Richard Feynman zadano kiedyś bardzo podobne pytanie; dlaczego magnesy przyciągają? (Richard Feynman Magnesy) jego odpowiedź jest fascynująca, wyjaśniając wiele warstw na to pytanie. Istnieje już kilka bardzo miłych odpowiedzi na to pytanie, więc chciałbym zaoferować trochę dodatkowego pikantnego sosu do już doskonałych odpowiedzi.
Magnesy wydają się nieustannie fascynować ludzi, ponieważ doświadczane siły wydają się działać na odległość. Jesteśmy przyzwyczajeni do stosowania siły poprzez dotykanie czegoś i mamy wrodzone zrozumienie tego, co oznacza dotyk. W przeciwieństwie do tego, siły wystawiane przez magnesy wydają się być spowodowane przez jakąś niewidzialną rzecz, która pozornie przeczy zrozumieniu. Nic dziwnego, że magnetyzm i magnesy w szczególności są często kojarzone z fałszywymi, a nawet fałszywymi technologiami.
z historycznego punktu widzenia, naturalnie występujące magnesy zostały po raz pierwszy odkryte przez starożytnych i użyte do produkcji kompasów do nawigacji. Później odkryto, że drut przewodzący prąd wytworzył pole, które spowodowało zmianę orientacji igły kompasu, a więc odkryto, że istniało pole magnetyczne związane z prądem w drucie. Wiadomo było również, że ładunek wytwarza inne pole, którym jest pole elektryczne. Samo pole elektryczne nie miało wpływu na igłę kompasu, więc może wydawać się innym polem. Jednak wkrótce okazało się, że są to różne aspekty tej samej dziedziny. Można to zobaczyć za pomocą zasady względności, ponieważ ładunek statyczny może być postrzegany jako ruchoma zmiana w ruchomym układzie odniesienia. Tak więc pole związane z ramą odniesienia, w której występują tylko ładunki statyczne, powinno mieć taki sam efekt (lub wywoływać taką samą siłę) jak Pole związane z ruchomym ramą odniesienia, w którym ładunek nie jest statyczny, ale porusza się, a tym samym wytwarza pole magnetyczne. W ten sposób zasada względności jednoczy zarówno pole elektryczne, jak i magnetyczne w jedno pole elektromagnetyczne. Stanowi to podstawę naszego klasycznego rozumienia elektryczności i magnetyzmu.
jednak sprawa nie jest jeszcze zamknięta, ponieważ magnesy nie są naładowane, ale wytwarzają pole związane z dwoma biegunami, które oznaczamy Biegun Północny i południowy. Inne odpowiedzi są bardzo szczegółowe na temat wyrównanych domen magnetycznych, a nawet podstawowej zasady atomowej.
nazywamy pole magnetyczne dipolarnym, ponieważ ma dwa bieguny. Klasycznie, prąd kołowy generuje pole dipolarne. Używamy tego efektu do produkcji elektromagnesów.
gdyby wziąć pod uwagę model Bohra atomu, elektrony mają okrągłe orbity, a zatem można się spodziewać, że będą generować dipolarne pole magnetyczne. Wiemy jednak, że tak nie jest, ponieważ atomy są obiektami kwantowymi i jako takie nie mogą być związane z dobrze zdefiniowanymi orbitami klasycznymi. Niemniej jednak, pojedyncze atomy w Magnesie mają powiązane pole magnetyczne, a zewnętrzne pole, które obserwujemy, jest manifestacją wyrównania wszystkich tych pól.
kuszące jest myślenie o atomie jako pojedynczym magnesie, który będzie zachowywał się tak samo, jak igła kompasu, gdy zostanie umieszczona w zewnętrznym polu magnetycznym. Jednak tak nie jest. Atomy są obiektami kwantowymi, a ich właściwości magnetyczne są w rzeczywistości kwantowymi właściwościami stanu. Tak się składa, że moment pędu związany jest z dobrze zdefiniowaną liczbą kwantową, która może przyjmować tylko dyskretne wartości połowy liczby całkowitej. Moment magnetyczny atomu jest wprost proporcjonalny do całkowitego momentu pędu atomu. Tak więc każdy pomiar momentu magnetycznego atomu jest w rzeczywistości pomiarem momentu pędu atomów i będzie miał tylko pewne wartości dyskretne, a co ciekawsze, tylko dyskretne orientacje! Jest to oczywiście zachowanie kwantowe, a nie zachowanie Klasyczne. Dla klasycznego dipola jego orientacja przestrzenna może przyjmować dowolną wartość związaną z wskazaniem w dowolnym losowym kierunku w przestrzeni. Pozwala to na bezpośrednie odróżnienie obiektu kwantowego od klasycznego. Był to pierwszy pionier w eksperymencie Sterna Gerlacha.
eksperyment Sterna Gerlacha polegał na wysłaniu neutralnych atomów przez niejednorodne pole magnetyczne. Gradient pola magnetycznego wprowadza zmienny potencjał wyrównania dipola magnetycznego, co spowoduje zależną od wyrównania siłę, która odchyli ścieżkę atomu przez pole. Gdyby każdy atom zachowywał się jak klasyczny magnes dipolowy, jego przypadkowa orientacja w przestrzeni spowodowałaby równomierny rozkład sił, co skutkowałoby rozciąganiem się obłoku atomowego wzdłuż kierunku gradientu pola. Jednak aparat dokonuje pomiaru orientacji momentu magnetycznego atomu, który jest kwantyzowany, a więc rzeczywisty obserwowany wzór polega na rozdzieleniu chmury atomowej na różne dyskretne paczki. Była to (i nadal jest) zdumiewająca demonstracja kwantowej natury atomów.
dlatego pokorny magnes jest o wiele wspanialszy, niż się wydaje. Reprezentuje on wyrównanie niezliczonej liczby pojedynczych obiektów kwantowych, aby dać ten znajomy materiał, którego używamy do przyklejania wiadomości i obrazów do naszej lodówki.
weźmy to trochę dalej. Pole magnetyczne jest związane z ładunkiem elektrycznym. Istnieje ciekawa właściwość kwantowa zwana spinem, która związana jest z momentem magnetycznym pojedynczych cząstek tworzących Atomy. Tutaj nie możemy sobie nawet wyobrazić elektronu krążącego wokół jądra, ponieważ każdy składnik atomu ma również powiązany spin: elektrony, protony i neutrony. Kuszące jest myślenie o tych cząstkach jako o wirujących wokół ich osi Dipolarnej, jednak nie jest to poprawne. Na poziomie cząstek fundamentalnych nie można powiedzieć nic więcej niż tylko, że mają one moment magnetyczny. W rzeczywistości można to wykazać w aparacie podobnym do eksperymentu Sterna Gerlacha. Dla cząstek fundamentalnych spin wynosi połowę i istnieją tylko dwie możliwe orientacje, odpowiadające górę lub dół.
we wszystkich przypadkach moment magnetyczny związany jest z cząstką posiadającą zarówno ładunek, jak i spin. Z właściwości klasycznych wykazano, że pole magnetyczne jest tylko kolejną manifestacją pola elektrycznego i wymaga to obecności ładunków. W rzeczywistości oczekiwano, że tylko naładowane cząstki o spinie będą miały moment magnetyczny. Możliwe było jednak bezpośrednie zmierzenie momentu magnetycznego neutronu, który nie ma ładunku netto. To niezwykłe odkrycie jest bezpośrednią wskazówką, że neutron nie jest podstawową cząstką, ale sam w sobie jest złożonym obiektem kwantowym. Minęło 20 lat, zanim udało się to rozwiązać za pomocą modelu Quarka. Tak więc to tajemniczy magnetyzm doprowadził do rozwoju modelu kwarkowego fizyki cząstek. Myślę, że to niesamowite!