Richard Feynman ställdes en gång en mycket liknande fråga; varför lockar magneter? (Richard Feynman magneter) hans svar är fascinerande och förklarar de många lagren på den frågan. Det finns redan några mycket trevliga svar på den här frågan så jag skulle vilja erbjuda lite extra kryddig sås till de redan utmärkta svaren.
magneter verkar ständigt fascinera människor eftersom de upplevda krafterna verkar agera på avstånd. Vi är vana vid att tillämpa kraft genom att röra vid något och vi har en medfödd förståelse för vad beröring betyder. Däremot verkar krafterna som uppvisas av magneter bero på någon osynlig sak som till synes trotsar förståelsen. Inte konstigt att magnetism och magneter i synnerhet ofta är förknippade med falska och till och med bedrägliga tekniker.
ur ett historiskt perspektiv upptäcktes naturligt förekommande magneter först av de gamla och används för att Mode kompasser som ska användas för navigering. Det upptäcktes senare att en strömbärande tråd producerade ett fält som fick en kompassnål att omorientera, och så upptäcktes att det fanns ett magnetfält associerat med strömmen i en tråd. Det var också känt att laddning producerade ett annat fält, vilket är det elektriska fältet. Det elektriska fältet i sig hade ingen effekt på en kompassnål, och det kan tyckas vara ett annat fält. Men de upptäcktes snart att vara de olika aspekterna av samma fält. Detta kan ses med hjälp av relativitetsprincipen, eftersom en statisk laddning kan ses som en rörlig förändring i en rörlig referensram. Så fältet associerat med en referensram där det bara finns statiska laddningar bör ha samma effekt (eller ge upphov till samma kraft) som fältet associerat med en rörlig referensram där laddningen inte är statisk utan rör sig och därmed producerar ett magnetfält. Således förenar relativitetsprincipen både de elektriska och magnetiska fälten i ett elektromagnetiskt fält. Detta ligger till grund för vår klassiska förståelse av elektricitet och magnetism.
fallet är dock ännu inte stängt, eftersom magneter inte laddas men producerar ett fält associerat med två poler, som vi betecknar Nord-och Sydpolen. De andra svaren går in i mycket fin detalj om inriktade magnetiska domäner och till och med den underliggande atommetoden.
vi kallar magnetfältet dipolärt, eftersom det har två poler. Klassiskt genererar en cirkulär ström ett dipolärt fält. Vi använder denna effekt för att göra elektromagneter.
om vi skulle överväga Bohr-modellen av atomen har elektronerna cirkulära banor och förväntas således generera ett dipolärt magnetfält. Men vi vet att detta inte är fallet eftersom atomer är kvantobjekt och som sådan inte kan associeras med väldefinierade klassiska banor. Ändå har de enskilda atomerna i en magnet ett associerat magnetfält och det yttre fältet som vi observerar är en manifestation av att alla dessa fält är inriktade.
det är frestande att tänka på en atom som en enskild magnet som kommer att bete sig ungefär på samma sätt som en kompassnål skulle när den placeras i ett externt magnetfält. Detta är dock inte fallet. Atomer är kvantobjekt och deras magnetiska egenskaper är faktiskt kvanttillståndsegenskaper. Det händer bara att vinkelmomentet är förknippat med ett väldefinierat kvantnummer som bara kan ta på sig diskreta halv heltal. En atoms magnetiska moment är direkt proportionell mot atomens totala vinkelmoment. Således är varje mätning av en atoms magnetiska moment i själva verket en mätning av atomernas vinkelmoment och kommer bara att ha vissa diskreta värden, och ännu mer intressant, Bara diskreta orienteringar! Detta är uppenbart kvantbeteende, inte klassiskt beteende. För en klassisk dipol kan dess rumsliga orientering ta vilket värde som helst som är förknippat med att peka i valfri slumpmässig riktning i rymden. Detta ger ett sätt att direkt skilja mellan ett kvant och klassiskt objekt. Detta var först banbrytande i Stern Gerlach-experimentet.
Stern Gerlach-experimentet fungerade genom att skicka neutrala atomer genom ett ojämnt magnetfält. Magnetfältgradienten introducerar en varierande potential för inriktningen av den magnetiska dipolen, vilket kommer att resultera i en justeringsberoende kraft som kommer att avböja atomens väg genom fältet. Om varje atom uppförde sig som en klassisk dipolmagnet, skulle den slumpmässiga orienteringen i rymden resultera i en jämn fördelning av krafter som resulterar i en sträckning av atommolnet längs fältgradientens riktning. Apparaten gör emellertid faktiskt en orienteringsmätning av atomens magnetiska moment, vilket kvantiseras, och så är det faktiska observerade mönstret för atommolnet att separera i olika diskreta paket. Detta var (och är fortfarande) en häpnadsväckande demonstration av atomernas kvantkaraktär.
därför är den ödmjuka magneten mycket mer underbar att den först verkar. Det representerar anpassningen av otaliga antal enskilda kvantobjekt för att ge det bekanta materialet som vi använder för att hålla meddelanden och bilder till vårt kylskåp.
Låt oss ta detta lite längre. Ett magnetfält är förknippat med en elektrisk laddning. Det finns en nyfiken kvantegenskap som kallas spin, som är associerad med det magnetiska ögonblicket hos enskilda partiklar som komponerar atomer. Här kan vi inte ens föreställa oss en elektron som kretsar kring en kärna, eftersom varje komponent i atomen också har en associerad snurr: elektroner, protoner och neutroner. Det är frestande att tänka på dessa partiklar som faktiskt snurrar runt sin dipolära axel, men detta är inte korrekt. På nivån av grundläggande partiklar kan man inte säga något mer än de har ett magnetiskt ögonblick. Detta kan faktiskt demonstreras i en apparat som liknar den i Stern Gerlach-experimentet. För grundläggande partiklar är Spinnet en halv och det finns bara två möjliga orienteringar, motsvarande upp eller ner.
i alla fall är ett inneboende magnetiskt ögonblick associerat med en partikel som har både laddning och snurrning. Från klassiska egenskaper visades att magnetfältet bara är en annan manifestation av det elektriska fältet och detta kräver att det finns laddningar närvarande. Faktum är att endast laddade partiklar med spinn förväntades ha ett magnetiskt ögonblick. Det var emellertid möjligt att direkt mäta neutronens magnetiska ögonblick, som inte har någon nettoladdning. Denna anmärkningsvärda upptäckt är en direkt indikation på att neutronen inte är en grundläggande partikel utan i sig är ett sammansatt kvantobjekt. Det tog 20 år innan detta faktiskt löstes med quark-modellen. Således var det mystisk magnetism som ledde till utvecklingen av kvarkmodellen för partikelfysik. Jag tycker att det här är ganska fantastiskt!