با نصف کردن یک آهنربای میله ای از شر قطب های آن خلاص نمی شوید. این کار فقط دو آهنربا تولید می کند که هر کدام دارای یک قطب شمال است که به قطب جنوب آهنربای دیگر جذب می شود و بالعکس. این ویژگی اساسی جاذبه است که آهنرباها را برای اهداف بسیاری مفید می کند، از نگه داشتن دعوت نامه مهمانی در یخچال گرفته تا انجام تصویربرداری پزشکی.

اما این قطب ها چگونه به وجود می آیند؟ چرا آهنرباها دارای قطب شمال و جنوب هستند؟

گرگ بوبینگر، مدیر آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در تالاهاسی، فلوریدا، گفت: آهنرباها “یکی از عمیق ترین اسرار در فیزیک هستند.” در حالی که هزاران سال است که مردم از آهنربا استفاده می کنند، دانشمندان هنوز در حال یادگیری چیزهای جدیدی در مورد نحوه عملکرد آنها هستند.

اساسی ترین پاسخ در مورد اینکه چرا آهنرباها دارای قطب هستند در رفتار الکترون ها نهفته است. تمام مواد از جمله آهنرباها از اتم ساخته شده اند. در هر اتم، هسته توسط یک یا چند الکترون با بار منفی احاطه شده است. هر یک از این الکترون ها میدان مغناطیسی کوچک خود را تولید می کنند که دانشمندان از آن به عنوان “اسپین” یاد می کنند. اگر مقدار کافی از آن میدان های مغناطیسی کوچک در یک جهت باشد، خود ماده مغناطیسی می شود.

بوبینگر به Live Science گفت: «اسپین» یک الکترون چیزی شبیه یک مفهوم انتزاعی است. از نظر فنی، هیچ کس چرخش الکترونی را ندیده است – آنقدر کوچک است که نمی‌توان آن را زیر میکروسکوپ دید. اما فیزیکدانان میدانند که الکترونها میدان مغناطیسی دارند زیرا آن را اندازه گیری کرده اند. و یکی از راه‌هایی که می‌توان آن میدان را ایجاد کرد این است که الکترون در حال چرخش باشد. جهت چرخش را معکوس کنید و میدان مغناطیسی تغییر خواهد کرد.

در صورت امکان، الکترون ها جفت می شوند تا اسپین های آنها خنثی شود و مغناطیس خالص یک اتم صفر شود. اما در برخی از عناصر، مانند آهن، این اتفاق نمی‌افتد. تعداد الکترون ها و نحوه قرارگیری آنها در اطراف هسته به این معنی است که هر اتم آهن دارای یک الکترون جفت نشده خواهد بود که میدان مغناطیسی کوچکی تولید می کند.

در یک ماده مغناطیسی نشده، این میدان‌های مغناطیسی مجزا در جهت‌های تصادفی متفاوتی اشاره می‌کنند. در این حالت، آنها بیشتر یکدیگر را خنثی می کنند، بنابراین مواد به طور کلی مغناطیسی نیستند. اما در شرایط مناسب، میدان‌های مغناطیسی زیراتمی کوچک می‌توانند در یک جهت قرار بگیرند. شاید بتوان این را تفاوت بین انبوهی از مردمی که دور هم جمع می‌شوند، در مقابل همه سازمان‌دهی‌شده‌ها و روبه‌رو شدن در یک جهت تصور کرد. ترکیب این میدان‌های مغناطیسی بسیار کوچک، میدان مغناطیسی بزرگ‌تری ایجاد می‌کند – بنابراین ماده به یک آهنربا تبدیل می‌شود.

بسیاری از آهنرباهایی که در زندگی روزمره استفاده می شوند، مانند آهنرباهای یخچال، به عنوان آهنرباهای دائمی شناخته می شوند. در این مواد، میدان‌های مغناطیسی بسیاری از اتم‌های موجود در مواد به‌طور دائمی توسط نیروی بیرونی در یک راستا قرار گرفته‌اند – مانند قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی قوی‌تر.

اغلب، میدان مغناطیسی قوی تر توسط الکتریسیته ایجاد می شود. الکتریسیته و مغناطیس اساساً به هم مرتبط هستند، زیرا میدان های مغناطیسی توسط حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شوند. به همین دلیل است که یک الکترون در حال چرخش، میدان مغناطیسی دارد. پائولو فراسین، دانشمند ارشد در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در کالیفرنیا، گفت: اما دانشمندان همچنین می توانند از الکتریسیته برای ایجاد آهنرباهای بسیار قدرتمند استفاده کنند. عبور جریان کافی از یک سیم پیچ، میدان مغناطیسی بسیار قوی ایجاد می کند که تا زمانی که جریان، جریان دارد، دوام می آورد. Ferracin به Live Science گفت که این الکترومغناطیس ها اغلب در تحقیقات فیزیک استفاده می شوند. آنها همچنین در ابزارهای پزشکی مانند دستگاه های تصویربرداری MRI استفاده می شوند.

زمین نیز میدان مغناطیسی خاص خود را دارد – این همان چیزی است که باعث می شود سوزن قطب نما کار کند. دانشمندان قطب شمال آهنربا را به عنوان انتهایی تعریف کرده اند که اگر آهنربا بتواند آزادانه بچرخد به سمت قطب شمال زمین می رود. اما از نظر فنی، بوبینگر توضیح داد، این بدان معنی است که قطب مغناطیسی شمالی روی زمین در واقع یک قطب جنوب مغناطیسی است، زیرا قطب های مخالف جذب می شوند.

مطلب مرتبط: اگر میدان مغناطیسی زمین ناپدید شود چه می‌شود؟

در قراردادهای فیزیک، خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال آهنربا به سمت خارج و به قطب جنوب آن جریان می یابد و یک حلقه بسته را تشکیل می دهد.

فیزیکدانان چینش های دیگری از قطب های مغناطیسی را نیز یافته اند، از جمله چهار قطبی ها، که در آنها ترکیبی از قطب های مغناطیسی شمال و جنوب به صورت مربع چیده شده اند. فراسین گفت، اما یک هدف هنوز دست نیافتنی است: هنوز کسی یک تک قطبی مغناطیسی پیدا نکرده است.

الکترون‌ها و پروتون‌ها تک قطبی‌های الکتریکی هستند: هر کدام یک بار الکتریکی واحد مثبت یا منفی دارند. اما الکترون ها (و سایر ذرات نیز) دو قطب مغناطیسی دارند. و از آنجایی که آنها ذرات بنیادی هستند، نمی توان آنها را بیشتر تجزیه کرد. این تفاوت بین نحوه رفتار الکتریکی و مغناطیسی ذرات، بسیاری از فیزیکدانان را مجذوب خود کرده است، و برای برخی، یافتن یک ذره با یک قطب مغناطیسی یک جام مقدس است. کشف آن قوانین فیزیک را همانطور که در حال حاضر درک می کنیم به چالش می کشد.