De flesta vet att järn lockas till magneter, medan andra metaller som guld och silver inte är det. Ändå kan få människor förklara exakt varför järn har detta magiska förhållande till magnetism. För att komma till svaret måste du komma ner till atomnivån och undersöka magnetens natur hos en atoms elektroner.
Elektroner och magnetism
Vetenskapen bakom magnetism, liksom elektricitet, kommer ner till elektroner, de negativt laddade partiklarna som omger en atoms kärna. Alla elektroner har magnetiska egenskaper, precis som de har elektriska egenskaper. När en elektron uppvisar magnetism och följaktligen dess förmåga att interagera med ett externt magnetfält, sägs det ha ett magnetiskt ögonblick.
En elektronns magnetiska moment baseras på dess snurrning och dess omlopp, som båda är principerna för kvantmekanik. Utan att komma in i kvantekvationer, räcker det med att säga att en elektronns magnetiska moment beror på dess rörelse.
Vad gör ett material magnetiskt?
Medan de enskilda atomerna i något ämne kan ha magnetiska ögonblick betyder det inte att själva substansen är magnetisk. För att ämnet ska vara magnetiskt behöver du tillräckligt många atomer som alla arbetar tillsammans. Detta kräver två saker.
Det första som måste hända är att det måste finnas någon oenighet mellan atomerna. I många ämnen raderar sig alla elektroner i ordnade par, var och en av dem tar bort de andra magnetiska egenskaperna. Om du föreställer dig 1000 lok, hälften av dem försöker åka norrut och den andra hälften söderut, ingen av dem kommer att flytta. Så för att ett ämne ska vara magnetiskt kan inte dess elektroner paras ihop.
Detta är dock inte i sig tillräckligt för att ämnet ska vara magnetiskt. Bara för att ett materials elektroner inte stämmer i par betyder inte nödvändigtvis att ämnet är magnetiskt. Mangan, till exempel, ett viktigt mineral som finns i nötter och spannmål och som är viktigt för friska ben, är inte magnetiskt, även om elektronerna inte stämmer parvis. Om du hade 1001 tågmotorer, 500 mot söder och 501 mot norr, kommer den extra motorn inte att göra någon större skillnad.
Det andra du behöver är att ett tillräckligt antal elektroner ska rikta sig parallellt med varandra - som många lok i samma riktning - så deras förmåga att interagera med ett externt magnetfält är tillräckligt stor för att flytta hela objekt.
Allt material som har dessa två tillstånd kallas ferromagnetiskt. Järn är det vanligaste ferromagnetiska elementet. Två andra ferromagnetiska element är nickel och kobolt. Flera andra ämnen kan dock vara ferromagnetiska när de värms upp eller kombineras med andra material.