Richard Feynman werd ooit een soortgelijke vraag gesteld; waarom trekken magneten elkaar aan? (Richard Feynman magneten) zijn antwoord is fascinerend en verklaart de vele lagen op die vraag. Er zijn al een aantal zeer mooie antwoorden op deze vraag dus ik zou graag een beetje extra pittige saus te bieden aan de reeds uitstekende antwoorden.Magneten lijken mensen voortdurend te fascineren omdat de ervaren krachten op afstand lijken te werken. We zijn gewend om kracht toe te passen door iets aan te raken en we hebben een aangeboren begrip van wat aanraking betekent. In tegenstelling tot de krachten tentoongesteld door magneten lijken te zijn te wijten aan een onzichtbaar ding dat schijnbaar tart begrip. Geen wonder dat magnetisme en magneten in het bijzonder vaak worden geassocieerd met valse en zelfs frauduleuze technologieën.Vanuit een historisch perspectief werden natuurlijk voorkomende magneten voor het eerst ontdekt door de ouden, en gebruikt om kompassen te maken voor navigatie. Later werd ontdekt dat een stroomdragende draad een veld produceerde dat een kompasnaald deed heroriënteren, en zo werd ontdekt dat er een magnetisch veld was geassocieerd met de stroom in een draad. Het was ook bekend dat charge een ander veld produceerde, namelijk het elektrische veld. Het elektrische veld zelf had geen effect op een kompasnaald, en kan dus een ander veld lijken te zijn. Maar ze werden al snel ontdekt dat de verschillende aspecten van hetzelfde gebied. Dit kan worden gezien met behulp van het principe van relativiteit, omdat een statische lading kan worden gezien als een bewegende verandering in een bewegend referentiekader. Dus het veld geassocieerd met een referentieframe waar er alleen statische ladingen zijn moet hetzelfde effect hebben (of dezelfde kracht geven) als het veld geassocieerd met een bewegend referentiekader waar de lading niet statisch is, maar beweegt en dus een magnetisch veld produceert. Zo verenigt het relativiteitsprincipe zowel het elektrische als het magnetische veld tot één elektromagnetisch veld. Dit onderbouwt ons klassieke begrip van elektriciteit en magnetisme.
de behuizing is echter nog niet gesloten, omdat magneten niet geladen zijn, maar een veld produceren dat geassocieerd is met twee polen, die we de Noord-en Zuidpool noemen. De andere antwoorden gaan in zeer mooie details over uitgelijnde magnetische domeinen en zelfs het onderliggende atomaire Principe betrokken.
we noemen het magnetisch veld dipolair, omdat het twee polen heeft. Een cirkelstroom genereert een dipolair veld. We gebruiken dit effect om elektromagneten te maken.
als we het Bohr-model van het atoom zouden beschouwen, zouden de elektronen cirkelbanen hebben en dus een dipolair magnetisch veld kunnen genereren. We weten echter dat dit niet het geval is omdat atomen kwantumobjecten zijn en als zodanig niet geassocieerd kunnen worden met goed gedefinieerde klassieke banen. Niettemin hebben de individuele atomen in een magneet wel een geassocieerd magnetisch veld en het externe veld dat we waarnemen is een manifestatie van al deze velden die uitgelijnd zijn.
het is verleidelijk om een atoom te zien als een individuele magneet die zich ongeveer op dezelfde manier gedraagt als een kompasnaald wanneer deze in een extern magnetisch veld wordt geplaatst. Dit is echter niet het geval. Atomen zijn kwantumobjecten en hun magnetische eigenschappen zijn in feite kwantumtoestands-eigenschappen. Het gebeurt gewoon dat het impulsmoment wordt geassocieerd met een goed gedefinieerd kwantumgetal dat slechts discrete halve gehele waarden kan aannemen. Het magnetische moment van een atoom is recht evenredig met het totale impulsmoment van het atoom. Dus elke meting van het magnetische moment van een atoom is in feite een meting van het impulsmoment van de atomen en zal slechts bepaalde discrete waarden hebben, en nog interessanter, alleen discrete oriëntaties! Dit is duidelijk kwantumgedrag, niet klassiek gedrag. Voor een klassieke dipool kan zijn ruimtelijke oriëntatie elke waarde aannemen die geassocieerd is met Wijzen in willekeurige richting in de ruimte. Dit biedt een middel om direct onderscheid te maken tussen een kwantum en een klassiek object. Dit werd voor het eerst geïntroduceerd in het Stern Gerlach experiment.
het Stern Gerlach-experiment werd uitgevoerd door neutrale atomen door een niet-uniform magnetisch veld te sturen. De magnetische veldgradiënt introduceert een variërend potentieel voor de uitlijning van de magnetische dipool, wat zal resulteren in een uitlijningsafhankelijke kracht die het pad van het atoom door het veld zal afbuigen. Als elk atoom zich zou gedragen als een klassieke dipoolmagneet, zou zijn willekeurige oriëntatie in de ruimte resulteren in een uniforme verdeling van krachten, resulterend in een uitrekken van de atomaire wolk langs de richting van de gradiënt van het veld. Echter, het apparaat maakt eigenlijk een oriëntatie meting van het magnetische moment van het atoom, dat wordt gekwantiseerd, en dus het werkelijke waargenomen patroon is voor de atomaire wolk te scheiden in verschillende discrete pakketten. Dit was (en is) een verbazingwekkende demonstratie van de kwantum natuur van atomen.
daarom is de bescheiden magneet veel wonderlijker dan hij op het eerste gezicht lijkt. Het vertegenwoordigt de uitlijning van talloze aantallen individuele kwantumobjecten om dat vertrouwde materiaal te geven dat we gebruiken om berichten en foto ‘ s aan onze koelkast te plakken.
laten we dit een beetje verder gaan. Een magnetisch veld wordt geassocieerd met een elektrische lading. Er is een merkwaardige kwantumeigenschap die spin wordt genoemd, die wordt geassocieerd met het magnetische moment van individuele deeltjes die atomen vormen. Hier kunnen we ons niet eens een elektron voorstellen dat om een kern draait, omdat elke component van het atoom ook een bijbehorende spin heeft: elektronen, protonen en neutronen. Het is verleidelijk om te denken aan deze deeltjes als eigenlijk spinnen rond hun dipolaire as, maar dit is niet correct. Op het niveau van fundamentele deeltjes, kan men niets meer zeggen dan dat ze een magnetisch moment hebben. Dit kan in feite worden aangetoond in een apparaat vergelijkbaar met dat van het Stern Gerlach experiment. Voor fundamentele deeltjes is de spin de helft en zijn er slechts twee mogelijke oriëntaties, overeenkomend met omhoog of omlaag.
in alle gevallen wordt een intrinsiek magnetisch moment geassocieerd met een deeltje dat zowel lading als spin bezit. Uit de klassieke eigenschappen werd aangetoond dat het magnetisch veld gewoon een andere manifestatie van het elektrische veld is en dit vereist dat er ladingen aanwezig zijn. In feite werden alleen geladen deeltjes met spin verwacht een magnetisch moment te hebben. Het was echter mogelijk om het magnetische moment van het neutron, dat geen netto lading heeft, direct te meten. Deze opmerkelijke ontdekking is een directe aanwijzing dat het neutron geen fundamenteel deeltje is, maar zelf een samengesteld kwantumobject. Het duurde 20 jaar voordat dit werd opgelost met het quark-model. Het was dus mysterieus magnetisme dat leidde tot de ontwikkeling van het quark model van deeltjesfysica. Ik vind dit geweldig!