Richard Feynman ble en gang spurt et veldig lignende spørsmål; hvorfor tiltrekker magneter? (Richard Feynman Magneter) hans svar er fascinerende, forklarer de mange lagene på det spørsmålet. Det er allerede noen veldig fine svar på dette spørsmålet, så jeg vil gjerne tilby litt ekstra krydret saus til de allerede gode svarene.
Magneter synes å kontinuerlig fascinere folk fordi de opplevde kreftene ser ut til å handle på avstand. Vi er vant til å bruke kraft ved å berøre noe, og vi har en medfødt forståelse av hva berøring betyr. I motsetning krefter utstilt av magneter synes å være på grunn av noen usynlige ting som tilsynelatende trosser forståelse. Ikke rart at magnetisme og magneter i særdeleshet er ofte forbundet med falske og selv falske teknologier.
fra et historisk perspektiv ble naturlig forekommende magneter først oppdaget av de gamle, og brukes til å mote kompasser som skal brukes til navigasjon. Det ble senere oppdaget at en strømførende ledning produserte et felt som forårsaket en kompassnål å omorientere, og så ble det oppdaget at det var et magnetfelt forbundet med strømmen i en ledning. Det var også kjent at ladning produserte et annet felt, som er det elektriske feltet. Det elektriske feltet i seg selv hadde ingen effekt på en kompassnål, og det kan derfor virke som et annet felt. Men de ble snart oppdaget å være de forskjellige aspektene av samme felt. Dette kan ses ved hjelp av relativitetsprinsippet, fordi en statisk ladning kan ses som en bevegelig forandring i en bevegelig referanseramme. Så feltet som er knyttet til en referansestamme der det bare er statiske ladninger, bør ha samme effekt (eller gi opphav til samme kraft) som feltet som er knyttet til en bevegelig referanseramme hvor ladningen ikke er statisk, men beveger seg og dermed produserer et magnetfelt. Dermed forener relativitetsprinsippet både de elektriske og magnetiske feltene i ett elektromagnetisk felt. Dette underbygger vår klassiske forståelse av elektrisitet og magnetisme.
men saken er ennå ikke lukket, da magneter ikke er ladet, men produserer et felt forbundet med to poler, som vi betegner nord-og sørpolen. De andre svarene går inn i veldig fin detalj om justerte magnetiske domener og til og med det underliggende atomprinsippet involvert.
vi kaller magnetfeltet dipolar, fordi det har to poler. Klassisk genererer en sirkulær strøm et dipolart felt. Vi bruker denne effekten til å lage elektromagneter.
hvis Vi skulle vurdere Bohr-modellen av atomet, har elektronene sirkulære baner, og dermed forventes å generere et dipolært magnetfelt. Men vi vet at dette ikke er tilfelle da atomer er kvanteobjekter og som sådan ikke kan knyttes til veldefinerte klassiske baner. Likevel har de enkelte atomer i en magnet et tilknyttet magnetfelt, og det ytre feltet som vi observerer er en manifestasjon av alle disse feltene som er justert.
det er fristende å tenke på et atom som en individuell magnet som vil oppføre seg på samme måte som en kompassnål ville når den plasseres i et eksternt magnetfelt. Men dette er ikke tilfelle. Atomer er kvanteobjekter og deres magnetiske egenskaper er faktisk kvantetilstandsegenskaper. Det skjer bare at vinkelmomentet er knyttet til et veldefinert kvantetall som kun kan ta på seg diskrete halvtallsverdier. Det magnetiske momentet til et atom er direkte proporsjonalt med atomets totale vinkelmoment. Således er enhver måling av et atoms magnetiske øyeblikk faktisk en måling av atomets vinkelmoment og vil bare ha visse diskrete verdier, og enda mer interessant, bare diskrete orienteringer! Dette er åpenbart kvanteadferd, ikke klassisk oppførsel. For en klassisk dipol kan dens romlige orientering ta noen verdi forbundet med å peke i en tilfeldig retning i rommet. Dette gir et middel til direkte å skille mellom et kvantum og klassisk objekt. Dette ble først utviklet I Stern Gerlach-eksperimentet.
Stern Gerlach-eksperimentet arbeidet ved å sende nøytrale atomer gjennom et ikke-ensartet magnetfelt. Magnetfeltgradienten introduserer et varierende potensial for justeringen av den magnetiske dipolen, noe som vil resultere i en justeringsavhengig kraft som vil avlede atomets bane gjennom feltet. Hvis hvert atom oppførte seg som en klassisk dipolmagnet, vil den tilfeldige orienteringen i rommet resultere i en jevn fordeling av krefter som resulterer i en strekking av atomskyen langs retningen av feltgradienten. Imidlertid gjør apparatet faktisk en orienteringsmåling av atomets magnetiske øyeblikk, som er kvantisert, og så er det faktiske observerte mønsteret for atomskyen å skille seg inn i forskjellige diskrete pakker. Dette var (og er fortsatt) en forbløffende demonstrasjon av atomenes kvantemønster.
derfor er den ydmyke magneten langt mer fantastisk at den først virker. Det representerer justeringen av utallige individuelle kvanteobjekter for å gi det kjente materialet vi bruker til å holde meldinger og bilder til kjøleskapet vårt.
La oss ta dette litt lenger. Et magnetfelt er forbundet med en elektrisk ladning. Det er en nysgjerrig kvantegenskap kalt spin, som er forbundet med det magnetiske øyeblikket av individuelle partikler som komponerer atomer. Her kan vi ikke engang forestille oss et elektron som kretser en kjerne, fordi hver komponent av atomet også har et tilhørende spinn: Elektroner, protoner og nøytroner. Det er fristende å tenke på disse partiklene som faktisk spinner rundt deres dipolare akse, men dette er ikke riktig. På nivået med grunnleggende partikler kan man ikke si noe mer enn de har et magnetisk øyeblikk. Dette kan faktisk demonstreres i et apparat som ligner På Stern Gerlach-eksperimentet. For grunnleggende partikler er spinnet en halv og det er bare to mulige orienteringer, som svarer til opp eller ned.
i alle tilfeller er et indre magnetisk moment forbundet med en partikkel som har både ladning og spinn. Fra klassiske egenskaper ble det vist at magnetfeltet bare er en annen manifestasjon av det elektriske feltet, og dette krever at det er ladninger tilstede. Faktisk var bare ladede partikler med spinn forventet å ha et magnetisk øyeblikk. Det var imidlertid mulig å måle nøytronets magnetiske øyeblikk direkte, som ikke har nettoladning. Denne bemerkelsesverdige oppdagelsen er en direkte indikasjon på at nøytronet ikke er en grunnleggende partikkel, men i seg selv er et sammensatt kvanteobjekt. Det tok 20 år før dette faktisk ble løst med quark-modellen. Dermed var det mystisk magnetisme som førte til utviklingen av kvarkmodellen av partikkelfysikk. Jeg tror dette er ganske fantastisk!