Useimmat ihmiset tietävät, että rauta vetää magneetteja, kun taas muut metallit, kuten kulta ja hopea, eivät. Silti harvat ihmiset voivat selittää, miksi raudalla on tämä maaginen suhde magnetismiin. Saadaksesi vastauksen, sinun on päästävä atomitasolle ja tutkittava atomin elektronien magneettista luonnetta.
Elektronit ja magnetismi
Magnetismin takana oleva tiede, kuten sähkö, tulee elektroneihin, negatiivisesti varattuihin hiukkasiin, jotka ympäröivät atomin ydintä. Kaikilla elektronilla on magneettisia ominaisuuksia, aivan kuten niillä on sähköisiä ominaisuuksia. Kun elektronilla on magneettisuutta ja siten kykyä toimia vuorovaikutuksessa ulkoisen magneettikentän kanssa, sillä sanotaan olevan magneettinen momentti.
Elektronin magneettinen momentti perustuu sen spiniin ja kiertoradalle, jotka ovat molemmat kvanttimekaniikan pääperiaatteita. Riittämättä sanoa, että elektronin magneettinen momentti johtuu sen liikkeestä, pääsemättä kvanttiyhtälöihin.
Mikä tekee materiaalista magneettisen?
Vaikka minkä tahansa aineen yksittäisillä atomeilla voi olla magneettisia momentteja, se ei tarkoita, että aine itsessään on magneettinen. Jotta aine olisi magneettinen, tarvitset riittävän määrän atomeja, jotka kaikki työskentelevät yhdessä. Tämä vaatii kahta asiaa.
Ensimmäinen asia, jonka on tapahduttava, on, että atomien välillä on oltava erimielisyyksiä. Monissa aineissa kaikki elektronit asettuvat järjestäytyneinä pareittain, joista kukin poistaa toisen magneettiset ominaisuudet. Jos kuvitellaan 1000 veturia, joista puolet yrittää mennä pohjoiseen ja toinen puoli etelään, kukaan heistä ei aio liikkua. Joten, jotta aine olisi magneettinen, sen kaikkia elektroneja ei voida yhdistää toisiinsa.
Tämä ei kuitenkaan sinänsä riitä aineen magneettisuuteen. Se, että materiaalin elektronit eivät ole rivissä pareittain, ei välttämättä tarkoita sitä, että aine on magneettinen. Esimerkiksi mangaani, tärkeä pähkinöissä ja viljoissa oleva mineraali, joka on välttämätön terveille luille, ei ole magneettinen, vaikka sen elektronit eivät olekaan pareittain. Jos sinulla olisi 1001 junamoottoria, 500 etelään ja 501 pohjoiseen, tällä ylimääräisellä moottorilla ei ole paljon eroa.
Toinen asia, mitä tarvitset, on, että riittävä määrä elektroneja kohdistuu yhdensuuntaisesti toistensa kanssa - kuten monet veturit päin samaan suuntaan - joten heidän kykynsä olla vuorovaikutuksessa ulkoisen magneettikentän kanssa on riittävän merkittävä kokonaisuuden siirtämiseksi esine.
Kaikkia materiaaleja, joilla on nämä kaksi ehtoa, kutsutaan ferromagneettisiksi. Rauta on yleisin ferromagneettinen elementti. Kaksi muuta ferromagneettista elementtiä ovat nikkeli ja koboltti. Useat muut aineet voivat kuitenkin olla ferromagneettisia, kun ne kuumennetaan tai yhdistetään muihin materiaaleihin.