Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Линии магнитных полей для отдельного магнита и конфигурации с наиболее низкой энергией для групп множества магнитов. Магниты, сложенные «конец к концу» с объединенными северными полюсами, создают большее коллективное магнитное поле, показанное более широкими витками, в то время как поля лежащих бок о бок магнитов взаимно уничтожают друг друга.

Трехмерный материал, сделанный из маленьких частиц с магнитными свойствами, необходимо будет иметь некоторые из этих частиц, расположенные бок о бок, вот почему большинство материалов не имеют магнитных свойств. Даже сильные магнитные атомы, такие как железо и хром, в конце концов принимают немагнитные формы, когда смешиваются с минералами или сплавами, потому что способ принять состояние с минимальной энергией для этих атомов – это расположить себя в молекулах и кристаллах так, чтобы северные поля соседних атомов указывали в противоположных направлениях.

Чтобы создать сильный постоянный магнит, необходимо найти способ сложить частицы вместе так, чтобы все минимальные энергии на всех уровнях – на уровне фундаментальных частиц, магнитных атомов и кусочков минерала – получались, когда северные полюса отдельных магнитных компонентов были объединены. Этого нельзя достичь только с помощью одного магнитного взаимодействия; это требует дополнительного взаимодействия, которое увеличит энергию немагнитного состояния так, что будет более предпочтительным состояние магнитное. Это требует высокой изобретательности и в конце концов вынудит нас принять во внимание не только электростатическое отталкивание между электронами, но также, опять-таки, принцип запрета Паули.

Магнитные электроны

Магнетизм начинается на уровне фундаментальных частиц, и магнитные свойства, присущие электронам, составляют конечный источник магнитного поля постоянного магнита. Взаимодействие между парами элементарных частиц также обеспечивает ясную иллюстрацию баланса энергии, который управляем всем процессом.

Как мы видели, когда впервые знакомились с принципом запрета Паули в главе б, отдельный электрон имеет «спин», исключительно квантовое свойство, который может принимать только два возможных значения. Этот спин дает электрону небольшую по силе магнитную характеристику, и в присутствии магнитного поля два значения спина создают два состояния со слегка отличающейся энергией. Эти состояния традиционно называются состояниями «вверх» и «вниз», в зависимости от того, направлен ли внутренний магнит электрона в том же направлении, что и локальное магнитное поле, или в противоположном.

Конечно, магнитное свойство электрона не только дает ему предпочтительное направление, оно также создает магнитное поле, которое влияет на расположенные рядом частицы. Второй электрон, размещенный по соседству с первым, будет стремиться согласовать свой спин с этим полем, учитывая, что для второго электрона предпочтительное направление будет зависеть от того, расположен ли он конец к концу или бок о бок с первым. Если мы рассматриваем только магнитные взаимодействия, электроны будут стремиться выстраивать себя в длинные цепочки с соседними звеньями, имеющими противоположно направленные спины, так что вся цепочка в конечном счете не будет создавать результирующего магнитного поля.

Конечно, два электрона в близком соседстве не будут взаимодействовать лишь за счет своих магнитных свойств; они также будут ощущать электростатические взаимодействия и отталкивать друг друга весьма сильно, потому что у них одинаковый отрицательный заряд. Это отталкивание намного сильнее, чем слабенькое магнитное взаимодействие, так что два электрона не слишком долго задерживаются для того, чтобы магнитное взаимодействие между их спинами сыграло какую-либо роль. В то время как пара электронов может понизить их энергию, если спины будут указывать в противоположных направлениях, они гораздо больше могут понизить энергию, разойдясь подальше друг от друга, и в результате они окажутся разделенными достаточным расстоянием, на котором магнитное взаимодействие может на что-то повлиять.