ทำไมแม่เหล็กดึงดูดเหล็ก?

คนส่วนใหญ่รู้ว่าเหล็กดึงดูดแม่เหล็ก ในขณะที่โลหะอื่นๆ เช่น ทองและเงินไม่ได้ดึงดูด ยังมีเพียงไม่กี่คนที่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเหล็กถึงมีความสัมพันธ์ที่มหัศจรรย์กับสนามแม่เหล็ก เพื่อให้ได้คำตอบ คุณต้องลงไปที่ระดับอะตอมแล้วตรวจสอบลักษณะแม่เหล็กของอิเล็กตรอนของอะตอม

วิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังสนามแม่เหล็ก เช่น ไฟฟ้า ลงมาที่อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบรอบๆ นิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนทั้งหมดมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กเช่นเดียวกับคุณสมบัติทางไฟฟ้า เมื่ออิเล็กตรอนแสดงสนามแม่เหล็ก และด้วยเหตุนี้ อิเล็กตรอนจึงสามารถมีปฏิสัมพันธ์กับสนามแม่เหล็กภายนอกได้ กล่าวกันว่ามีโมเมนต์แม่เหล็ก

โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับการหมุนและการโคจรของอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นทั้งหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม โดยไม่ต้องเข้าไปในสมการควอนตัม พอเพียงที่จะบอกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนเกิดจากการเคลื่อนที่ของมัน

แม้ว่าแต่ละอะตอมในสสารใดๆ สามารถมีโมเมนต์แม่เหล็กได้ แต่นั่นไม่ได้หมายความว่าสสารนั้นเป็นแม่เหล็ก เพื่อให้สารเป็นแม่เหล็ก คุณต้องมีอะตอมที่ทำงานร่วมกันในจำนวนที่เพียงพอ สิ่งนี้ต้องการสองสิ่ง

สิ่งแรกที่ต้องเกิดขึ้นคือต้องมีความไม่ลงรอยกันระหว่างอะตอม ในหลาย ๆ สาร อิเล็กตรอนทั้งหมดเรียงตัวกันเป็นคู่อย่างเป็นระเบียบ โดยแต่ละตัวจะตัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอีกตัวหนึ่งออกไป หากคุณนึกภาพหัวรถจักร 1,000 หัว ครึ่งหนึ่งพยายามไปทางเหนือและอีกครึ่งหนึ่งไปทางใต้ จะไม่มีใครเคลื่อนที่เลย ดังนั้น สำหรับสสารที่จะเป็นแม่เหล็ก อิเล็กตรอนของสารนั้นไม่สามารถจับคู่กันได้ทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่เพียงพอสำหรับสารที่จะเป็นแม่เหล็ก เพียงเพราะว่าอิเล็กตรอนของวัสดุไม่เรียงกันเป็นคู่ ไม่ได้หมายความว่าสารนั้นเป็นแม่เหล็กเสมอไป ตัวอย่างเช่น แมงกานีส แร่ธาตุสำคัญที่พบในถั่วและซีเรียลและจำเป็นสำหรับกระดูกที่แข็งแรง ไม่ได้เป็นแม่เหล็ก แม้ว่าอิเล็กตรอนของมันจะไม่เรียงกันเป็นคู่ก็ตาม หากคุณมีเครื่องยนต์รถไฟ 1001 เครื่อง 500 เครื่องหันไปทางทิศใต้และ 501 หันไปทางทิศเหนือ เครื่องยนต์พิเศษนั้นไม่ได้สร้างความแตกต่างมากนัก

สิ่งที่สองที่คุณต้องการคือจำนวนอิเล็กตรอนที่เพียงพอในการวางแนวขนานกัน – เช่นหัวรถจักรจำนวนมาก หันหน้าไปในทิศทางเดียวกัน ดังนั้นความสามารถในการโต้ตอบกับสนามแม่เหล็กภายนอกจึงเพียงพอต่อการเคลื่อนตัวทั้งหมด วัตถุ.

วัสดุใด ๆ ที่มีสองเงื่อนไขนี้เรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติก เหล็กเป็นธาตุเฟอร์โรแมกเนติกที่พบมากที่สุด ธาตุเฟอร์โรแมกเนติกอื่นอีกสองชนิดคือนิกเกิลและโคบอลต์ อย่างไรก็ตาม สารอื่นๆ อีกหลายชนิดสามารถเป็นเฟอร์โรแมกเนติกได้เมื่อถูกให้ความร้อนหรือรวมกับวัสดุอื่นๆ