Разрезав стержневой магнит пополам, вы не избавитесь от его полюсов. В результате вы просто получите 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 удержания приглашения на вечеринку на холодильнике до создания медицинских визуализаций.
Но как эти полюса возникают? Почему магниты имеют северный и южный полюса?
Магниты являются «одной из глубочайших загадок в физике», — сказал Грег Бобингер (Greg Boebinger), директор Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси, Флорида, США. И хотя люди используют магниты уже тысячи лет, учёные всё ещё узнают что-то новое о том, как эти штуки работают.
Самый простой ответ на вопрос, почему магниты имеют 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 своё крошечное магнитное поле, которое учёные называют «спин». Если достаточное количество этих небольших магнитных полей направлено в одном направлении, сам материал приобретает возможность намагничивать.
«Спин» электрона — это что-то вроде абстрактного понятия, сказал Бебингер Live Science. Технически, никто никогда 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 генерации этого поля — если электрон будет вращаться. Если же поменять направление вращения, то магнитное поле тоже изменится.
Когда это возможно, электроны объединяются в пары, так что их спины компенсируются, что делает чистый магнетизм атома равным нулю. Но в некоторых элементах, таких как железо, это происходить не может. Количество электронов и то, как они расположены вокруг ядра, означает, что каждый атом железа будет иметь неспаренный электрон, образующий 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 наделён магнетизмом. Но при правильных условиях крошечные субатомные магнитные поля могут ориентироваться в одном и том же направлении. Это можно себе представить в виде одной толпы людей, слоняющихся без дела, и толпы, которая хорошо организована и двигается в одном направлении. Комбинация этих очень маленьких магнитных полей создаёт магнитное поле большего размера — так 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 за счёт некоторой внешней силы, например, путём помещения в более мощное магнитное поле.
Часто это более мощное магнитное поле создаётся электричеством. Электричество и магнетизм фундаментально связаны, поскольку магнитные поля генерируются движением электрических зарядов. Вот почему вращающийся электрон обладает магнитным полем. Однако учёные также могут использовать электричество для создания очень мощных магнитов, говорит Паоло Феррасин (Paolo Ferracin), старший научный сотрудник Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, Калифорния. Прохождение достаточного тока через катушку с проводом создаёт очень сильное магнитное поле, которое существует, пока в устройстве протекает ток. Эти электромагниты часто используются в физических исследованиях, отметил Феррасин. Они также задействуются в медицинских инструментах, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ).
У Земли тоже есть своё собственное магнитное поле — это то, что заставляет работать стрелку компаса. Учёные определили северный полюс магнита как конец, который указывает на северный полюс Земли, если магнит будет иметь возможность свободно вращаться. Правда технически, объяснил Бебингер, это означает, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является магнитным южным полюсом, поскольку притягиваются именно противоположные полюса.
Физика рассказывает нам о том, что линии магнитного поля проходят наружу от северного полюса магнита к его южному полюсу, образуя при этом замкнутый контур.
Учёные же также обнаружили другие варианты расположения магнитных полюсов, в том числе квадруполи, в которых комбинация северного и южного магнитных полюсов расположена в виде квадрата. Однако одна цель так и остаётся недостижимой, сказал Феррасин: никто ещё пока не нашёл магнитный монополь.
Электроны и протоны являются электрическими монополями: каждый из них имеет один электрический заряд, либо положительный, либо отрицательный. Но электроны (и другие частицы тоже) имеют два магнитных полюса. И поскольку это фундаментальные частицы, они не могут быть расщеплены 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. Её открытие бросило бы вызов законам физики в том виде, в каком мы их понимаем в настоящее время.
