wykluczyć, jak zwykle to bywa w nauce, jakichś wyłomów — choć na dzień dzisiejszy wydaje się to mało prawdopodobne.
Dla mnie najbardziej prawdopodobna droga do dalszego zwiększania energii magnetycznej wiedzie przez magnesy kompozytowe składające się z fazy magnetycznie twardej – trudnej do namagnesowania, i fazy magnetycznie miękkiej — łatwej do namagnesowania. Ale w każdym bądź razie wydaje mi się być prawdopodobnym, że gęstość energii magnesów trwałych w następnych łatach będzie wskazywała wzrost opisany krzywą S, charakteryzującą rozwój tych materiałów w XX wieku. Czy to oznacza stagnację w rozwoju tych materiałów — nie. Nacisk badań kładzie się obecnie na uniwersalność i efektywność ekonomiczną magnesów trwałych związane i wyraźną poprawą ich stabilności termicznej i odporności korozyjnej oraz łatwością ich wytwarzania. Umożliwi to poszerzenie zakresu zastosowań magnesów trwałych — co będzie cechą charakterystyczna związaną z magnesami trwałymi w następnym stuleciu. **
Analizując rozwój magnesów trwałych nasuwają się refleksje o charakterze ogólniejszym: uprawianie badań naukowych ukazuje nam się najwcześniej jako wynik wewnętrznej potrzeby uczonego dążącego ku szczytnemu celowi poznania prawdy.
W historii rozwoju nauki zdarzało się jednak najczęściej, że wyniki tych bezinteresownych badań znajdowały praktyczne zastosowanie. Tego rodzaju przenikanie odkryć naukowych do życia wymaga wielu prac i badań, zarówno naukowych, jak i technicznych, skierowanych ku określonemu praktycznemu celowi.
W ten sposób badania naukowe, zarówno z dziedziny najczystszej nauki, jak i nauki stosowanej do celów praktycznych mają przemożny wpływ na rozwój techniki i gospodarki danego kraju, czy region, na jego życie kulturalne i na jego kulturę materialną. Dlatego rozwój tych badań nie może być pozostawiony sam sobie i przebiegać w sposób żywiołowy, często przypadkowy, zależny tylko od zainteresowań i energii pojedynczych, chociaż często wybitnych jednostek.
Wpływ nauk ścisłych czy też technicznych nie ogranicza się na szczęście do dziedzin pokrewnych technice. Formułują one – drogą okrężną – całą psychikę człowieka współczesnego. Niesłuszne też wydają się obawy, że rosnąca rola nauk ścisłych i technicznych może zabić jakiekolwiek humanistyczne wartości. Przeciwnie. Nastawienie umysłu reprezentowane przez te nauki nie zabija wcale fantazji: daje tylko odporność jej pozorom.
Sam typ myślenia, jaki zrodził się w owych naukach, ma ogromny, pośredni wpływ na ewolucję postawy umysłowej człowieka. Ma to ogromne znaczenie dla nas samych, jak i dla dalszego rozwoju naszego regionu, szczególnie w obecnym okresie czasu. Wypada tu przytoczyć trafna myśl greckiego filozofa Arystofanesa: „co innego zwyciężyć, a co innego korzystać ze zwycięstwa”. Zwyciężyliśmy – broniąc województwa opolskiego, korzystajmy ze zwycięstwa – naszą codzienną pracą, stosunkiem do problemów i udziałem w ich właściwym rozwiązywaniu przyczyniajmy się do dalszego rozwoju naszego regionu tym samym do harmonijnego, spokojnego i coraz dostatniejszego życia na ziemi opolskiej.
Niesłuszne też wydają się obawy, że rosnąca rola nauk ścisłych i technicznych może zabić jakiekolwiek humanistyczne wartości. Przeciwnie. Nastawienie umysłu reprezentowane przez te nauki nie zabija wcale fantazji: daje tylko odporność jej pozorom.
Literatura
[1] Yu – Quinn Yang, Proc. The 3 International Conference on Physics of Magnetic Materials, Szczyrk – Bita (Poland) 1986, ed. W. Gorzewski, H.K. Wachowicz, M. Szymczak, World Scientific, Singapore – New Jersey – London – Hong Kong [2] R. Sroczyński, Rozwój eksperymentu, pojęć i teorii magnetyzmu, Zakład Naukowy im. Ossolińskich, Wydawnictwo PAN, Wrocław-Warszawa-Kraków, 1969 [3] J. M. D. Codey, 9. Ind. Symp. On Magn. Anizotropy and Coercivity in RE Trans. Met. Alloys, Sao Paulo (Brazylia) 1996, 1 [4] W. Gilbert, De magnete, magneteticisque corporibus et de magno magnete tellure, Physiologia nova, plurismis et argumentis et experimentis demonstrate, Petrus Short, London, 1600*Wykład wygłoszony podczas inauguracji roku akademickiego, 5 października 1998 (oryginalny tytuł: „Magnesy trwałe z perspektywy dwóch tysięcy lat”)
** Profesor dobrze przewidział, że rozwój magnesów wpłynie na wiele dziedzin techniki, m.in. komputerowej. Ostatnim wynalazkiem w tej materii jest wykonanie warstwy magnetycznej o grubości zaledwie jednego atomu (!), której możliwości wykorzystać można w fizyce kwantowej. (https://www.nature.com/articles/s41467-021-24247-w) –
Górna fotografia: https://pl.wikipedia.org/wiki/Magnes#/media/Plik:Magnet0873.png