Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι ο σίδηρος προσελκύεται στους μαγνήτες, ενώ άλλα μέταλλα όπως ο χρυσός και το ασήμι δεν είναι. Ωστόσο, λίγοι άνθρωποι μπορούν να εξηγήσουν ακριβώς γιατί ο σίδηρος έχει αυτή τη μαγική σχέση με τον μαγνητισμό. Για να φτάσετε στην απάντηση, πρέπει να κατεβείτε στο ατομικό επίπεδο και να εξετάσετε τη μαγνητική φύση των ηλεκτρονίων ενός ατόμου.
Ηλεκτρόνια και μαγνητισμός
Η επιστήμη πίσω από τον μαγνητισμό, όπως η ηλεκτρική ενέργεια, καταλήγει στα ηλεκτρόνια, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου. Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν μαγνητικές ιδιότητες, όπως και ηλεκτρικές ιδιότητες. Όταν ένα ηλεκτρόνιο επιδεικνύει μαγνητισμό, και κατά συνέπεια, είναι ικανό να αλληλεπιδρά με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, λέγεται ότι έχει μαγνητική ροπή.
Η μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου βασίζεται στην περιστροφή και την τροχιά του, που είναι και οι δύο αρχές της κβαντικής μηχανικής. Χωρίς να μπείτε σε κβαντικές εξισώσεις, αρκεί να πούμε ότι η μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου οφείλεται στην κίνησή του.
Τι κάνει ένα υλικό μαγνητικό;
Ενώ τα μεμονωμένα άτομα σε οποιαδήποτε ουσία μπορούν να έχουν μαγνητικές ροπές, αυτό δεν σημαίνει ότι η ίδια η ουσία είναι μαγνητική. Για να είναι μαγνητική η ουσία, χρειάζεστε αρκετό αριθμό ατόμων που συνεργάζονται όλα. Αυτό απαιτεί δύο πράγματα.
Το πρώτο πράγμα που πρέπει να συμβεί είναι ότι πρέπει να υπάρχει κάποια διαφωνία μεταξύ των ατόμων. Σε πολλές ουσίες, όλα τα ηλεκτρόνια ευθυγραμμίζονται σε κανονικά ζεύγη, καθένα από αυτά ακυρώνει τις μαγνητικές ιδιότητες του άλλου. Αν φανταστείτε 1.000 ατμομηχανές, οι μισές από αυτές προσπαθούν να πάνε βόρεια και οι άλλοι μισές πηγαίνουν νότια, καμία από αυτές δεν πρόκειται να κινηθεί. Έτσι, για να είναι μια ουσία μαγνητική, τα ηλεκτρόνια της δεν μπορούν να ζευγαρωθούν.
Ωστόσο, αυτό από μόνο του δεν είναι αρκετό για την ουσία να είναι μαγνητική. Ακριβώς επειδή τα ηλεκτρόνια ενός υλικού δεν ευθυγραμμίζονται σε ζεύγη δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η ουσία είναι μαγνητική. Το μαγγάνιο, για παράδειγμα, ένα σημαντικό μέταλλο που βρίσκεται σε ξηρούς καρπούς και δημητριακά και είναι απαραίτητο για υγιή οστά, δεν είναι μαγνητικό, παρόλο που τα ηλεκτρόνια του δεν ευθυγραμμίζονται σε ζεύγη. Αν είχατε 1001 κινητήρες τρένων, 500 στραμμένους νότια και 501 στραμμένους βόρεια, αυτός ο επιπλέον κινητήρας δεν πρόκειται να κάνει μεγάλη διαφορά.
Το δεύτερο πράγμα που χρειάζεστε είναι να υπάρχει επαρκής αριθμός ηλεκτρονίων ώστε να ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους - όπως πολλές ατμομηχανές στραμμένα προς την ίδια κατεύθυνση - έτσι η ικανότητά τους να αλληλεπιδρούν με ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι αρκετά σημαντική ώστε να μετακινείται ολόκληρο αντικείμενο.
Κάθε υλικό που έχει αυτές τις δύο συνθήκες ονομάζεται σιδηρομαγνητική. Ο σίδηρος είναι το πιο κοινό σιδηρομαγνητικό στοιχείο. Δύο άλλα σιδηρομαγνητικά στοιχεία είναι το νικέλιο και το κοβάλτιο. Ωστόσο, πολλές άλλες ουσίες μπορούν να είναι σιδηρομαγνητικές όταν θερμαίνονται ή συνδυάζονται με άλλα υλικά.