Magnes przyciąga żelazo, przykleja się do lodówki i potrafi odpychać inny magnes bez żadnego dotyku. Za tym wszystkim stoi ruch i ustawienie elektronów w atomach. Wyjaśniamy, skąd bierze się magnetyzm i czemu nie da się wyodrębnić samego bieguna północnego ani południowego.
Skąd bierze się magnetyzm
Każdy elektron w atomie zachowuje się jak maleńki magnesik. Ma bowiem cechę zwaną spinem, która powoduje, że wytwarza własne pole magnetyczne. Dodatkowo krążenie elektronów wokół jądra również tworzy niewielkie pole.
W większości materiałów, takich jak drewno, szkło czy plastik, te maleńkie pola wzajemnie się znoszą. Elektrony łączą się w pary o przeciwnych spinach i ich działanie się kasuje. Dlatego zwykły kawałek drewna nie przyciąga gwoździ.
W niektórych metalach, na przykład w żelazie, niklu i kobalcie, jest inaczej. Mają one niesparowane elektrony, a atomy wpływają na siebie nawzajem tak, że ich małe pola ustawiają się w jednym kierunku. Takie materiały nazywamy ferromagnetykami.
Domeny magnetyczne – małe obszary porządku
W kawałku żelaza atomy tworzą grupy zwane domenami magnetycznymi. Wewnątrz jednej domeny wszystkie atomy są ustawione zgodnie, więc domena jest mocnym, małym magnesem. Jednak domeny w zwykłym żelazie są skierowane w różne strony i ich działanie się znosi, dlatego gwóźdź sam z siebie nie jest magnesem.
Gdy przyłożymy do gwoździa silny magnes albo umieścimy go w polu magnetycznym, domeny zaczynają się porządkować. Te ustawione zgodnie z polem rosną kosztem pozostałych. Gwóźdź na pewien czas staje się magnesem. W twardych materiałach magnetycznych porządek zostaje na długo i właśnie z nich wykonuje się magnesy trwałe.
Jak magnes oddziałuje na otoczenie
Wokół magnesu istnieje pole magnetyczne. Nie widać go, ale można zobaczyć jego skutki. Jeśli położysz kartkę na magnesie i posypiesz ją opiłkami żelaza, ułożą się one wzdłuż linii pola. Linie te wychodzą z jednego końca magnesu, czyli bieguna północnego, i wchodzą do drugiego, południowego. Wewnątrz magnesu biegną dalej, więc tworzą zamknięte pętle.
Z tego wynikają znane zasady:
- różnoimienne bieguny (północ i południe) się przyciągają,
- jednoimienne bieguny (dwie północe lub dwa południa) się odpychają,
- siła oddziaływania szybko maleje wraz z odległością,
- magnes przyciąga przedmioty z materiałów ferromagnetycznych, ale nie na przykład aluminium czy szkło.
Igła kompasu to mały magnes, który ustawia się w polu magnetycznym Ziemi. Jej koniec wskazujący północ geograficzną jest z definicji biegunem północnym magnesu.
Dlaczego nie da się rozdzielić biegunów
Spróbujmy przeciąć magnes na pół. Można by się spodziewać, że jedna połówka będzie miała tylko biegun północny, a druga tylko południowy. Tak się jednak nie dzieje. Każda połówka staje się pełnym magnesem z własną parą biegunów. Jeśli przetniesz ją jeszcze raz, powstaną kolejne dwa magnesy.
Powód jest prosty: magnes to zbiór bardzo wielu małych magnesików, czyli uporządkowanych atomów, a każdy z nich ma dwa bieguny. Dzielenie można prowadzić aż do poziomu pojedynczego atomu czy nawet elektronu, a i one zachowują się jak dipole, czyli obiekty z dwoma biegunami.
Różni się to od elektryczności. Ładunek dodatni i ujemny mogą istnieć osobno, bo istnieją cząstki naładowane tylko plus lub tylko minus. Tymczasem w obserwowanym świecie nie znaleziono dotąd pojedynczego bieguna magnetycznego, czyli tak zwanego monopolu magnetycznego. Fizycy teoretyczni rozważają, czy mógłby istnieć, i prowadzono takie poszukiwania, ale nie ma potwierdzonych obserwacji.
Warto zapamiętać też inny sposób patrzenia: linie pola magnetycznego zawsze tworzą zamknięte pętle. Skoro nigdzie nie zaczynają się ani nie kończą, nie ma miejsca, w którym siedziałby „samotny” biegun.
Praktyczne wskazówki w codziennym użyciu
- Trzymaj silne magnesy z dala od kart płatniczych z paskiem magnetycznym oraz od starszych nośników danych, bo mogą je uszkodzić.
- Silne magnesy neodymowe łatwo się zderzają i pękają, a przy zbliżeniu mogą boleśnie przyciąć skórę. Uważaj na palce i nie pozwalaj bawić się nimi małym dzieciom, bo połknięcie kilku magnesów jest niebezpieczne.
- Uderzenia i wysoka temperatura osłabiają magnes, bo rozregulowują ułożenie domen.
- Chcesz sprawdzić, który koniec magnesu jest północny? Zawieś go na nitce lub połóż na lekkim pływaku. Ustawi się wzdłuż pola magnetycznego Ziemi.
Magnetyzm wygląda na prostą zabawę, a tak naprawdę wynika z fundamentalnych własności materii. Dwa bieguny zawsze występują razem, bo tak zbudowane są nawet najmniejsze cząstki tworzące magnes.
