Večina ljudi ve, da železo privlačijo magneti, druge kovine, kot sta zlato in srebro, pa ne. Pa vendar le malo ljudi lahko natančno razloži, zakaj ima železo to čarobno zvezo z magnetizmom. Da bi prišli do odgovora, se morate spustiti na atomsko raven in preučiti magnetno naravo elektronov atoma.
Elektroni in magnetizem
Znanost v ozadju magnetizma, tako kot elektrika, prihaja do elektronov, negativno nabitih delcev, ki obkrožajo jedro atoma. Vsi elektroni imajo magnetne lastnosti, tako kot imajo električne lastnosti. Ko elektron pokaže magnetizem in ima posledično sposobnost interakcije z zunanjim magnetnim poljem, naj bi imel magnetni moment.
Magnetni moment elektrona temelji na njegovem vrtenju in orbiti, ki sta oba načela kvantne mehanike. Ne da bi se spuščali v kvantne enačbe, je dovolj, če rečemo, da je magnetni moment elektrona posledica njegovega gibanja.
Kaj naredi material magnetnim?
Posamezni atomi v kateri koli snovi imajo lahko magnetne momente, kar pa ne pomeni, da je snov sama magnetna. Da je snov magnetna, potrebujete zadostno število atomov, ki delujejo skupaj. To zahteva dve stvari.
Prva stvar, ki se mora zgoditi, je, da mora biti med atomi nekaj nesoglasij. V mnogih snoveh se vsi elektroni razvrstijo v urejene pare, pri čemer vsak odstrani magnetne lastnosti drugega. Če si predstavljate 1000 lokomotiv, polovica jih poskuša iti proti severu, druga polovica pa proti jugu, nobena se ne bo premaknila. Torej, da je snov magnetna, se njeni elektroni ne morejo spariti.
Vendar to samo po sebi ni dovolj, da bi bila snov magnetna. Ker se elektroni materiala ne ujemajo v parih, ne pomeni nujno, da je snov magnetna. Mangan, na primer pomemben mineral, ki ga najdemo v oreščkih in žitih in je bistven za zdrave kosti, ni magnetni, čeprav se njegovi elektroni ne ujemajo v parih. Če bi imeli 1001 motorjev vlakov, 500 obrnjenih proti jugu in 501 proti severu, ta dodatni motor ne bo bistveno vplival.
Druga stvar, ki jo potrebujete, je, da se zadostno število elektronov poravna vzporedno med seboj - kot veliko lokomotiv obrnjeni v isto smer - torej je njihova sposobnost interakcije z zunanjim magnetnim poljem dovolj velika, da lahko celotno premika predmet.
Vsak material, ki ima ta dva pogoja, se imenuje feromagnetni. Železo je najpogostejši feromagnetni element. Druga dva feromagnetna elementa sta nikelj in kobalt. Nekaj drugih snovi pa je lahko feromagnetnih, če jih segrejemo ali kombiniramo z drugimi materiali.