MAGNETYZM ? ALEŻ ZAGMATWANY PROBLEM

Zjawisko magnetyzmu substancji może być traktowane fenomenologicznie, lub mikroskopowo.

W obydwu przypadkach staramy się budować modele teoretyczne wyjaśniające poznane własności i zależności.

Aktualnie istnieją dwa modele, w których zjawisko magnetyzmu jest objaśniane: elektrodynamika klasyczna i elektrodynamika kwantowa.

Pierwszy, bardzo dobrze funkcjonuje do tej pory, w odniesieniu do fenomenologii magnetyzmu, mimo nieustannych tabloidalnych sensacji odkrywania nieznanych zjawisk magnesowania różnych substancji, lub pól magnetycznych w otoczeniu przewodów z prądem elektrycznym.

Niektórzy nawet tabloidalną gorączkę nowych tajemnic magnetyzmu, proponują wprowadzić do podręczników, lub wykładów ,co ma podobno podnieść stopień zainteresowania fizyką u tych, co to studia traktują jako remedium na bezrobocie.

A drugi model– co zrozumiałe- w odniesieniu do mikroskopowych struktur materiałów magnetycznych jest ciągle w przemianach retuszowych, jako że brak jakiegoś, potwierdzonego jawnie, przełomu w odkryciach laboratoryjnych.

Obydwa modele są relatywistyczne, ale to za słabo powiedziane.

Szczególna teoria względności dokonała prawdziwego trzęsienia ziemi w rozumieniu magnetyzmu, i pola magnetycznego, pokazując ,że zjawisko sił magnetycznych jest efektem czysto relatywistycznym ,ściśle związanym ze skróceniem Lorentza-Fitzgeralda.

Niestety, ten fakt w dydaktyce fizyki [czyli w nauczaniu fizyki] praktycznie-znalazł słabe echo.

Istnieje jakaś dziwna inercja umysłowa większości autorów podręczników i wielu wykładowców, w stosunku do postulatu, by przekaz wiedzy o magnetyzmie był zespolony z głównymi ideami SR.

W konsekwencji tego, magnetyzm jest nadal traktowany jako fenomen jedynie skorelowany z elektrycznością.

Historia dojścia do takiej wiedzy była bardzo długa ,dramatyczna ,a jej wyniki są wciąż nie jednoznaczne i dlatego dydaktyka tego zagadnienia ma różne postaci.

W różnych monografiach i podręcznikach występują różne podejścia modelowe, na co trafnie zwrócił uwagę SNAFU, kiedy pisał [za D.Coey-em ] o trzech alternatywnych podejściach.

Pierwszy okres, to własności magnetyczne magnesów – substancji, naturalnych, lub sztucznych i narodziny magnetostatyki.

RYS.1

Z tego okresu pochodzą pojęcia: ilości magnetyzmu, bieguna magnetycznego i natężenia sił bieguna magnetycznego. Zbudowano magnetostatykę w pełnej analogii do elektrostatyki . Istniało prawo Coulomba dla biegunów magnetycznych [może jeszcze gdzieś pokutuje]

F ~ C*m(1)*m(2)/r^2

Gdzie C- stała fizyczna,m(1),m(2) – ilości magnetyzmu, masy magnetyczne, lub na koniec rozważanej fazy rozwoju pojęć o magnetyzmie – natężenia biegunów magnetycznych [1].

RYS.2

Zgodnie z tą analogią [głównie formalną ] pomiędzy elektrostatyką i magnetostatyką ,pole magnetyczne uznano [błędnie] za pole sił centralnych. Odpowiednikiem ładunku elektrycznego, stał się biegun magnetyczny.

Do lat sześćdziesiątych ub.w., w kursie fizyki szkoły średniej -nie tylko naszego kraju- królowała taka właśnie wersja magnetostatyki.

Odkrycia Oersteda [1820] jednak wstrząsnęło magnetyzmem , i było krzyżowym faktem ,który na zawsze powiązał magnetyzm z prądami elektrycznymi i spowodował jednoczesny rozdział [do połowy XX wieku]magnetyzmu substancji od magnetyzmu prądów elektrycznych.

RYS.3

Wystarczyło 20-30 lat następujących po tym odkryciu, by w pracach Faradya, Amperea, Biota i Savarta pole magnetyczne, stało się tak samo realne, jak sztabki magnesów, z tym że przestało być centralne, stając się bezźródłowym, solenoidalnym obejmującym stacjonarne prądy elektryczne [2].

RYS.4

W elektrodynamice Amperea, dwa prądy stacjonarne działają na siebie siłami magnetycznymi [odpychania lub przyciągania ,zależnie od orientacji prądów ] proporcjonalnymi do wartości iloczynu ich natężeń , a odwrotnie proporcjonalnymi do ich wzajemnej odległości

RYS.5

Stąd był tylko krok do wyjaśnienia magnetyzmu substancji za pomocą prądów wirowych (Ampere,1826).

Maxwell nadał (1873), temu bogatemu materiałowi doświadczalnemu precyzyjną formę matematyczną, ugruntowując symetrię pomiędzy polami E i B.

Dzięki niemu, Lorentz (1892) mógł oderwać się od drutów, cewek i magnesów sztabkowych, lub podkowiastych i zdecydowanie orzec, że:

Oddziaływanie magnetyczne może wystąpić jedynie między [co najmniej] dwoma swobodnymi ładunkami elektrycznymi ,będącymi w ruchu względem siebie.

Do lat siedemdziesiątych, w podręcznikach akademickich polskich (np.M.Jeżewski) występowały jeszcze relikty pierwotnej magnetostatyki, równolegle z elektrodynamiką Maxwella-Lorentza.

Jednak ostatnie ćwierćwiecze XX wieku , spowodowało radykalną zmianę ujęcia magnetyzmu, dzięki której można udzielić lepszych odpowiedzi na wiszące nad nami od dziesiątków lat pytania :

czym jest pole magnetyczne?

czym jest siła magnetyczna?

Dlaczego się pojawia ta siła pomiędzy ruchomymi ładunkami elektrycznymi?

Tę zmianę w dydaktyce przyniosły dwa kursy: berkelejowski kurs fizyki i feynmanowskie wykłady fizyki, a w ślad za nimi wydanie rodzimego kursu [2]

Oto ta współczesna odpowiedź-twierdzenie na pytanie o naturę magnetyzmu:

Siły magnetyczne, to specyficzne siły elektryczne.

Pojawiają się one jako relatywistyczny efekt pomiędzy poruszającymi się ładunkami na skutek skrócenia Lorentza-Fitzgeralda, które prowadzi do zmiany struktury pola elektrycznego ładunku poruszającego się.

Jak wiadomo ,nieruchomy ładunek elektryczny, ma statyczne, centralne pole elektryczne o symetrii kulistej ,którego linie sił (natężenia) wybiegają koncentrycznie ze środka ładunku[3].

Gdy ten sam ładunek jest w ruchu jednostajnym, to dla obserwatora spoczywającego, symetria pola jest zakłócona, i widzi on , zmianę struktury pola , w kierunku prostopadłym do wektora prędkości:

wzrost strumienia wektora E [gęstość linii większa].

RYS.6

Natomiast na rys.7. są dwa ruchome ładunki ze zmienionymi polami i wypadkowa siła elektryczna na cząstkę q jest nazwana, oraz interpretowana, jako siła magnetyczna.

We wzorze na wartość tej siły, występuje w mianowniku wielkość c [prędkość światła w próżni] w kwadracie.

RYS.7

Gdyby prędkość światła była nieskończenie wielka ,w przyrodzie ,nie stwierdzilibyśmy istnienia sił magnetycznych.

Magnetyzm ,jest zjawiskiem relatywistycznym.

Fanatyczni przeciwnicy wielkości c ,jako wartości maksymalnej w przyrodzie ,na ogół nie zdają sobie nawet sprawy ,jak by wyglądał świat, w którym c nie sprawowałaby rządów.

Niektórzy nie rozumieją, że ograniczenia w przyrodzie sprawiają, iż przyroda ma sens.

Jeśli natomiast przejdziemy do magnetyzmu substancji w ujęciu mikroskopowym i spróbujemy budować modele wyjaśniające zachowanie różnych substancji[pierwiastków i związków] w zewnętrznym polu magnetycznym ,to elektrodynamika klasyczna musi ustąpić miejsca elektrodynamice kwantowej.

Już Faraday wiedział (1845), że większość substancji jest wypychana z pola magnetycznego i nazwał je diamagnetykami. My dzisiaj wiemy ,że każda substancja jest diamagnetykiem ,tylko u niektórych ten efekt jest przesłonięty [maskowany], stłumiony dla obserwatora – silniejszym zjawiskiem paramagnetyzmu .

Jednak popularne powiedzenie ,że własności magnetyczne substancji mają swoje przyczyny w mikroprądach kołowych nie jest ścisłe.

Magnetyzm atomów jest oczywiście wywołany momentami magnetycznymi orbitalnymi elektronów, oraz spinami tychże elektronów, które to spiny możemy w przybliżeniu połączyć z wewnętrznym ruchem wirowym elektronu[4].

Ale przecież istnieje moment magnetyczny spinowy neutronów ,które nie mają ładunku elektrycznego i nie ma w nich prądów wirowych ładunku.

Z wyjaśnieniem tego faktu, nawet chromodynamika kwantowa nie może się pochwalić jednoznacznym sukcesem. Wprowadza okropne zagmatwanie w odpowiedzi na pytanie o naturę magnetyzmu oferując trzy rodzaje ładuku elektrycznego koloru.

Podobnie ferromagnetyzm, może mieć tylko model kwantowy ,a nie amperowski model prądów wirowych.

Ferromagnetyzm, to zjawisko, w którym decydująca rolę odgrywają efekty kwantowe zwane wymiennym oddziaływaniem wzajemnym pomiędzy spinami elektronów, prowadzące do pojawienia się domen – przestrzennych struktur namagnesowania spontanicznego [5].

Nie wspominając już o niezwykłych fenomenach w temperaturach bliskich zera absolutnego związanych z nadprzewodnictwem i efektem Meissnera [pierwszego i drugiego rodzaju].RYS.8.

RYS.8.

Elektryczna natura sił magnetycznych pozwala nam lepiej zrozumieć słynne invarianty [niezmienniki] pola elektromagnetycznego względem transformacji Lorentza. Są nimi, forma kwadratowa

E² – B²

Oraz iloczyn skalarny tych wektorów

E.B

Pola E i B mają tę samą naturę, i każde z osobna jest relatywne ,ale pole elektromagnetyczne [oraz fale elektromagnetyczne], to fenomen absolutny ze stanowiska szczególnej teorii względności.

Literatura

[1] J.Weyssehoff,Zasady elektromagnetyki i optyki klasycznej, PWN, Warszawa,1957,s.330-390

[2]A.K.Wróblewski,J.A.Zakrzewski,Wstęp do fizyki,t.2,cz.2,PWN,Warszawa,1991,s.146-293

[3]E.M.Purcell, Elektryczność i magnetyzm, PWN, Warszawa,1971,s.195-202,223-229

[4]A.H.Morrish, Fizyczne podstawy magnetyzmu, PWN, Warszawa,1971

[5]R.M.White,Kwantowa teoria magnetyzmu, PWN, Warszawa,1979