แม่เหล็กทำงานอย่างไร

แม่เหล็กมีที่มาจากอิเล็กตรอน ตามห้องปฏิบัติการสนามแม่เหล็กสูงแห่งชาติ (National High Magnetic Field Laboratory หรือ MagLab) แม่เหล็กทุกอันมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ขั้วตรงข้ามดูดกัน ขั้วเดียวกันผลักกัน

1. สิ่งที่แม่เหล็กทุกอันมีเหมือนกัน

MagLab ระบุคุณสมบัติที่แม่เหล็กทุกอันมีร่วมกัน

• แม่เหล็กทุกอันมีขั้วเหนือและขั้วใต้
• ขั้วตรงข้ามดูดกัน ขั้วเดียวกันผลักกัน เหนือดึงใต้ เหนือผลักเหนือ
• แม่เหล็กทุกอันถูกล้อมด้วยสนามแม่เหล็ก ตามข้อตกลง เส้นแรงสนามชี้ออกจากขั้วเหนือและเข้าสู่ขั้วใต้

โลกเองก็เป็นแม่เหล็กขนาดยักษ์ MagLab อธิบายว่านักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าสนามแม่เหล็กโลกมาจากกระแสการพาความร้อนในแก่นชั้นนอกที่เป็นของเหลวของโลก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเหล็ก เรียกว่าจีโอไดนาโม (geodynamo)

2. ทุกอย่างมาจากอิเล็กตรอน

ตาม MagLab ความเป็นแม่เหล็กทั้งหมดมาจากอิเล็กตรอนด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งในสองแบบ

1. อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ กระแสไฟฟ้า คือการไหลของอิเล็กตรอนผ่านลวด สร้างสนามแม่เหล็กเสมอ แม่เหล็กไฟฟ้าทำงานแบบนี้
2. อิเล็กตรอนที่หมุน (สปิน) ในแม่เหล็กถาวรอย่างที่ติดตู้เย็นของคุณ แม่เหล็กมาจากสปินของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนแต่ละตัวทำตัวเหมือนแม่เหล็กจิ๋วที่มีขั้วเหนือและขั้วใต้ของตัวเอง และแกนของมันชี้ได้ในสองทิศทางที่เป็นไปได้ทิศใดทิศหนึ่ง

3. ทำไมของส่วนใหญ่ไม่มีแม่เหล็ก

ถ้าอิเล็กตรอนทุกตัวเป็นแม่เหล็กจิ๋ว ทำไมทุกอย่างไม่เป็นแม่เหล็ก

MagLab อธิบายว่าในวัสดุส่วนใหญ่ อะตอมเรียงตัวเพื่อให้ทิศทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนตัวหนึ่งหักล้างอีกตัว แม่เหล็กจิ๋วเหล่านั้นชี้ทิศตรงข้ามกัน และผลรวมก็เท่ากับไม่มีอะไรที่คุณสังเกตได้

4. อะไรทำให้เหล็กพิเศษ: โดเมนแม่เหล็ก

เหล็กกับสารอีกไม่กี่ชนิดต่างออกไป อะตอมของมันรวมกลุ่มเป็นบริเวณเล็ก ๆ เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก (magnetic domain) ภายในแต่ละโดเมน อิเล็กตรอนมีทิศทางแม่เหล็กเดียวกัน

แล้วทำไมตะปูเหล็กธรรมดาจึงไม่เป็นแม่เหล็ก เพราะตัวโดเมนเองชี้ไปคนละทิศ โดยรวมจึงยังหักล้างกัน

วางตะปูนั้นในสนามแม่เหล็ก โดเมนจะเริ่มเรียงตัวไปทิศเดียวกัน MagLab อธิบายผลลัพธ์ง่าย ๆ ว่า แม่เหล็กถาวรคือวัตถุที่โดเมนทั้งหมดเรียงไปทางเดียวกัน

วัสดุที่เป็นแบบนี้เรียกว่าเฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetic) MagLab ระบุว่ามีเพียงสี่ธาตุที่เป็นเฟอร์โรแมกเนติกที่อุณหภูมิห้องและทำให้เป็นแม่เหล็กถาวรได้ คือ เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และแกโดลิเนียม ธาตุที่ห้า คือดิสโพรเซียม จะเป็นเฟอร์โรแมกเนติกเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ อะลูมิเนียมไม่อยู่ในรายการนี้ นั่นคือเหตุผลที่แม่เหล็กลื่นหลุดจากกระป๋องน้ำอัดลมอะลูมิเนียม ส่วนประตูตู้เย็นเป็นหนึ่งในแม่เหล็กชั่วคราวในชีวิตประจำวันที่ MagLab ระบุไว้ในกิจกรรมในห้องเรียน

5. แม่เหล็กถาวร กับ แม่เหล็กชั่วคราว

แม่เหล็กถาวรคงความเป็นแม่เหล็กไว้โดยไม่ต้องใช้พลังงาน คุณปิดมันไม่ได้ MagLab ระบุแม่เหล็กเซรามิกและอัลนิโค (alnico) โลหะผสมของอะลูมิเนียม นิกเกิล และโคบอลต์ เป็นสองชนิดที่พบบ่อย

แม่เหล็กชั่วคราวทำตัวเป็นแม่เหล็กเฉพาะเมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็ก เหล็กอ่อนเป็นแบบนี้ และ MagLab ระบุว่านี่คือเหตุผลที่ใช้เป็นแม่เหล็กชั่วคราวในอุปกรณ์เช่นโทรศัพท์และมอเตอร์ไฟฟ้า

คุณเห็นได้ด้วยคลิปหนีบกระดาษ ในกิจกรรมห้องเรียนของ MagLab คลิปที่แตะแม่เหล็กจะกลายเป็นแม่เหล็กเองและดูดคลิปอันที่สองได้ ดึงสองคลิปออกเบา ๆ จะยังติดกันอยู่ครู่หนึ่ง เพราะอิเล็กตรอนยังเป็นระเบียบอยู่ ทิ้งลงบนโต๊ะ แรงกระแทกจะทำให้ระเบียบนั้นปั่นป่วน แล้วความเป็นแม่เหล็กก็หายไป

6. แม่เหล็กสูญเสียแรงดึงได้อย่างไร

"ถาวร" ไม่ได้แปลว่าตลอดไป MagLab อธิบายสองวิธีหลักในการทำให้แม่เหล็กสูญเสียสภาพแม่เหล็ก

• ความร้อน การเพิ่มความร้อนคือการเพิ่มพลังงานที่ทำลายการเรียงตัว อุณหภูมิที่แม่เหล็กไม่สามารถคงสนามของมันได้อีกเรียกว่าจุดคูรี (Curie point)
• การกระแทก การทุบแรง ๆ เช่นด้วยค้อน อาจทำให้โดเมนที่เรียงตัวหลุดจากแนว

แม่เหล็กอยู่ได้นานแค่ไหนขึ้นกับวัสดุ MagLab ระบุว่าเหล็กบริสุทธิ์คงสภาพแม่เหล็กเพียงไม่กี่นาที ขณะที่โลหะผสมเหล็กหลายชนิดคงความเป็นแม่เหล็กได้นานกว่ามาก

7. แม่เหล็กไฟฟ้า: แม่เหล็กที่มีสวิตช์เปิด

ในปี 1819 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Ørsted) สังเกตเห็นเข็มทิศหมุนเมื่ออยู่ใกล้ลวดที่มีกระแสไฟฟ้า MagLab อธิบายเหตุผล คือกระแสไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กที่วนรอบลวดเสมอ

ลวดตรงเส้นเดียวสร้างสนามอ่อน MagLab อธิบายวิธีทำให้แรงขึ้น

1. ขดลวด การพันเป็นห่วงรวมสนามแยกเป็นสนามที่แรงกว่ามาก ขดลวดแบบนี้เรียกว่าโซลินอยด์ (solenoid) และสนามเพิ่มตามสัดส่วนจำนวนขด สิบขดให้สนามประมาณ 10 เท่าของหนึ่งขด
2. ใส่แกนเหล็ก โดเมนของเหล็กเรียงตามสนามของขดลวดและเพิ่มสนามอย่างมากโดยไม่ใช้ไฟฟ้าเพิ่ม
3. เพิ่มกระแส กำลังผ่านขดลวดมากขึ้นหมายถึงสนามที่แรงขึ้น

ปิดกระแส สนามก็หายไป

8. แม่เหล็กแรงแค่ไหน

นักวิทยาศาสตร์วัดความแรงของสนามแม่เหล็กเป็นเทสลา (tesla) และเกาส์ (gauss) โดย 1 เทสลาเท่ากับ 10,000 เกาส์ MagLab ให้การเปรียบเทียบบางอย่าง

แม่เหล็กไฟฟ้าไปได้สูงกว่าแม่เหล็กถาวรมาก ห้องวิจัยและเครื่องสแกน MRI ของโรงพยาบาลจึงพึ่งพามัน

9. สรุปสิ่งสำคัญ

• แม่เหล็กทุกอันมีขั้วเหนือและขั้วใต้ ขั้วตรงข้ามดูดกันและขั้วเดียวกันผลักกัน
• แม่เหล็กมาจากอิเล็กตรอน ไม่ว่าจะไหลเป็นกระแสหรือหมุนอยู่กับที่
• ในวัสดุส่วนใหญ่ แม่เหล็กของอิเล็กตรอนหักล้างกัน ในเหล็กและโลหะอีกไม่กี่ชนิดมันเรียงตัวเป็นโดเมน
• แม่เหล็กถาวรคือวัสดุที่โดเมนทั้งหมดชี้ไปทางเดียวกัน ความร้อนหรือการกระแทกแรง ๆ ทำให้ปั่นป่วนได้
• แม่เหล็กไฟฟ้าคือขดลวดที่มีกระแส มักมีแกนเหล็ก และปิดลงเมื่อกระแสหยุด