Większość ludzi wie, że magnesy przyciągają żelazo, podczas gdy inne metale, takie jak złoto i srebro, nie. Jednak niewiele osób potrafi dokładnie wyjaśnić, dlaczego żelazo ma ten magiczny związek z magnetyzmem. Aby uzyskać odpowiedź, musisz zejść na poziom atomowy i zbadać magnetyczną naturę elektronów atomu.
Elektrony i magnetyzm
Nauka stojąca za magnetyzmem, podobnie jak elektryczność, sprowadza się do elektronów, ujemnie naładowanych cząstek otaczających jądro atomu. Wszystkie elektrony mają właściwości magnetyczne, podobnie jak właściwości elektryczne. Kiedy elektron wykazuje magnetyzm, a co za tym idzie, może oddziaływać z zewnętrznym polem magnetycznym, mówi się, że ma moment magnetyczny.
Moment magnetyczny elektronu opiera się na jego spinie i orbicie, które są podstawą mechaniki kwantowej. Nie zagłębiając się w równania kwantowe, wystarczy powiedzieć, że moment magnetyczny elektronu wynika z jego ruchu.
Co sprawia, że materiał jest magnetyczny?
Chociaż poszczególne atomy w każdej substancji mogą mieć momenty magnetyczne, nie oznacza to, że sama substancja jest magnetyczna. Aby substancja była magnetyczna, potrzebna jest wystarczająca liczba atomów współpracujących ze sobą. Wymaga to dwóch rzeczy.
Pierwszą rzeczą, która musi się wydarzyć, jest to, że między atomami musi być jakaś niezgoda. W wielu substancjach wszystkie elektrony układają się w uporządkowane pary, z których każdy niweluje właściwości magnetyczne drugiego. Jeśli wyobrazisz sobie 1000 lokomotyw, z których połowa próbuje jechać na północ, a druga połowa na południe, żadna z nich się nie ruszy. Tak więc, aby substancja była magnetyczna, jej elektrony nie mogą być sparowane.
Jednak samo to nie wystarcza, aby substancja była magnetyczna. To, że elektrony materiału nie układają się parami, niekoniecznie oznacza, że substancja jest magnetyczna. Na przykład mangan, ważny minerał występujący w orzechach i zbożach, niezbędny dla zdrowych kości, nie jest magnetyczny, mimo że jego elektrony nie układają się parami. Gdybyś miał 1001 lokomotyw, 500 skierowanych na południe i 501 skierowanych na północ, ta dodatkowa lokomotywa nie miałaby większego znaczenia.
Drugą rzeczą, której potrzebujesz, jest odpowiednia liczba elektronów, aby ustawić się równolegle do siebie – jak wiele lokomotyw skierowane w tym samym kierunku – dzięki czemu ich zdolność do oddziaływania z zewnętrznym polem magnetycznym jest wystarczająco duża, aby poruszyć całość obiekt.
Każdy materiał, który spełnia te dwa warunki, nazywany jest ferromagnetycznym. Żelazo jest najczęstszym pierwiastkiem ferromagnetycznym. Dwa inne pierwiastki ferromagnetyczne to nikiel i kobalt. Jednak kilka innych substancji może być ferromagnetycznych, gdy są podgrzewane lub łączone z innymi materiałami.