อะไรทำให้วัสดุเป็นแม่เหล็ก?

ไม่ใช่แค่วัสดุใดๆ ก็ตามที่สามารถเป็นแม่เหล็กได้ อันที่จริง ในบรรดาองค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมด มีเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่มีความสามารถทางแม่เหล็ก และพวกมันแปรผันตามระดับ แม่เหล็กที่แรงที่สุดคือแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งจะได้รับแรงดึงดูดเมื่อกระแสไหลผ่านเท่านั้น กระแสคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนเป็นสิ่งที่ทำให้วัสดุเป็นแม่เหล็ก มีวัสดุผสมที่เป็นแม่เหล็ก ซึ่งปกติจะเรียกว่าวัสดุที่เป็นเหล็ก แม้ว่าจะไม่แข็งแรงเท่ากับแม่เหล็กไฟฟ้าก็ตาม

ในแง่ง่ายๆ สนามแม่เหล็กเป็นเรื่องเกี่ยวกับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กกว่าอนุภาคขนาดเล็กมากที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพฤติกรรมเหมือนแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วเหนือและใต้ เมื่ออิเล็กตรอนของอะตอมเรียงตัวกันในทิศทางเดียวกัน ไม่ว่าจะชี้ไปทางเหนือหรือชี้ไปทางใต้ทั้งหมด อะตอมจะกลายเป็นแม่เหล็ก และเนื่องจากอิเล็กตรอนหมุนหรือหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอม จึงเป็นไปได้ที่อะตอมจะมีแม่เหล็ก สนามเมื่อขั้วไม่ทั้งหมดอยู่ในแนวเดียวกันเนื่องจากการหมุนของอิเล็กตรอนซึ่งทำให้อะตอมเหมือน แม่เหล็กไฟฟ้า

ไม่มีองค์ประกอบคงที่ที่เป็นแม่เหล็กตามธรรมชาติ มีวัสดุที่ดึงดูดสนามแม่เหล็กมากขึ้น วัสดุที่ดึงดูดสนามแม่เหล็กมากที่สุดคือเหล็กและเหล็กกล้า อย่างไรก็ตาม มีส่วนผสมของวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้นหายากซึ่งเอื้อต่อการกลายเป็นแม่เหล็กไฟฟ้าโดย สัมผัสกับสนามแม่เหล็กแรงสูงและมีประจุแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นระยะเวลานาน เวลา. เนื่องจากความสามารถในการยึดสนามแม่เหล็กไว้เป็นเวลานานจึงถือเป็นแม่เหล็กถาวร วัสดุแม่เหล็กถาวรที่แข็งแรงที่สุดสองชนิด ได้แก่ เหล็ก-นีโอดิเมียม-โบรอนและอะลูมิเนียม-นิกเกิล-โคบอลต์

สนามแม่เหล็กนั้นอธิบายได้ยากด้วยความแม่นยำ เพราะมีอีกมากที่วิทยาศาสตร์ยังไม่เข้าใจเกี่ยวกับสนามแม่เหล็ก พูดง่ายๆ ก็คือ สนามแม่เหล็กแรงจะวัดเป็นเทสลา และสนามแม่เหล็กที่พบได้ทั่วไปและอ่อนกว่ามากในสิ่งต่างๆ เช่น ลำโพงสเตอริโอจะถูกวัดเป็นเกาส์ ต้องใช้ 10,000 เกาส์ในการสร้างหนึ่งเทสลา

วิธีอธิบายที่ง่ายกว่าคือการคิดถึงแรงดึงดูด แรงโน้มถ่วงของโลกถือเป็น 1 เทสลาหรือประมาณ 10,000 เกาส์ คุณอาจนึกถึงแรงแม่เหล็กของเกาส์ว่าเป็นน้ำหนัก หรือปริมาณของแรงที่กระทำโดยแรงดึงดูด ต้องใช้ขนนก 50 อันจึงจะเท่ากับ 1 เกาส์ของแรงที่วัดเป็นน้ำหนัก หรือในกรณีนี้คือแรงดึงดูดทางแม่เหล็ก น้ำหนักและแรงแม่เหล็กไม่เท่ากันโดยตรง แต่มีการนำเสนอเพื่อเป็นตัวอย่างเพื่อให้เข้าใจถึงแรงดึงแม่เหล็กหรือแรงของเกาส์

นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่าโลกมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็ก เนื่องจากเหล็กหรือเหล็กที่ลอยได้อิสระจะชี้ไปที่ทิศเหนือแม่เหล็กเสมอ นั่นคือจุดที่เส้นลองจิจูดทั้งหมดมาบรรจบกันที่ขั้วโลกเหนือ แม้ว่าแรงแม่เหล็กจะกระทำกับของเหลวส่วนใหญ่ไม่ได้ แต่ก็สามารถส่งผ่านไปยังแกนโลกซึ่งประกอบด้วยเหล็กหลอมเหลวได้ และสิ่งนี้ทำให้เรากลับมาที่อิเล็กตรอนที่หมุนได้ ในขณะที่โลกหมุนไปบนแกนของมัน แกนเหล็กที่หลอมเหลวของมันก็หมุนด้วยอิเล็กตรอนที่มีประจุไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งสร้างสนามแม่เหล็ก ดวงอาทิตย์ยังหมุนอยู่บนแกนของมัน และวัสดุของมันในลักษณะพลาสมา (คล้ายกับความคงตัวของของเหลว) จะสร้างสนามแม่เหล็กขึ้น

เช่นเดียวกับขั้วแม่เหล็กผลักกันในขณะที่ขั้วแม่เหล็กดึงดูด แม่เหล็กถูกดึงดูดโดยธรรมชาติไปยังสนามแม่เหล็กที่สูงขึ้น ลองนึกถึงการมีแม่เหล็กสองตัว อันหนึ่งมี 10 เทสลาและอีกอันหนึ่งมีเทสลา 1 อัน แม่เหล็ก 10 เทสลาออกแรงสนามแม่เหล็กที่แรงกว่า ชิ้นส่วนของวัสดุแม่เหล็กซึ่งวางห่างจากแม่เหล็กทั้งสองเท่ากันจะถูกดึงดูดไปยังสนามแม่เหล็กที่แรงกว่าทั้งสอง ดังนั้นเมื่อแม่เหล็กสองตัวที่มีขั้วคล้ายกันเข้าใกล้กัน พวกมันดูเหมือนจะผลักออกหรือถูกผลักออกไปเมื่อแท้จริงแล้วพวกมันกำลังมองหาสนามแม่เหล็กที่สูงกว่า กล่าวอีกนัยหนึ่ง แม่เหล็กทิศตะวันตกเฉียงเหนือสองอันดูเหมือนจะถูกผลักออกเพราะถูกดึงดูดด้วยสนามแม่เหล็กที่อยู่ตรงข้ามและทิศใต้