Většina lidí ví, že železo přitahují magnety, zatímco jiné kovy jako zlato a stříbro ne. Přesto jen málo lidí dokáže přesně vysvětlit, proč má železo takový magický vztah s magnetismem. Chcete-li dospět k odpovědi, musíte se dostat na atomovou úroveň a prozkoumat magnetickou povahu elektronů atomu.
Elektrony a magnetismus
Věda za magnetismem, stejně jako elektřina, sestupuje k elektronům, negativně nabitým částicím obklopujícím atomové jádro. Všechny elektrony mají magnetické vlastnosti, stejně jako mají elektrické vlastnosti. Když elektron vykazuje magnetismus a následně jeho schopnost interagovat s vnějším magnetickým polem, říká se, že má magnetický moment.
Magnetický moment elektronu je založen na jeho rotaci a oběžné dráze, což jsou principy kvantové mechaniky. Aniž bychom se dostali do kvantových rovnic, stačí říci, že magnetický moment elektronu je způsoben jeho pohybem.
Co dělá materiál magnetickým?
Zatímco jednotlivé atomy v jakékoli látce mohou mít magnetické momenty, neznamená to, že samotná látka je magnetická. Aby byla látka magnetická, potřebujete dostatečný počet atomů, které spolupracují. To vyžaduje dvě věci.
První věcí, která se musí stát, je, že mezi atomy musí být nějaká neshoda. V mnoha látkách se všechny elektrony seřadí v uspořádaných párech, přičemž každá z nich ruší magnetické vlastnosti druhé. Pokud si představíte 1000 lokomotiv, z nichž polovina se pokouší jít na sever a druhá polovina na jih, žádná z nich se nepohne. Aby mohla být látka magnetická, nelze všechny její elektrony spárovat.
To však samo o sobě nestačí na to, aby látka byla magnetická. Jen proto, že se elektrony materiálu nelíbí ve dvojicích, nemusí nutně znamenat, že látka je magnetická. Například mangan, důležitý minerál nacházející se v ořechech a obilovinách a nezbytný pro zdravé kosti, není magnetický, i když se jeho elektrony nespojují v párech. Pokud jste měli 1001 vlakových motorů, 500 směřujících na jih a 501 směřujících na sever, tento extra motor moc nezmění.
Druhá věc, kterou potřebujete, je dostatečný počet elektronů, aby se vyrovnaly paralelně k sobě - jako mnoho lokomotiv směřující stejným směrem - takže jejich schopnost interakce s vnějším magnetickým polem je natolik podstatná, aby pohnula celým objekt.
Jakýkoli materiál, který má tyto dvě podmínky, se nazývá feromagnetický. Železo je nejběžnějším feromagnetickým prvkem. Dva další feromagnetické prvky jsou nikl a kobalt. Avšak několik dalších látek může být feromagnetických, když jsou zahřáté nebo kombinované s jinými materiály.