Чаму магніты маюць паўночны і паўднёвы полюсы?

Агульнавядомы факт, што нават разразанне магніта напалову не пазбавіць яго ад палюсоў. Гэта проста створыць два магніты, кожны з якіх будзе са сваім паўночным і паўднёвым полюсамі. І якія будуць прыцягвацца да процілеглага полюса іншага магніта.

Менавіта гэтая фундаментальная ўласцівасць прыцягнення робіць іх карыснымі для шматлікіх мэт, ад утрымання запрашэння на вечарынку на халадзільніку да выканання медыцынскіх даследаванняў.

Але як яны ўзнікаюць? Чаму магніты маюць паўночны і паўднёвы полюсы? Адказы на гэтыя пытанні даведаўся праект Live Science.

Магніты — гэта «адна з самых глыбокіх таямніц у фізіцы», — сказаў Грэг Бобінгер, дырэктар Нацыянальнай лабараторыі моцнага магнітнага поля ў Талахасі, штат Фларыда. У той час як людзі выкарыстоўвалі магніты на працягу тысячагоддзяў, навукоўцы ўсё яшчэ вывучаюць новыя рэчы пра тое, як яны працуюць.

Самы асноўны адказ на тое, чаму магніты маюць полюсы, ляжыць у паводзінах электронаў. Уся матэрыя, уключаючы магніты, складаецца з атамаў. У кожным атаме ядро акружана адным або некалькімі адмоўна зараджанымі электронамі. Кожны з гэтых электронаў стварае ўласнае малюсенькае магнітнае поле, якое навукоўцы называюць "спінам". Калі дастатковая колькасць гэтых невялікіх магнітных палёў накіравана ў адным кірунку, сам матэрыял становіцца магнітным.

"Спін" электрона — гэта абстрактнае паняцце, сказаў Бёбінгер Live Science. Тэхнічна ніхто не бачыў, як круціцца электрон — ён занадта малы, каб яго можна было ўбачыць пад мікраскопам. Але фізікі ведаюць, што электроны маюць магнітнае поле, таму што яны вымералі яго. І адзін са спосабаў узнікнення гэтага поля — калі электрон круціцца. Зменіце кірунак кручэння — і магнітнае поле перавернецца.

Калі гэта магчыма, электроны будуць аб'ядноўвацца ў пары, каб іх спіны кампенсаваліся, робячы чысты магнетызм атама роўным нулю. Але ў некаторых элементах, такіх як жалеза, гэта не можа адбыцца. Колькасць электронаў і спосаб іх размяшчэння вакол ядра азначае, што кожны атам жалеза будзе мець неспараны электрон, які стварае невялікае магнітнае поле.

У не намагнічаным матэрыяле гэтыя асобныя магнітныя палі накіраваны ў розныя выпадковыя напрамкі. У гэтым стане яны ў асноўным кампенсуюць друг друга, таму матэрыял у цэлым не з'яўляецца магнітным. Але пры правільных умовах малюсенькія субатамныя магнітныя палі могуць арыентавацца ў адным і тым жа кірунку. Гэта можна ўявіць як розніцу паміж натоўпам людзей, якія бадзяліся ў розных напрамках. А гэтак жа натоўпам, які арганізуецца і глядзіць у адным кірунку. Камбінацыя гэтых вельмі маленькіх магнітных палёў стварае большае магнітнае поле, таму матэрыял становіцца магнітам.

Многія з магнітаў, якія выкарыстоўваюцца ў паўсядзённым жыцці, напрыклад магніты на халадзільнік, вядомыя як пастаянныя магніты. У гэтых матэрыялах магнітныя палі многіх атамаў у матэрыяле сталі пастаянна выраўноўвацца пад дзеяннем нейкай знешняй сілы — напрыклад, калі іх змясцілі ў больш магутнае магнітнае поле.

Часта больш магутнае магнітнае поле ствараецца электрычнасцю. Электрычнасць і магнетызм фундаментальна звязаны паміж сабой, таму што магнітныя палі ствараюцца рухам электрычных зарадаў. Вось чаму у круцячыся электрон мае магнітнае поле.

Навукоўцы таксама могуць выкарыстоўваць электрычнасць для стварэння вельмі магутных магнітаў, сказаў Паола Ферасін, старэйшы навуковы супрацоўнік Нацыянальнай лабараторыі Лоўрэнса Берклі ў Каліфорніі. Прапусканне дастатковай колькасці току праз скрутак дротаў стварае вельмі моцнае магнітнае поле, якое доўжыцца да таго часу, пакуль цячэ ток. Гэтыя электрамагніты часта выкарыстоўваюцца ў фізічных даследаваннях, сказаў Ферасін Live Science. Яны таксама выкарыстоўваюцца ў медыцынскіх інструментах, такіх як магнітна-рэзанансная тамаграфія (МРТ).

У Зямлі таксама ёсць сваё магнітнае поле — яно прымушае стрэлку компаса працаваць. Навукоўцы вызначылі паўночны полюс магніта як канец, які быў бы накіраваны на паўночны полюс Зямлі, калі б магніт мог свабодна круціцца. Але тэхнічна, растлумачыў Бёбінгер, гэта азначае, што паўночны магнітны полюс на Зямлі на самай справе з'яўляецца магнітным паўднёвым полюсам, бо супрацьлеглыя полюсы прыцягваюцца.

Згодна з канвенцыяй фізікі, лініі магнітнага поля цякуць ад паўночнага полюса магніта да яго паўднёвага полюса, утвараючы замкнуты контур.

Фізікі таксама знайшлі іншае размяшчэнне магнітных полюсаў, у тым ліку квадрупольныя (чатырохполюсныя), у якіх камбінацыя паўночнага і паўднёвага магнітных полюсаў размешчаны ў квадраце. Але адна мэта застаецца няўлоўнай, сказаў Ферасін: ніхто яшчэ не знайшоў магнітнага манаполя.

Электроны і пратоны з'яўляюцца электрычнымі манаполямі: кожны з іх мае адзіны электрычны зарад, станоўчы або адмоўны. Але электроны (і іншыя часціцы таксама) маюць два магнітных полюса. І паколькі яны з'яўляюцца фундаментальнымі часціцамі, іх немагчыма раскласці далей. Гэтая розніца паміж тым, як часціцы паводзяць сябе электрычна і магнітна, заінтрыгавала многіх фізікаў, і для некаторых знайсці часціцу з адным магнітным полюсам — гэта святы Грааль. Яе адкрыццё паставіць пад сумнеў законы фізікі у тым выглядзе, як мы іх цяпер разумеем.