De fleste mennesker ved, at jern tiltrækkes af magneter, mens andre metaller som guld og sølv ikke er det. Alligevel kan få mennesker forklare nøjagtigt, hvorfor jern har dette magiske forhold til magnetisme. For at komme til svaret er du nødt til at komme ned til atomniveauet og undersøge den magnetiske natur af et atoms elektroner.
Elektroner og magnetisme
Videnskaben bag magnetisme kommer ligesom elektricitet ned til elektroner, de negativt ladede partikler, der omgiver et atoms kerne. Alle elektroner har magnetiske egenskaber, ligesom de har elektriske egenskaber. Når en elektron udviser magnetisme, og derfor er dens evne til at interagere med et eksternt magnetfelt, siges det at have et magnetisk øjeblik.
En elektrons magnetiske øjeblik er baseret på dens spin og dens bane, som begge er principper for kvantemekanik. Uden at komme ind i kvanteligninger er det tilstrækkeligt at sige, at en elektron magnetisk moment skyldes dens bevægelse.
Hvad gør et materiale magnetisk?
Mens de enkelte atomer i ethvert stof kan have magnetiske øjeblikke, betyder det ikke, at selve stoffet er magnetisk. For at stoffet skal være magnetisk, har du brug for et tilstrækkeligt antal atomer, der alle arbejder sammen. Dette kræver to ting.
Den første ting, der skal ske, er, at der skal være en vis uenighed mellem atomerne. I mange stoffer stiller alle elektronerne sig op i ordnede par, hver af dem annullerer de andres magnetiske egenskaber. Hvis du forestiller dig 1.000 lokomotiver, hvoraf halvdelen prøver at gå nordpå og den anden halvdel sydpå, vil ingen af dem bevæge sig. Så for at et stof skal være magnetisk, kan dets elektroner ikke alle parres sammen.
Dette er imidlertid ikke i sig selv nok til, at stoffet er magnetisk. Bare fordi et materiales elektroner ikke er parret, betyder det ikke nødvendigvis, at stoffet er magnetisk. Mangan, for eksempel, et vigtigt mineral, der findes i nødder og korn og essentielt for sunde knogler, er ikke magnetisk, selvom dets elektroner ikke stemmer overens parvis. Hvis du havde 1001 togmotorer, 500 mod syd og 501 mod nord, vil den ekstra motor ikke gøre meget af en forskel.
Den anden ting, du har brug for, er, at et tilstrækkeligt antal elektroner tilpasser sig parallelt med hinanden - som mange lokomotiver vender i samme retning - så deres evne til at interagere med et eksternt magnetfelt er betydelig nok til at bevæge sig hele objekt.
Ethvert materiale, der har disse to betingelser, kaldes ferromagnetisk. Jern er det mest almindelige ferromagnetiske element. To andre ferromagnetiske elementer er nikkel og cobalt. Imidlertid kan flere andre stoffer være ferromagnetiske, når de opvarmes eller kombineres med andre materialer.