Richard Feynman a fost întrebat odată o întrebare foarte asemănătoare; de ce atrag magneții? (Richard Feynman magneți) răspunsul său este fascinant, explicând multe straturi la această întrebare. Există deja câteva răspunsuri foarte frumoase la această întrebare, așa că aș dori să ofer un pic de sos picant suplimentar răspunsurilor deja excelente.
magneții par să fascineze continuu oamenii, deoarece forțele experimentate par să acționeze la distanță. Suntem obișnuiți să aplicăm forța atingând ceva și avem o înțelegere înnăscută a ceea ce înseamnă atingerea. În schimb, forțele expuse de magneți par să se datoreze unui lucru invizibil care aparent sfidează înțelegerea. Nu e de mirare că magnetismul și magneții în special sunt adesea asociați cu tehnologii false și chiar frauduloase.
dintr-o perspectivă istorică, magneții naturali au fost descoperiți pentru prima dată de antici și folosiți pentru a modela busolele pentru a fi utilizate pentru navigație. Mai târziu s-a descoperit că un fir care transporta curent a produs un câmp care a provocat reorientarea unui ac de busolă și astfel s-a descoperit că există un câmp magnetic asociat cu curentul dintr-un fir. De asemenea, se știa că sarcina a produs un alt câmp, care este câmpul electric. Câmpul electric în sine nu a avut niciun efect asupra unui ac de busolă și, prin urmare, poate părea a fi un câmp diferit. Cu toate acestea, în curând s-au descoperit a fi diferitele aspecte ale aceluiași domeniu. Acest lucru poate fi văzut folosind principiul relativității, deoarece o sarcină statică poate fi privită ca o schimbare în mișcare într-un cadru de referință în mișcare. Deci câmpul asociat cu un cadru de referință în care există doar sarcini statice ar trebui să aibă același efect (sau să dea naștere la aceeași forță) ca și câmpul asociat cu un cadru de referință în mișcare în care sarcina nu este statică, ci se mișcă și, prin urmare, produce un câmp magnetic. Astfel, principiul relativității unifică atât câmpurile electrice, cât și cele magnetice într-un singur câmp electromagnetic. Acest lucru stă la baza înțelegerii noastre clasice a electricității și magnetismului.
cu toate acestea, cazul nu este încă închis, deoarece magneții nu sunt încărcați, ci produc un câmp asociat cu doi poli, pe care îi denumim polii nord și Sud. Celelalte răspunsuri intră în detalii foarte frumoase despre domeniile magnetice aliniate și chiar despre principiul atomic implicat.
numim câmpul magnetic dipolar, deoarece are doi poli. În mod clasic, un curent circular generează un câmp dipolar. Folosim acest efect pentru a face electromagneți.
dacă ar fi să luăm în considerare modelul Bohr al atomului, electronii au orbite circulare și, prin urmare, ar fi de așteptat să genereze un câmp magnetic dipolar. Cu toate acestea, știm că acest lucru nu este cazul, deoarece atomii sunt obiecte cuantice și, ca atare, nu pot fi asociate cu orbite clasice bine definite. Cu toate acestea, atomii individuali dintr-un magnet au un câmp magnetic asociat, iar câmpul extern pe care îl observăm este o manifestare a alinierii tuturor acestor câmpuri.
este tentant să ne gândim la un atom ca la un magnet individual care se va comporta la fel ca un ac de busolă atunci când este plasat într-un câmp magnetic extern. Cu toate acestea, acest lucru nu este cazul. Atomii sunt obiecte cuantice, iar proprietățile lor magnetice sunt de fapt proprietăți cuantice ale stării. Se întâmplă ca momentul unghiular să fie asociat cu un număr cuantic bine definit, care poate prelua doar valori discrete pe jumătate întregi. Momentul magnetic al unui atom este direct proporțional cu impulsul unghiular total al atomului. Astfel, orice măsurare a momentului magnetic al unui atom este de fapt o măsurare a momentului unghiular al atomilor și va avea doar anumite valori discrete și, chiar mai interesant, doar orientări discrete! Acesta este un comportament vădit cuantic, nu un comportament clasic. Pentru un dipol clasic, orientarea sa spațială poate lua orice valoare asociată cu indicarea în orice direcție aleatorie în spațiu. Aceasta oferă un mijloc de a distinge direct între un obiect cuantic și clasic. Acesta a fost primul pionier în experimentul Stern Gerlach.
experimentul Stern Gerlach a funcționat prin trimiterea de atomi neutri printr-un câmp magnetic neuniform. Gradientul câmpului magnetic introduce un potențial variabil pentru alinierea dipolului magnetic, ceea ce va duce la o forță dependentă de aliniere care va devia calea atomului prin câmp. Dacă fiecare atom s-ar comporta ca un magnet dipol clasic, orientarea sa aleatorie în spațiu ar duce la o distribuție uniformă a forțelor, rezultând o întindere a norului atomic de-a lungul direcției gradientului de câmp. Cu toate acestea, aparatul face de fapt o măsurare de orientare a momentului magnetic al atomului, care este cuantificat, astfel încât modelul real observat este ca norul atomic să se separe în diferite parcele discrete. Aceasta a fost (și este încă) o demonstrație uimitoare a naturii cuantice a atomilor.
prin urmare, magnetul umil este mult mai minunat decât pare la început. Reprezintă alinierea nenumăratelor numere de obiecte cuantice individuale pentru a da acel material familiar pe care îl folosim pentru a lipi mesaje și imagini în frigiderul nostru.
să mergem mai departe. Un câmp magnetic este asociat cu o sarcină electrică. Există o proprietate cuantică curioasă numită spin, care este asociată cu momentul magnetic al particulelor individuale care compun atomi. Aici nu ne putem imagina nici măcar un electron care orbitează un nucleu, deoarece fiecare componentă a atomului are și un spin asociat: electroni, protoni și neutroni. Este tentant să ne gândim la aceste particule ca de fapt se rotesc în jurul axei lor dipolare, totuși acest lucru nu este corect. La nivelul particulelor fundamentale, nu se poate spune nimic mai mult decât au un moment magnetic. Acest lucru poate fi demonstrat într-un aparat similar cu cel al experimentului Stern Gerlach. Pentru particulele fundamentale, spinul este o jumătate și există doar două orientări posibile, corespunzătoare în sus sau în jos.
în toate cazurile, un moment magnetic intrinsec este asociat cu o particulă care posedă atât sarcină, cât și rotire. Din proprietățile clasice s-a arătat că câmpul magnetic este doar o altă manifestare a câmpului electric și acest lucru necesită prezența unor sarcini. De fapt, numai particulele încărcate cu rotire erau de așteptat să aibă un moment magnetic. Cu toate acestea, a fost posibilă măsurarea directă a momentului magnetic al neutronului, care nu are sarcină netă. Această descoperire remarcabilă este o indicație directă că neutronul nu este o particulă fundamentală, ci este el însuși un obiect cuantic compus. A durat 20 de ani înainte ca acest lucru să fie rezolvat cu modelul quark. Astfel, magnetismul misterios a dus la dezvoltarea modelului quark al fizicii particulelor. Cred că acest lucru este destul de uimitor!