התשובה הניתנת כאן עונה גם על השאלות הבאות:
- למה יש מגנטים שחזקים יותר ממגנטים אחרים? גילי
- האם המגנט סימטרי; האם קווי השדה שנוצרים סביב הקוטב הדרומי והצפוני זהים? ניל
- איך אני יכול להבדיל במגנט בין הקוטב הצפוני לדרומי ?בני
- למה מגנט דוחה את השברים שלו? למה הוא לא דחה את אותו חלק עד עכשיו? מה שינתה השבירה מבחינת המגנט? כרמל

גוף היוצר שדה מגנטי, כמו חומר פרומגנטי, מפעיל כוח דוחה או מושך על גוף אחר היוצר שדה מגנטי. כוחות מגנטיים נובעים כתוצאה מתנועה של מטען חשמלי, מתנועת אלקטרונים בזרם חשמלי, היוצרת אלקטרומגנטיות, או מהתנועה התת-אטומית של אלקטרונים, היוצרת מה שנקרא 'מגנט תמידי''. פרומגנטיות מוגדרת כתופעה שבה חומרים, כגון ברזל, הנמצאים בשדה מגנטי חיצוני הופכים לממוגנטים ונותרים כאלה לפרק זמן מסוים גם לאחר שהם לא נמצאים יותר בשדה. הפרומגנטיות נובעת משני אפקטים קוונטים: ספין ועקרון האיסור של פאולי.

הספין של האלקטרון, בשילוב עם התנע הזוויתי האורביטלי שלו, גורם למומנט דיפול מגנטי ויוצר שדה מגנטי ( לצורך העניין, אפשר לחשוב על מומנט מגנטי כעל "מגנט מיקרוסקופי" של חלקיק בודד). בחומרים רבים , המומנט המגנטי הכולל של כל האלקטרונים הוא אפס (במילים אחרות, הספינים נמצאים בזוגות של מעלה/מטה). לחומר פרומגנטי יש הרבה אלקטרונים כאלה, ואם הם מסודרים בסדר מסוים הם יוצרים שדה מאקרוסקופי אשר ניתן למדידה. דיפולים קבועים אלה נוטים להסתדר במקביל לשדה המגנטי החיצוני. בנוסף, ישנו אפקט קוונטי שלפיו הדיפולים נוטים להסתדר באופן ספונטני, ללא כל שדה מופעל. לפי האלקטרומגנטיות הקלאסית, שני דיפולים מגנטיים סמוכים יטו להסתדר בכיוונים מנוגדים (מה שייצור חומר אנטי פרומגנטי). לעומת זאת, ניתוח קוונטי , המבוסס על עקרון האיסור של פאולי, מראה כי הדיפולים יטו להסתדר באותו כיוון.

תופעת הפרומגנטיות: הסידור של המגנטים המיקרוסקופיים (המומנטים המגנטיים של חלקיקים בודדים)

למעשה, כל חומר (לא רק חומר פרומגנטי) מושפע בצורה זו או אחרת מנוכחות שדה מגנטי, רק שברוב המקרים ההשפעה הינה קטנה מכדי שנוכל להבחין בה ללא אמצעי מדידה מדיוקים; ברזל, לדוגמא, הינו חומר שמראה תכונות מגנטיות בולטות.

מגנט הוא למעשה כל גוף בעל שדה מגנטי. מגנט תמידי הוא גוף העשוי חומר פרומגנטי שעבר מגנוט, כמו ניקל או ברזל. בתהליך, האטומים שמהם מורכב החומר מסודרים כך שהשדות המגנטיים שיוצר כל אטום בנפרד, יצביעו באותו הכיוון. כל אחד מהאטומים המרכיבים את החומר, הוא למעשה לולאת זרם היוצרת סביבה שדה מגנטי. השדה המגנטי של המגנט כולו הוא סופרפוזיציה (סכום) של השדות הנ"ל. לסוג החומר יש השפעה על עוצמת השדה. קווי השטף המגנטי יוצרים תמיד מעגל סגור, הינם סימטריים ביחס לקטבים ואינם מצלבים אחד בשני. ניתן גם להבחין כי צפיפות הקווים הגדולה ביותר הינה בקטבים. זרימת השטף המגנטי מחוץ למגנט היא מצפון לדרום, ובתוך המגנט מדרום לצפון.

חשוב להדגיש שבטבע לא קיימים מונופולים מגנטיים ( אף על פי שמבחינה תאורטית קיומם אכן נובא). זאת אומרת, מגנט, בכל אורך נתון, יכיל 2 קטבים, כאשר קטבים זהים דוחים זה את זה וקטבים מנוגדים מושכים זה את זה. אם נחלק את המגנט לחלקים שונים, יתפקד כל אחד מחלקים כמגנט שלם (בעל עוצמה פחותה) שלו שני קטבים מנוגדים.

אם נשים מגנט חופשי בתוך שדה מגנטי, המגנט יטה להסתדר בצורה כזו שהשדה המגנטי שהוא יוצר, יהיה מנוגד בכיוונו לשדה המגנטי החיצוני. למעשה, על עקרון זה פועל המצפן אשר מסתובב בהשראת השדה המגנטי של כדור הארץ. מגנט חופשי יפנה עצמו לבסוף לכיוון צפון-דרום, בעקבות המשכותו לקטבים הצפוני והדרומי של השדה המגנטי של כדור הארץ. הקצה הפונה לכיוון דרום נקרא הקוטב הדרומי והקצה הפונה צפונה נקרא הקוטב הצפוני.

אלקטרונים בשדה מגנטי משתנה מרגישים כוח, וזו הסיבה לכך שאנו מדמיינים את האלקטרון כ"מסתובב לו". כוחות נצפים אלו משתנים באלקטרונים שונים, ושינויים אלו מופיעים בתור שינויים בספין. הספין של אלקטרונים נמדד בדרך-כלל בצפיה בהשפעה שלו על השדה המגנטי המשתנה בו האלקטרון נמצא. חשוב להדגיש שספין הינו תכונה קוונטית. שלא כמו עצמים "מסתובבים" רגילים, השואבים את התנע הזוויתי שלהם מהחלקים המרכיבים אותם, "תנע זוויתי ספיני" אינו קשור לשום מסה מסתובבת פנימית. למעשה, מגנטים תמידיים הם חומרים אשר האלקטרונים שבהם "מסתובבים" באופן מועדף באותו כיוון.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.