Більшість людей знає, що залізо притягується магнітами, тоді як інші метали, такі як золото та срібло, ні. Проте мало хто може пояснити, чому залізо має такі магічні стосунки з магнетизмом. Щоб дійти відповіді, потрібно опуститися до атомного рівня і дослідити магнітну природу електронів атома.
Електрони і магнетизм
Наука, яка стоїть за магнетизмом, подібно до електрики, зводиться до електронів, негативно заряджених частинок, що оточують ядро атома. Всі електрони мають магнітні властивості, як і електричні властивості. Коли електрон проявляє магнетизм і, отже, його здатність взаємодіяти із зовнішнім магнітним полем, кажуть, що він має магнітний момент.
Магнітний момент електрона базується на його спіні та його орбіті, які є обома принципами квантової механіки. Не вникаючи в квантові рівняння, досить сказати, що магнітний момент електрона обумовлений його рухом.
Що робить матеріал магнітним?
Хоча окремі атоми будь-якої речовини можуть мати магнітні моменти, це не означає, що сама речовина є магнітною. Щоб речовина була магнітною, вам потрібна достатня кількість атомів, що працюють разом. Для цього потрібні дві речі.
Перше, що має статися, це те, що між атомами повинні бути певні розбіжності. У багатьох речовинах всі електрони вибудовуються в упорядковані пари, кожен з них відміняє магнітні властивості іншого. Якщо ви уявляєте 1000 локомотивів, половина з яких намагається їхати на північ, а друга половина йде на південь, ніхто з них не збирається рухатися. Отже, щоб речовина була магнітною, її електрони не можуть бути об’єднані в пару.
Однак цього самого по собі недостатньо, щоб речовина була магнітною. Те, що електрони матеріалу не вибудовуються попарно, не означає, що речовина є магнітною. Наприклад, марганець, важливий мінерал, який міститься в горіхах і крупах і необхідний для здорових кісток, не є магнітним, хоча його електрони не вибудовуються попарно. Якщо у вас було 1001 двигун поїздів, 500 - на південь і 501 - на північ, цей додатковий двигун не сильно зміниться.
Друге, що вам потрібно, це достатня кількість електронів, щоб вирівнятись паралельно один одному - як багато локомотивів звернені в одному напрямку - тому їх здатність взаємодіяти із зовнішнім магнітним полем є достатньо значною для переміщення цілого об'єкт.
Будь-який матеріал, який має ці дві умови, називається феромагнітним. Залізо - найпоширеніший феромагнітний елемент. Ще два феромагнітні елементи - нікель та кобальт. Однак кілька інших речовин можуть бути феромагнітними при нагріванні або поєднанні з іншими матеріалами.