Richard Feynman blev engang stillet et meget lignende spørgsmål; hvorfor tiltrækker magneter? (Richard Feynman magneter) hans svar er fascinerende og forklarer de mange lag til det spørgsmål. Der er allerede nogle meget gode svar på dette spørgsmål, så jeg vil gerne tilbyde lidt ekstra krydret sauce til de allerede fremragende svar.
magneter ser ud til konstant at fascinere mennesker, fordi de erfarne kræfter ser ud til at handle på afstand. Vi er vant til at anvende kraft ved at røre ved noget, og vi har en medfødt forståelse af, hvad berøring betyder. I modsætning hertil synes de kræfter, der udstilles af magneter, at skyldes en usynlig ting, der tilsyneladende trodser forståelse. Ikke underligt, at især magnetisme og magneter ofte er forbundet med falske og endda falske teknologier.
fra et historisk perspektiv blev naturligt forekommende magneter først opdaget af de gamle og bruges til at Mode kompasser, der skal bruges til navigation. Det blev senere opdaget, at en strømbærende ledning producerede et felt, der fik en kompasnål til at omorientere, og det blev derfor opdaget, at der var et magnetfelt forbundet med strømmen i en ledning. Det var også kendt, at charge producerede et andet felt, som er det elektriske felt. Selve det elektriske felt havde ingen effekt på en kompassnål, og det kan derfor synes at være et andet felt. Men de blev hurtigt opdaget at være de forskellige aspekter af det samme felt. Dette kan ses ved hjælp af relativitetsprincippet, fordi en statisk ladning kan ses som en bevægende ændring i en bevægende referenceramme. Så det felt, der er forbundet med en referenceramme, hvor der kun er statiske ladninger, skal have den samme effekt (eller give anledning til den samme kraft) som det felt, der er forbundet med en bevægelig referenceramme, hvor ladningen ikke er statisk, men bevæger sig og dermed producerer et magnetfelt. Relativitetsprincippet forener således både de elektriske og magnetiske felter i et elektromagnetisk felt. Dette understøtter vores klassiske forståelse af elektricitet og magnetisme.
sagen er dog endnu ikke lukket, da magneter ikke oplades, men producerer et felt forbundet med to poler, som vi betegner Nord-og Sydpolen. De andre svar går i meget fine detaljer om justerede magnetiske domæner og endda det underliggende atomiske princip involveret.
vi kalder magnetfeltet dipolært, fordi det har to poler. Klassisk genererer en cirkulær strøm et dipolært felt. Vi bruger denne effekt til at lave elektromagneter.
hvis vi skulle overveje Bohr-modellen af atomet, har elektronerne cirkulære baner og forventes således at generere et dipolært magnetfelt. Men vi ved, at dette ikke er tilfældet, da atomer er kvanteobjekter og som sådan ikke kan forbindes med veldefinerede klassiske baner. Ikke desto mindre har de enkelte atomer i en magnet et tilknyttet magnetfelt, og det eksterne felt, som vi observerer, er en manifestation af, at alle disse felter er justeret.
det er fristende at tænke på et atom som en individuel magnet, der vil opføre sig meget på samme måde som en kompasnål ville, når den placeres i et eksternt magnetfelt. Dette er dog ikke tilfældet. Atomer er kvanteobjekter, og deres magnetiske egenskaber er faktisk kvantetilstandsegenskaber. Det sker bare så, at vinkelmomentet er forbundet med et veldefineret kvantetal, der kun kan påtage sig diskrete halvtalsværdier. Et atoms magnetiske øjeblik er direkte proportional med atomets samlede vinkelmoment. Således er enhver måling af et atoms magnetiske øjeblik faktisk en måling af atomernes vinkelmoment og vil kun have visse diskrete værdier, og endnu mere interessant, kun diskrete orienteringer! Dette er åbenlyst kvante adfærd, ikke klassisk adfærd. For en klassisk dipol kan dens rumlige orientering tage enhver værdi forbundet med at pege i enhver tilfældig retning i rummet. Dette giver et middel til direkte at skelne mellem et kvante og klassisk objekt. Dette blev først banebrydende i Stern Gerlach-eksperimentet.
Stern Gerlach-eksperimentet fungerede ved at sende neutrale atomer gennem et ikke-ensartet magnetfelt. Magnetfeltgradienten introducerer et varierende potentiale for justeringen af den magnetiske dipol, hvilket vil resultere i en justeringsafhængig kraft, der vil afbøje atomets vej gennem feltet. Hvis hvert atom opførte sig som en klassisk dipolmagnet, ville den tilfældige orientering i rummet resultere i en ensartet fordeling af kræfter, hvilket resulterer i en strækning af atomskyen langs retningen af feltgradienten. Imidlertid foretager apparatet faktisk en orienteringsmåling af atomets magnetiske øjeblik, som kvantiseres, og derfor er det faktiske observerede mønster, at atomskyen adskilles i forskellige diskrete pakker. Dette var (og er stadig) en forbløffende demonstration af atomernes kvante natur.
derfor er den ydmyge magnet langt mere vidunderlig, at den først ser ud. Det repræsenterer justeringen af utallige antal individuelle kvanteobjekter for at give det velkendte materiale, som vi bruger til at holde beskeder og billeder til vores køleskab.
lad os tage dette lidt længere. Et magnetfelt er forbundet med en elektrisk ladning. Der er en nysgerrig kvanteegenskab kaldet spin, som er forbundet med det magnetiske øjeblik for individuelle partikler, der komponerer atomer. Her kan vi ikke engang forestille os en elektron, der kredser om en kerne, fordi hver komponent i atomet også har et tilknyttet spin: elektroner, protoner og neutroner. Det er fristende at tænke på disse partikler som faktisk spinding omkring deres dipolære akse, men dette er ikke korrekt. På niveauet af grundlæggende partikler kan man ikke sige mere, end de har et magnetisk øjeblik. Dette kan faktisk demonstreres i et apparat svarende til Stern Gerlach-eksperimentet. For grundlæggende partikler er spin halvdelen, og der er kun to mulige orienteringer svarende til op eller ned.
i alle tilfælde er et iboende magnetisk øjeblik forbundet med en partikel, der besidder både ladning og spin. Fra klassiske egenskaber blev det vist, at magnetfeltet kun er en anden manifestation af det elektriske felt, og dette kræver, at der er ladninger til stede. Faktisk forventedes kun ladede partikler med spin at have et magnetisk øjeblik. Det var imidlertid muligt direkte at måle neutronens magnetiske øjeblik, som ikke har nogen nettoladning. Denne bemærkelsesværdige opdagelse er en direkte indikation af, at neutronen ikke er en grundlæggende partikel, men i sig selv er et sammensat kvanteobjekt. Det tog 20 år, før dette faktisk blev løst med kvarkmodellen. Således var det mystisk magnetisme, der førte til udviklingen af kvarkmodellen for partikelfysik. Jeg synes, det er ret fantastisk!