Залізні тирса і магніти - це дві речі, які, здається, невіддільні одна від одної. Багато з нас можуть згадати свій перший досвід, коли вони вперше побачили, як залізні тирса магнітом піднімаються в повітря. Безумовно, це захоплююче і загадкове явище, яке викликає багато питань і викликає інтерес.
Однак наукове пояснення цього явища досить просте. Магніти мають властивість, відому як магнетне поле. Вони створюють навколо себе невидиме поле, яке притягує або відштовхує інші магнітні або феромагнітні об'єкти, такі як залізо та сталь.
Коли ми наближаємо магніт до залізної тирси, магнітне поле магніту взаємодіє з мікроскопічними магнітними доменами, які присутні всередині заліза. Магнітне поле магніту спрямоване від одного полюса до іншого, і маленькі домени всередині заліза починають орієнтуватися відповідно до цього поля.
Квантова фізика та магнітизм
Основою явища магнітизму є квантовий спін - внутрішня властивість елементарних частинок. Спін можна уявити собі, як обертання частинки навколо своєї осі. Це обертання створює магнітний момент, який обумовлює магнітні властивості частинки.
Крім того, квантова фізика пояснює, що частинка може мати лише певне значення спіна, яке виражається в напівцілих числах або цілих числах кратних 1/2. Такі частинки називаються ферміонами і бозонами відповідно.
Речовини, в яких є незаповнені енергетичні рівні з різними значеннями спина, володіють магнітними властивостями. Коли магнітне поле магніту впливає на таку речовину, відбувається орієнтація енергетичних рівнів і спина частинок речовини.
Залізо, з якого отримані тирса, містить атоми з незаповненими електронними оболонками. Електрони в Залізному атомі мають спін і магнітний момент. Під впливом магнітного поля, ці магнітні моменти орієнтуються уздовж напрямку поля. В результаті, тирса знаходять магнітні властивості і притягуються до магніту.
Таким чином, квантова фізика пояснює, що притягання залізної тирси до магніту є результатом орієнтації магнітних моментів електронів у залізі під впливом магнітного поля.
Вплив електромагнітного поля
Тяжіння залізної тирси до магніту пояснюється впливом електромагнітного поля. Магніт створює навколо себе магнітне поле, яке чинить силовий вплив на інші магнітні матеріали, включаючи залізо.
Магнітне поле виникає в результаті руху електричних зарядів, а в магнітах цей рух відбувається за рахунок електронів в атомах. Магнітні дипольні моменти електронів в атомах магнітних матеріалів орієнтуються в одному напрямку, створюючи сильне магнітне поле.
Коли залізні тирса знаходяться поблизу магніту, вони вступають у взаємодію з його магнітним полем. Магнітне поле магніту орієнтує магнітні дипольні моменти всередині тирси в одному напрямку, роблячи їх тимчасовими магнітами.
Вирівнювання магнітних дипольних моментів в залізних тирсі призводить до того, що вони починають притягатися один до одного і до самого магніту. Це відбувається через взаємодію магнітних полів, що створюються магнітами та тирсою.
Таким чином, вплив електромагнітного поля магніту призводить до тяжіння залізних тирси і створює ефект тяжіння, що спостерігається при прикладанні магніту до них.
Теорія доменної структури
Феномен тяжіння залізної тирси до магніту пояснюється особливостями внутрішньої структури і властивостями магнетизму.
Залізо та інші магнітні матеріали складаються з мікроскопічних областей з вирівняними магнітними моментами, які називаються доменами. Кожен домен має свій певний магнітний момент і напрямок. Домени з вирівняними моментами притягуються один до одного і утворюють області з однаковим магнітним полем.
За відсутності зовнішнього магнітного поля домени в магнітному матеріалі орієнтовані випадковим чином, що призводить до нейтрального значення магнітної величини матеріалу в цілому.
Однак, при накладенні зовнішнього магнітного поля, домени всередині матеріалу синхронно і в цілому шикуються уздовж ліній магнітного поля. Це призводить до утворення магнітних полюсів на різних кінцях матеріалу.
Коли залізні тирса знаходяться поруч з магнітом, магнітні поля доменів в залізі і магніту починають взаємодіяти між собою. Домени в залізних тирсі намагаються вишикуватися по тому ж напрямку, що і домени в магніті.
В результаті цієї взаємодії, залізні тирса притягуються до магніту і формують області збігається магнітного поля. Чим сильніше магнітне поле магніту, тим більше тирси буде притягуватися і тим сильніше буде їх сила тяжіння.
Це явище пояснюється за допомогою взаємодії магнітних полів доменів і обумовлює магнітне взаємодія між магнітом і залізними тирсою.