Почему магниты имеют северный и южный полюса?

Фото из открытых источников

Разрезание стержневого магнита пополам не избавит его от полюсов. Это 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.

Но как возникают эти полюса? Почему магниты имеют северный и южный полюса?

Магниты, по словам ученых, - одна из самых глубоких загадок в физике. В то время как люди использовали магниты в течение тысяч лет, ученые все еще изучают, как они работают. 

Самый простой ответ на вопрос, почему у магнитов есть полюса, заключается 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 свое крошечное магнитное поле, которое ученые называют «спин». Если достаточное количество этих небольших магнитных полей направлено в одном направлении, сам материал становится магнитным. 

«Спин» электрона — это что-то вроде абстрактного понятия, технически никто не видел, как вращается электрон — 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 бы электрон вращался. Измените направление вращения на противоположное, и магнитное поле перевернется.

Когда это возможно, электроны объединяются в пары, так что их спины компенсируются, что делает чистый магнетизм атома нулевым. Но в некоторых элементах, таких как железо, этого не может быть. Количество электронов и то, как они расположены вокруг ядра, означает, что каждый атом железа будет иметь неспаренный электрон, создающий небольшое магнитное поле. 

В ненамагниченном материале эти отдельные магнитные поля направлены в разные случайные направления. В этом состоянии они в основном компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не является магнитным. Но при правильных условиях крошечные субатомные магнитные поля могут ориентироваться в одном и том же направлении. Можно подумать об этом как о разнице между толпой людей, слоняющихся вокруг, и всеми, кто организуется и смотрит в одном направлении. Комбинация этих очень маленьких магнитных полей создает большее магнитное поле, поэтому материал становится магнитом.

Многие магниты, используемые в повседневной жизни, такие как магниты на холодильник, известны как постоянные магниты. В этих материалах магнитные поля многих атомов в материале постоянно выровнены какой-то внешней силой — например, если их поместить внутрь более мощного магнитного поля.

Часто это более мощное магнитное поле создается электричеством. Электричество и магнетизм фундаментально связаны, потому что магнитные поля генерируются движением электрических зарядов. Вот почему у вращающегося электрона есть магнитное поле. Но ученые также могут использовать электричество для создания очень мощных магнитов. Пропускание достаточного тока через катушку с проводом создает очень сильное магнитное поле, которое существует, пока течет ток. Эти электромагниты часто используются в физических исследованиях. Они также используются в медицинских инструментах, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ).

У Земли тоже есть свое магнитное поле — это то, что 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 это означает, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является магнитным южным полюсом, поскольку противоположные полюса притягиваются.

Согласно физическому соглашению, линии магнитного поля текут наружу от северного полюса магнита к его южному полюсу, образуя замкнутый контур.

Физики также нашли другое расположение магнитных полюсов, включая квадруполи, в котором комбинация северного и южного магнитных полюсов расположены в виде квадрата. Но одна цель остается недостижимой, сказал Феррасин: никто еще не нашел магнитный монополь.

Электроны и протоны являются электрическими монополями: каждый из них имеет один электрический заряд, положительный или отрицательный. Но электроны (и другие частицы тоже) имеют два магнитных полюса. И поскольку они являются фундаментальными частицами, их нельзя расщепить дальше. Эта разница между тем, как частицы ведут себя электрически и магнитно, заинтриговала многих физиков, и для некоторых обнаружение частицы с одним магнитным полюсом является священным Граалем. Его открытие бросило бы вызов законам физики, как мы их понимаем в настоящее время.