Mengapa Tidak Semua Bahan Bermagnet?

Setiap elektron dalam atom mempunyai sifat yang dipanggil "spin", iaitu sifat kuantum yang menghasilkan medan magnet yang sangat kecil. Setiap elektron boleh dibayangkan seolah-olah bertindak seperti magnet mikro, walaupun spin elektron ialah sifat kuantum dan bukan putaran fizikal biasa. Dalam banyak bahan, elektron berpasangan dalam orbital atom dengan arah spin yang bertentangan antara satu sama lain. Medan magnet mikro daripada pasangan elektron ini saling membatalkan sehingga bahan tersebut tidak menunjukkan sifat magnet yang ketara secara keseluruhan.

Bahan feromagnet mempunyai elektron yang tidak berpasangan

Besi, nikel dan kobalt, yang dikenali sebagai bahan feromagnet, mempunyai struktur atom dengan beberapa elektron yang tidak berpasangan, menghasilkan medan magnet mikro bersih pada setiap atom. Yang lebih penting, dalam bahan feromagnet, atom-atom jiran boleh saling mempengaruhi antara satu sama lain melalui kesan kuantum, menyebabkan medan magnet mikro pada kumpulan atom yang berdekatan (dipanggil domain magnetik) secara semula jadi menjajar ke arah yang sama dalam kawasan tertentu.

Nota Istilahdomain magnetik: Kawasan kecil dalam bahan feromagnet yang medan magnet mikro bagi banyak atom secara semula jadi menjajar ke arah yang sama. Kekuatan magnet keseluruhan bahan bergantung pada sejauh mana domain-domain ini turut menjajar antara satu sama lain.

Dalam kepingan besi biasa, domain magnetik berarah rawak dan saling membatalkan. Apabila didekatkan dengan magnet luar, domain-domain ini menjajar sehala, menjadikan keseluruhan kepingan itu magnet.

Dalam sekeping besi biasa (yang tidak menunjukkan sifat magnet ketara), domain-domain ini wujud tetapi menghala ke arah yang rawak antara satu sama lain, jadi kesan magnetnya saling membatalkan secara keseluruhan. Tetapi apabila besi itu didekatkan dengan magnet luar yang kuat, medan magnet luar itu "memujuk" domain-domain untuk menjajar ke arah yang sama. Jika penjajaran ini kekal walaupun magnet luar dialih keluar, besi itu sendiri menjadi magnet kekal.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Ahli sains memerhatikan bahawa hanya beberapa unsur tertentu, seperti besi, nikel dan kobalt, serta sesetengah aloi menunjukkan sifat feromagnet yang jelas, manakala kebanyakan unsur dan bahan lain tidak menunjukkan sifat tersebut.
Bukti
Kajian menggunakan mikroskop khusus (seperti mikroskop daya magnet) berjaya menghasilkan imej domain magnetik pada permukaan kepingan besi, menunjukkan bahawa domain-domain tersebut menghala ke arah yang rawak dalam keadaan tidak termagnet dan menjajar sehala apabila besi itu dimagnetkan.
Inferens
Sifat magnet sesuatu bahan berkait rapat dengan kewujudan elektron tidak berpasangan yang menghasilkan medan mikro bersih serta keupayaan domain-domainnya untuk dijajarkan. Oleh itu, bahan yang tidak mempunyai ciri-ciri ini (seperti kebanyakan bahan bukan-logam) biasanya tidak menunjukkan sifat feromagnet.
Model
Model domain magnetik berjaya meramal bahawa memanaskan bahan feromagnet melebihi suhu tertentu (titik Curie) sepatutnya mengganggu penjajaran domain akibat pergerakan haba rawak atom yang meningkat, menyebabkan bahan kehilangan sifat magnetnya. Ramalan ini telah disahkan secara eksperimen; besi, misalnya, kehilangan sifat magnetnya pada kira-kira 770°C.
Batasan
Model asas ini menerangkan feromagnet (seperti besi) dengan baik, tetapi terdapat jenis kemagnetan lain yang lebih lemah dan kompleks (seperti paramagnet dan diamagnet) yang turut wujud dalam pelbagai bahan lain, masing-masing memerlukan penjelasan mekanik kuantum yang lebih terperinci untuk difahami sepenuhnya.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 2

Kenapa besi menunjukkan sifat magnet tetapi kebanyakan bahan lain tidak?