Tip:
Highlight text to annotate it
X
Jeśli weźmiesz kawałek drewna i przystawisz go do innego kawałka drewna... nic się nie dzieje.
Jeżeli weźmiesz też kawałek granitu i postawisz go obok innego kamienia... ciągle nic.
Ale jeżeli weźmiesz kawałek żelaza i postawisz go obok innego kawałka żelaza... magia!
To znaczy magnes!
Magnetyczne obiekty są wstanie magicznie się przyciągać na długie odległości bo generują pole
magnetyczne, które rozciąga się w niewidoczny sposób poza sam obiekt. Ale tajemnica jest taka:
skąd biorą się pola magnetyczne?
Derek: Cóż, to proste, Henry! Wiedzieliśmy już od długiego czasu, że elektryczność i magnetyzm
są w rzeczywistości dwiema stronami tego samego medalu, tak jak masa i energia lub czas i przestrzeń,
i że mogą być zmieniane jedno w drugie. Tak naprawdę, pola magnetyczne są po prostu
tym, w co zmienia się pole elektryczne gdy naładowany elektrycznie obiekt zaczyna się ruszać.
Henry: To ma sens przy tłumaczeniu dlaczego ładunek elektronów przepływających przez kabel
powoduje ruch igły w tym kompasie, lub jak ładunek w zewnętrznej powłoce jądra Ziemi generuje
pole geomagnetyczne... ale magnes sztabkowy lub igła kompasu są tylko kawałkami
metalu bez żadnego ładunku elektrycznego, które by przez nie przepływało.
Derek: Na pewno? Na poziomie mikroskopijnym jest mnóstwo elektronów fruwających
w atomach i cząsteczkach, które tworzą każde ciało stałe.
Henry: Racja! To prowadzi nas do znakomitej kwestii - na zachowanie magnetyczne codziennych
obiektów wpływa fascynująca kombinacja efektów na poziomach pojedynczych cząsteczek,
atomów, zbiorów atomów, do zbiorów takich zbiorów atomów. Najpierw pojedyncze
cząsteczki.
W przeciwieństwie do codziennego działania grawitacji i elektryczności, magnesy trwałe mogą być
w pełni zrozumiane tylko na poziomie efektów mechaniki kwantowej. W dużej mierze tak samo jak cząsteczki
takie jak elektrony i kwarki mają fundamentalne właściwości zwane masą i ładunkiem, tak większość
cząsteczek ma także inną nieodłączną właściwość zwaną "malutkim magnesem". Żartuję, nazywa się to
"mikroskopowym momentem magnetycznym", ale tak naprawdę to tylko techniczny bełkot mówiący, że cząsteczki
z ładunkiem elektrycznym są również malutkimi magnesami.
Derek: Jeśli chcesz wiedzieć DLACZEGO są malutkimi magnesami, cóż, mógłbyś równie dobrze spytać
DLACZEGO cząsteczki w ogóle mają ładunek, albo dlaczego obiekty z energią i pędem
są przyciągane grawitacyjnie? Nikt nie wie... Wiemy tylko, że te rzeczy są prawdziwe,
tak działa wszechświat.
Henry: Dokładnie, a od lat dwudziestych XX wieku wiemy, że każdy indywidualny elektron lub proton
jest po prostu malutkim magnesem. Co prowadzi nas do poziomu atomów.
Atom jest garstką dodatnio naładowanych protonów z garstką ujemnie naładowanych elektronów
wirujących wokół nich. Protonowy malutki magnes jest około tysiąc razy słabszy od
elektronowego, więc jądro atomu nie ma niemal żadnego wpływu na magnetyzm
atomu jako całości.
Derek: Możesz pomyśleć, że skoro wiele, chociaż nie wszystkie, elektrony są także
w ruchu, tak jak ładunek w kablu, to mogą one generować pole magnetyczne tym ruchem.
I to właśnie robią, i jest to nazywane "orbitalnym polem magnetycznym".
Henry: Z wyjątkiem tego, że to zazwyczaj nie dokłada się do pola magnetycznego atomu. Oto dlaczego:
Elektrony w atomach są dokładnie i skomplikowanie opisane przez mechanikę kwantową, ale istotą
opowieści jest, że elektrony gromadzą się w powłokach dookoła jądra. Elektrony
w każdej wypełnionej powłoce rozchodzą się równo we wszystkich kierunkach, więc ładunki anulują się
i nie jest generowane pole magnetyczne. Elektrony te dopierają się w pary, których malutkie magnesy
wskazują przeciwne kierunki, więc także się anulują.
Jednak w pół wypełnionej powłoce wszystkie elektrony są niesparowane i ich malutkie magnesy
wskazują ten sam kierunek i sumują się, tzn. że to wewnętrzny magnetyzm elektronów
na zewnętrznej powłoce daje atomowi większość jego pola magnetycznego.
Więc atomy w pobliżu krawędzi głównych bloków układu okresowego, które mają wypełnioną
(lub prawie wypełnioną) zewnętrzną powłokę nie są zbyt magnetyczne. A atomy pośrodku
bloków mają w połowie wypełnioną powłokę zewnętrzną i są magnetyczne. Na przykład nikiel, kobalt,
żelazo, mangan, chrom itd.
Derek: Czekaj, ale chrom nie jest magnetyczny!
Henry: Ach, tylko to, że atom jest magnetyczny nie znaczy, że materiał zrobiony z wielu
takich atomów będzie magnetyczny. Co prowadzi nas do poziomu kryształów.
Gdy trochę magnetycznych atomów zbiera się by zrobić ciało stałe, mają dwie opcje.
Jedna to wyrównanie wszystkich atomów według ich pola magnetycznego, lub mogą
ułożyć pola magnetyczne w zmienny wzór tak, że anulują się nawzajem. Atomy zrobią to,
co będzie wymagało mniej energii.
Derek: To dlatego chrom, dla przykładu, jest bardzo magnetycznym atomem, ale bardzo niemagnetycznym
ciałem stałym - ponieważ to jeden z najbardziej antyferromagnetycznych materiałów. Żelazo z kolei
jest imiennikiem ferromagnetyzmu, więc jest, co nie dziwi, ferromagnetykiem.
Lub w mowie potocznej: magnetyczny.
Henry: Czasami.
Ostatnim poziomem magnetyzmu jest ten o domenach. W skrócie, nawet w magnetycznym materiale
gdzie pola magnetyczne atomów układają się wspólnie, jest możliwe, że kawałek
tego materiału będzie miał wszystkie atomy ułożone w jednym kierunku, ale inny kawałek będzie
miał wszystkie atomy wskazujące inny kierunek, itd.
Derek: Jeżeli wszystkie takie "domeny" są w przybliżeniu podobnego rozmiaru, żadna z nich nie będzie wystarczająco
silna by zmusić pozostałe to wyrównać się z nią więc np. kawałek żelaza może nie mieć
pola magnetycznego, z powodu tych wszystkich walczących ze sobą magnetycznych królestw.
Henry: Jednak jeśli przyłożysz wystarczająco silne pole magnetyczne/siłę/ciśnienie z zewnątrz
do materiału, możesz wesprzeć jedną domenę, pomóc domenie zwiększyć kontrolę *** jej sąsiadami,
i tak dopóki wszystkie domeny zostaną zjednoczone do jednego królestwa,
wskazującego ten sam kierunek.
Derek: I teraz w końcu możesz władać żelazną pięścią... Tzn. magnesem.
Henry: Właśnie! Godnym uwagi jest to, że magnetyzm jest fundamentalną właściwością kwantową
powiększoną do rozmiarów przedmiotów codziennego użytku: każdy trwały magnes jest przypomnieniem,
że mechanika kwantowa tkwi u podstaw naszego wszechświata - aby jakiś obiekt był magnetyczny,
musi mieć zjednoczone królestwo domen magnetycznych, z których każda składa się z miliardów magnetycznych
atomów, które także muszą być wyrównane względem siebie i same mogą być magnetyczne tylko
jeżeli mają w przybliżeniu w połowie pełną powłokę elektronów tak, by ich pola magnetyczne były
zgodne, a nie anulowały się na wzajem. Nie dziwi więc, że te kryteria są
dosyć trudne do spełnienia, co powoduje, że jest tylko ograniczona ilość odpowiednich
materiałów, które możesz użyć, gdy budujesz magnes.
Derek: Albo możesz po prostu poprowadzić ładunek poprzez dowolny przewodnik elektryczny
i wygenerować pole magnetyczne w ten sposób. Henry: Ale ej... Dlaczego to w ogóle działa?
Kliknij tutaj, aby przejść do Veritasium i dowiedzieć się co szczególna teoria względności
i prędkość światła mają wspólnego z elektromagnetyzmem. Ja chcę się dowiedzieć!