Магніти. Як вони працюють

Якщо взяти шматок дерева і покласти його поруч з іншим шматком дерева, нічого не станеться.
Якщо взяти шматок граніту і покласти його біля іншого каменю - знову нічого.
Але, якщо взяти шматок заліза і покласти його з іншим шматком заліза - магія!
Тобто - магніт.
Магнітні об'єкти здатні магічним чином притягатися на великій відстані завдяки невидимим магнітним полям, які простягаються за межі об'єкта, який є їхнім джерелом.
Але загадка полягає в тому, звідки беруться магнітні поля?
Ну, це ж просто, Генрі.
Нам уже давно відомо, що електрика і магнетизм - це ніби два боки однієї медалі, майже як маса й енергія, або час і простір.
Їх можна взаємно перетворювати.
Фактично, магнітні поля - це те, на що перетворюються електричні поля, коли заряджений об'єкт починає рухатися.
Це пояснює, чому струм, створений електронами, що течуть по провіднику, діє на стрілку компаса, або те, яким чином струми у зовнішньому ядрі Землі генерують геомагнітне поле.
Але прямий магніт або стрілка компаса - це просто металеві тіла, крізь які жоден струм не тече.
Справді, в атомах і молекулах, з яких складається будь-яке тверде тіло, рухаються електрони.
Точно, з цим пов'язане чудове спостереження - магнітна поведінка звичайних об'єктів перебуває під впливом приголомшливого поєднання чинників і масштабів - від елементарних частинок до атомів, груп атомів і великих сукупностей атомів.
Почнімо з окремих частинок.
На відміну від інтуїтивно зрозумілих гравітаційних та електричних явищ, дію постійних магнітів можна зрозуміти лише як квантово-механічний процес.
Значною мірою, так само як частинки на кшталт електронів і кварків мають такі фундаментальні властивості як маса й електричний заряд, більшість частинок також мають ще одну характеристику під назвою "крихітний магніт".
Жартую, вона називається власний магнітний момент.
Але насправді це лише жаргон, який вказує на те, що електрично заряджені елементарні частинки також є крихітними магнітами.
Якщо ви запитаєте чому вони є крихітними магнітами, ви можете запитати чому у частинок є заряд, або чому об'єкти з енергією та імпульсом гравітаційно притягуються.
Ніхто не знає.
Нам просто відомо, що так працює всесвіт.
Саме так з 1920-х років ми знаємо, що кожен окремий електрон або протон - це, по суті, крихітний магніт.
І цей факт переводить нас на рівень атомів.
Атом складається з ядра, в якому містяться позитивно заряджені протони й хмарки негативно заряджених електронів, які оточують ядро.
Магнітний момент протонів майже в тисячу разів менший, ніж магнітний момент електронів, тому атомне ядро майже не впливає на магнітні властивості атома в цілому.
І ви можете уявити, що якщо багато електронів, хоча і не всі, рухаються, нагадуючи цим струм, то вони повинні бути джерелом магнітних полів.
Власне так воно і є.
Такі магнітні поля називаються орбітальними.
От тільки вони, зазвичай, не впливають на магнітне поле атома, і ось чому.
Електрони в атомі дуже точно і водночас складно описуються квантовою механікою.
Електрони в атомі утворюють своєрідні оболонки навколо ядра.
В будь-якій заповненій оболонці електрони рухаються рівно ймовірно в усіх напрямках, тому створені ними магнітні поля взаємно компенсуються.
Електрони в заповнених оболонках утворюють пари - крихітні магнітні моменти електрони яких протилежно напрямлені і в підсумку також дають нуль.
Однак, в наполовину заповненій оболонці жоден електрон не має пари, їхні власні магнітні моменти мають однаковий напрям, тому додаються.
А це означає, що саме власний магнітний момент у зовнішній оболонці зумовлює існування магнітного поля атома.
Атому розташовані ближче до краю будь-якого з основних блоків періодичної системи мають заповнені або майже заповнені зовнішні електронні оболонки, тож такі атоми майже немагнітні.
Атоми ж, що містяться всередині блоків, мають наполовину заповнені зовнішні електронні оболонки, через що є магнітними.
Наприклад, нікель, кобальт, залізо, манган, хром тощо.
Стривай, але ж хром не магнітний?
Так, але той факт, що атом магнітний, не обов'язково означає, що речовина, яка складається з великої кількості таких атомів буде магнітною.
І це переносить нас на рівень кристалів.
Коли магнітні атоми збираються разом, формуючи тверде тіло, у них, зазвичай, є два варіанти: або магнітні поля всіх атомів орієнтуються в одному напрямку, або ж вони орієнтуються антипаралельно, тобто так, що загальний магнітний момент дорівнює нулю.
Реалізується той варіант, який є енергетично вигіднішим.
Ось чому атом хрому дуже магнітний, але хром як кристалічна речовина взагалі не магнітний.
Це одна з найбільш феромагнітних простих речовин.
Залізо ж, з іншого боку, дало назву явищу під назвою феромагнетизм, тож не дивно, що залізо - це феромагнетик.
Або, якщо просто, залізо - це речовина, здатна намагнічуватися.
Не завжди.
Останній рівень магнетизму - це домени.
Навіть в магнітній речовині, де магнітні поля атомів вибудовані в одному напрямку, в одній ділянці магнітні моменти атомів вишукані в один бік, а в сусідній ділянці - в інший.
Якщо усі ці домени приблизно однакового розміру, то жоден з них не може змусити інший змінити свою намагніченість.
І тому, наприклад, шматок заліза може не мати магнітного поля через усі ті ворогуючі магнітні королівства у нього всередині.
Однак, якщо ви прикладете достатньо сильне зовнішнє магнітне поле, то можете допомогти одному домену розширити свій вплив на сусідів.
І так буде доти, доки всі домени не об'єднаються в одне велике королівство, в якому усі вони матимуть однаково направлену намагніченість.
І тоді, нарешті, ви зможете керувати залізною рукою.
Ем, тобто магнітом, адже залізо зараз намагнічене.
Дивним є те, що магнетизм, по суті, - це фундаментальна квантова властивість підсилена до розмірів повсякденних предметів.
Кожен постійний магніт - це нагадування про те, що в основі нашого всесвіту лежить квантова механіка.
І щоб якесь тіло стало магнітом, воно повинно містити об'єднане королівство магнітних доменів, кожен з яких складається з величезної кількості магнітних атомів, моменти яких повинні бути спільно напрямлені.
Причому кожен з тих атомів може бути магнітним лише, якщо його зовнішня електронна оболонка заповнена приблизно наполовину, а власні магнітні моменти електронів у зовнішній оболонці напрямлені в один бік і не компенсують один одного.
Не дивно, що ці критерії важко виконати, тому існує обмежена кількість речовин, придатних до виготовлення магнітів.
Або ж можна пропускати струм через будь-який провідник і так генерувати магнітне поле.
Але, гей, чому це працює саме так?