De fleste vet at jern tiltrekkes av magneter, mens andre metaller som gull og sølv ikke er det. Likevel kan få mennesker forklare nøyaktig hvorfor jern har dette magiske forholdet til magnetisme. For å komme til svaret, må du komme deg ned på atomnivå og undersøke den magnetiske naturen til et atoms elektroner.
Elektroner og magnetisme
Vitenskapen bak magnetisme, som elektrisitet, kommer ned til elektroner, de negativt ladede partiklene som omgir atomets kjerne. Alle elektroner har magnetiske egenskaper, akkurat som de har elektriske egenskaper. Når et elektron viser magnetisme, og følgelig evnen til å samhandle med et eksternt magnetfelt, sies det å ha et magnetisk øyeblikk.
Et elektronens magnetiske øyeblikk er basert på dets spinn og bane, som begge er prinsippene for kvantemekanikken. Uten å komme inn i kvanteligninger, er det tilstrekkelig å si at et elektronens magnetiske øyeblikk skyldes bevegelsen.
Hva gjør en materiell magnetisk?
Mens de enkelte atomene i et hvilket som helst stoff kan ha magnetiske øyeblikk, betyr det ikke at selve stoffet er magnetisk. For at stoffet skal være magnetisk, trenger du et tilstrekkelig antall atomer som alle jobber sammen. Dette krever to ting.
Det første som må skje er at det må være noe uenighet mellom atomene. I mange stoffer stiller alle elektronene seg i ordnede par, hver av dem utelukker de andres magnetiske egenskaper. Hvis du forestiller deg 1000 lokomotiver, halvparten av dem prøver å gå nordover og den andre halvparten går sørover, vil ingen av dem flytte. Så for at et stoff skal være magnetisk, kan ikke elektronene parres sammen.
Imidlertid er dette i seg selv ikke nok for at stoffet skal være magnetisk. Bare fordi et materialets elektroner ikke stilles opp parvis, betyr det ikke nødvendigvis at stoffet er magnetisk. Mangan, for eksempel, et viktig mineral som finnes i nøtter og frokostblandinger og som er viktig for sunne bein, er ikke magnetisk, selv om elektronene ikke stiller seg i par. Hvis du hadde 1001 togmotorer, 500 mot sør og 501 mot nord, kommer ikke den ekstra motoren til å utgjøre noen stor forskjell.
Det andre du trenger er at et tilstrekkelig antall elektroner justerer seg parallelt med hverandre - som mange lokomotiver vender i samme retning - så deres evne til å samhandle med et eksternt magnetfelt er betydelig nok til å bevege hele gjenstand.
Alt materiale som har disse to forholdene kalles ferromagnetisk. Jern er det vanligste ferromagnetiske elementet. To andre ferromagnetiske elementer er nikkel og kobolt. Imidlertid kan flere andre stoffer være ferromagnetiske når de varmes opp eller kombineres med andre materialer.