Почему магниты имеют северные и южные полюса: строение и происхождение

При разрезании стержневого магнита пополам не происходит исчезновения его полюсов. Скорее, это создает два отдельных магнита, каждый из которых имеет свой собственный северный полюс, притягивающийся к южному полюсу другого магнита, и наоборот. Это основное свойство привлекательности делает магниты полезными для многих задач.

магнит

Но как появляются эти полюса и почему у магнитов есть северный и южный полюс?

Магниты являются одной из самых загадочных тайн в физике, по словам ученых. Все еще продолжается их изучение, несмотря на тысячелетнее использование человеком магнитов.

Наиболее простым ответом на этот вопрос является поведение электронов. Вся материя, включая магниты, состоит из атомов. Каждый атом содержит ядро, окруженное одним или несколькими отрицательно заряженными электронами. Каждый из этих электронов создает свое собственное магнитное поле, которое ученые называют «спином». Если достаточное количество этих маленьких магнитных полей направлено в одном направлении, то сам материал становится магнитным.

Сам «спин» электрона является абстрактным понятием, так как никто не видел его вращение — он настолько мал, что не может быть увиден под микроскопом. Однако физики знают о магнитных полях электронов, потому что они были измерены. Один из способов создания этого поля — через вращение электрона. Если изменить направление его вращения на противоположное, то магнитное поле также перевернется.

Когда это возможно, электроны объединяются в пары, в которых их спины компенсируют друг друга, что приводит к нулевому магнитному полю атома в целом. Однако в некоторых элементах, таких как железо, это невозможно. Количество электронов и их расположение вокруг ядра приводит к наличию неспаренного электрона, создающего небольшое магнитное поле.

В неимагнитном материале эти отдельные магнитные поля направлены в различных случайных направлениях. В этом состоянии они в основном компенсируют друг друга, поэтому весь материал не обладает магнитными свойствами. Однако при определенных условиях эти маленькие субатомные магнитные поля могут разместиться в одном направлении. Можно представить себе это как разницу между толпой людей, витающих вокруг без определенного направления, и группой, организованно смотрящих в одном направлении. Взаимодействие множества этих крошечных магнитных полей создает более сильное магнитное поле, что делает материал магнитом.

Многие магниты, которые мы используем в повседневной жизни, такие как магниты на холодильнике, известны как постоянные магниты. В этих материалах магнитные поля многих атомов постоянно выровнены в одном и том же направлении с помощью внешнего магнитного поля, например, если магнит разместить в окружающем его более сильном магнитном поле.

Общепринято, что линии магнитного поля выходят из северного полюса магнита и возвращаются в южный полюс, образуя замкнутый контур. В то время как северный полюс магнита указывает на северный полюс Земли, он обозначается как магнитный южный полюс в физической договоренности, так как противоположные полюса притягиваются друг к другу.

Таким образом, проведение простого эксперимента, разрезая магнит пополам, мы видим, что в каждой половинке образуются северные и южные полюса, и это объясняется поведением электронов в атомах, что создает доминирование магнитных полей в определенном направлении.