Новости

Oct 21, 2023

Почему у магнитов есть северный и южный полюса?

Вращение электронов может помочь объяснить, почему у магнитов есть северный и южный полюса.

Вращение электронов может помочь объяснить, почему у магнитов есть северный и южный полюса.

Разрезание стержневого магнита пополам не избавит его от полюсов. Он просто создаст два магнита, каждый с северным полюсом, который будет притягиваться к южному полюсу другого магнита, и наоборот.

Именно это фундаментальное свойство притяжения делает магниты полезными для многих целей: от поднесения приглашения на вечеринку к холодильнику до проведения медицинских исследований.

Но как возникают эти полюса? Почему у магнитов есть северный и южный полюса?

Магниты — «одна из глубочайших загадок физики», — сказал Грег Бебингер, директор Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси, Флорида. Хотя люди используют магниты уже тысячи лет, ученые все еще узнают что-то новое о том, как они работают.

Самый простой ответ на вопрос, почему у магнитов есть полюса, кроется в поведении электронов. Вся материя, включая магниты, состоит из атомов. В каждом атоме ядро ​​окружено одним или несколькими отрицательно заряженными электронами. Каждый из этих электронов генерирует собственное крошечное магнитное поле, которое ученые называют «спин». Если достаточное количество этих небольших магнитных полей направлено в одном направлении, материал сам становится магнитным.

По теме: Почему металл искрит в микроволновой печи?

«Спин» электрона — это что-то вроде абстрактной концепции, рассказал Бебингер журналу Live Science. Технически никто не видел вращения электрона — он слишком мал, чтобы его можно было увидеть под микроскопом. Но физики знают, что у электронов есть магнитное поле, потому что они его измерили. И один из способов создания этого поля — если электрон вращается. Измените направление вращения на противоположное, и магнитное поле изменится.

Когда это возможно, электроны объединяются в пары, так что их спины уравновешиваются, делая чистый магнетизм атома равным нулю. Но с некоторыми элементами, например с железом, этого не происходит. Количество электронов и то, как они расположены вокруг ядра, означает, что у каждого атома железа будет неспаренный электрон, генерирующий небольшое магнитное поле.

В ненамагниченном материале эти отдельные магнитные поля направлены в разных случайных направлениях. В этом состоянии они по большей части нейтрализуют друг друга, поэтому материал в целом не является магнитным. Но при правильных условиях крошечные субатомные магнитные поля могут выровняться и указывать в одном направлении. Можно подумать об этом как о разнице между слоняющейся толпой людей и всеми организованными людьми, смотрящими в одном направлении. Комбинация этих очень маленьких магнитных полей создает большее магнитное поле, поэтому материал становится магнитом.

Многие магниты, используемые в повседневной жизни, например магниты на холодильник, известны как постоянные магниты. В этих материалах магнитные поля многих атомов материала стали постоянно выравниваться под действием какой-то внешней силы — например, когда они оказались внутри более мощного магнитного поля.

Зачастую более мощное магнитное поле создается электричеством. Электричество и магнетизм фундаментально связаны, поскольку магнитные поля создаются движением электрических зарядов. Вот почему вращающийся электрон имеет магнитное поле. Но ученые также могут использовать электричество для создания очень мощных магнитов, говорит Паоло Феррасин, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии. Пропускание достаточного тока через катушку с проводом создает очень сильное магнитное поле, которое длится до тех пор, пока течет ток. Эти электромагниты часто используются в физических исследованиях, рассказал Феррацин Live Science. Они также используются в медицинских инструментах, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ).

У Земли тоже есть собственное магнитное поле — именно оно заставляет работать стрелку компаса. Ученые определили северный полюс магнита как конец, который указывал бы на северный полюс Земли, если бы магнит мог свободно вращаться. Но технически, объяснил Бебингер, это означает, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным магнитным полюсом, поскольку противоположные полюса притягиваются.