Обертання електронів може допомогти пояснити, чому магніти мають північний і південний полюси.
Якщо розрізати стрижневий магніт навпіл, він не позбудеться своїх полюсів. Вийде два магніти, північний полюс кожного з яких притягуватиметься до південного полюса іншого магніту, і навпаки.
Саме ця фундаментальна властивість притягання робить магніти корисними для багатьох цілей – від магнітика з Туреччини на холодильнику до проведення медичної візуалізації (МРТ).
Але як виникають ці полюси? Чому магніти мають північний і південний полюси?
Магніти – це “одна з найглибших загадок у фізиці”, – каже Грег Бебінгер, директор Національної лабораторії високих магнітних полів у Таллахассі, штат Флорида. Хоча люди використовують магніти вже тисячі років, вчені все ще дізнаються багато нового про те, як вони працюють.
Найпростіша відповідь на питання, чому магніти мають полюси, полягає в поведінці електронів. Уся матерія, включаючи магніти, складається з атомів. У кожному атомі ядро оточене одним або кількома негативно зарядженими електронами. Кожен з цих електронів створює власне крихітне магнітне поле, яке вчені називають “спіном” (від. англ. spin – обертання). Якщо достатня кількість цих маленьких магнітних полів спрямовані в одному напрямку, матеріал сам стає магнітним.
“Обертання” електрона – це дещо абстрактне поняття, розповів Бебінгер. Технічно, ніхто не бачив, як обертається електрон – він занадто крихітний, щоб його можна було побачити під мікроскопом. Але фізики знають, що електрони мають магнітне поле, бо вони його виміряли. І один із способів створення цього поля – це обертання електрона. Якщо змінити напрямок обертання, магнітне поле зміниться на протилежний.
Коли це можливо, електрони об’єднуються в пари так, щоб їхні спіни взаємно погашалися, роблячи чистий магнетизм атома нульовим. Але в деяких елементах, таких як залізо, цього не може статися. Кількість електронів і їхнє розташування навколо ядра означає, що кожен атом заліза матиме неспарений електрон, який генерує невелике магнітне поле.
У ненамагніченому матеріалі ці індивідуальні магнітні поля спрямовані в різних випадкових напрямках. У такому стані вони здебільшого компенсують одне одного, тому матеріал не є магнітним в цілому. Але за певних умов крихітні субатомні магнітні поля можуть вирівнюватися і спрямовуватися в одному напрямку. Можна уявити це як різницю між натовпом людей, що снує безладно, і натовпом, який організовано стоїть в одному напрямку. Поєднання цих дуже малих магнітних полів створює більше магнітне поле – так матеріал стає магнітом.
Багато магнітів, що використовуються в повсякденному житті, наприклад, магніти для холодильника, відомі як постійні магніти. У цих матеріалах магнітні поля багатьох атомів стали постійно вирівняні під дією зовнішньої сили – наприклад, коли їх помістили в більш потужне магнітне поле.
Часто більш потужне магнітне поле створюється електрикою. Електрика і магнетизм фундаментально пов’язані між собою, адже магнітні поля створюються рухом електричних зарядів. Ось чому електрон, що обертається, має магнітне поле. Але вчені також можуть використовувати електрику для створення дуже потужних магнітів, каже Паоло Феррасін, старший науковий співробітник Національної лабораторії Лоуренса Берклі в Каліфорнії. Пропускання достатнього струму через котушку дроту створює дуже сильне магнітне поле, яке триває доти, доки тече струм. Ці електромагніти часто використовуються у фізичних дослідженнях. Вони також використовуються в медичних інструментах, таких як магнітно-резонансні томографи (МРТ).
Земля теж має власне магнітне поле – саме воно змушує стрілку компаса працювати. Вчені визначили північний полюс магніту як кінець, який вказував би на північний полюс Землі, якби магніт міг вільно обертатися. Але технічно, пояснив Бебінгер, це означає, що північний магнітний полюс на Землі насправді є південним магнітним полюсом, оскільки протилежні полюси притягуються.
У фізиці прийнято вважати, що лінії магнітного поля течуть від північного полюса магніту до його південного полюса, утворюючи замкнений контур.
Фізики також виявили інші розташування магнітних полюсів, включаючи квадруполі (тип частинки або об’єкта з чотирма елементами або компонентами), в яких комбінація північного і південного магнітних полюсів розташована в квадраті. Але одна мета залишається недосяжною, каже Феррасін: ніхто ще не знайшов магнітного монополя.
Електрони і протони є електричними монополями: кожен з них має один електричний заряд, позитивний або негативний. Але електрони (та й інші частинки теж) мають два магнітні полюси. І оскільки вони є фундаментальними частинками, їх не можна розщепити далі. Ця різниця між електричною та магнітною поведінкою частинок інтригує багатьох фізиків, і для деяких з них знаходження частинки з одним магнітним полюсом є святим Граалем. Її відкриття кинуло б виклик законам фізики, як ми їх зараз розуміємо.
Переклад: https://www.livescience.com/physics-mathematics/why-do-magnets-have-north-and-south-poles
