Pola magnetyczne mogą być na tyle słabe, że ledwie poruszą zawieszoną na łożysku leciutką igłą kompasu, a mogą być na tyle silne, żeby elektromagnesami podnosić samochody na wysypisku albo zmieniać orientację jąder atomowych w naszym ciele. A to dopiero początek – przyjrzyjmy się, co oznaczają „słabe” i „silne” pola magnetyczne.
Słówko wstępne o jednostkach – jako Europejczycy będziemy się oczywiście posługiwać jednostkami z Układu SI, czyli zaraz będę podawać wielkości w teslach [T], ale jako że Carl Friedrich Gauss miał bardzo duży wkład w badania elektromagnetyzmu i też pierwszy zmierzył wartość ziemskiego pola magnetycznego w 1832 roku, to niektórzy (taaak, przedstawiciele krajów, które nie zaadoptowały układu SI, czyli USA, Liberia i Mjanma/Birma…) używają historycznej jednostki gausów. Przelicznik jest prosty, jedna tesla to dziesięć tysięcy gausów, 1 T = 10 000 G albo 10 G = 1 mT (jedna militesla, jedna tysięczna tesli). Natomiast w dywagacje historyczno-fizyczne związane z nazewnictwem wielkości opisujących pole magnetyczne – w to, czy to indukcja, czy natężenie (i dlaczego ponazywane są na odwrót niż dla pola elektrycznego) – teraz nie chcę się wdawać, dla uproszczenia będę po prostu pisał „pole magnetyczne 1T”. Do rzeczy!
Zacznijmy od czegoś przyziemnego – czyli Ziemi! Głęboko pod stopami mamy ogromne ilości płynnego niklu i żelaza w zewnętrznym jądrze naszej planety. Różnice temperatur wywołują potężne prądy konwekcyjne, które, ze względu na ruch obrotowy Ziemi, wytwarzający siłę Coriolisa, układają się jak w cewkach. Z tego powodu dostajemy tzw. geodynamo i, w skrócie, te prądy konwekcyjne odpowiadają za powstawanie ziemskiego pola magnetycznego. Skromnego, bo przy powierzchni osiągającego około 50 mikro tesli. Około i średnio, bo w zależności od tego, w jakim miejscu Ziemi jesteśmy, wartość ta mocno się różni: od 25μT do 60μT. Oczywiście pole magnetyczne słabnie z odległością od jego źródła, stąd oddalając się od powierzchni, dostajemy wartość rzędu 35 mikrotesli na wysokości orbity Międzynarodowej Stacji Kosmicznej i dziesięciokrotnie mniej na odległości porównywalnej z promieniem Ziemi (3,7 μT na 7000 km).
Pole magnetyczne w kosmosie
Stąd roztacza się osobny temat, związany z ochroną astronautów przed promieniowaniem kosmicznym, ponieważ pole magnetyczne przestaje ich chronić przed cząstkami naładowanymi: Mars ani Wenus polem magnetycznym nikogo nie ochroni, Merkury, ku zaskoczeniu naukowców ma ociupinkę pola, około 1% tego co na Ziemi (co wiemy dzięki sondzie Mariner 10 z 1974 roku), za to Jowisz posiada prawie 20 000 razy silniejsze pole magnetyczne niż ziemskie, sięgające 1 T (co wiemy, bo w 2016 roku sonda kosmiczna Juno je pomierzyła), co z kolei generuje coś na kształt orbitalnego synchrotronu, zalewając okolicę promieniowaniem jonizującym…
Wracając na Ziemię: nasze lodówki często obwieszone są magnesikami, które wyglądają na czarne od „lepkiej” strony, z kolei na whiteboardach i innych tablicach magnetycznych kartki z listą rzeczy do zrobienia nie spadają dzięki srebrzystym magnesom neodymowym. Sama lodówka zamyka się na magnetyczną listwę o polu rzędu 10 mT, niecały tysiąc razy silniejszym niż ziemskie pole magnetyczne. Magnesiki ferrytowe to ułamki rzędu ćwiartki, maksymalnie połowy tesli, za to neodymowe dochodzą aż do 1,4 T!
To jest już naprawdę dużo, o czym wie każdy, komu palec wpadł pomiędzy dwa magnesy neodymowe – jest to też wystarczająco, żeby zmienić orientację spinów jąder atomowych w naszym ciele, co skwapliwie wykorzystuje szpitalny MRI, Jądrowy Rezonans Magnetyczny. Tu wykorzystywane są najczęściej magnesy nadprzewodzące, chłodzone ciekłym helem, a z reklam pewnie każdy kojarzy, że są półtorateslowe, a czasem takie super, trzyteslowe!
Tak wygląda to, co mamy wokół siebie, pod ręką lub za kilka złotych (albo na NFZ!). Ale jakie pola magnetyczne mogą generować naukowcy w laboratoriach?
Najsilniejsze pole magnetyczne
W 2021 roku opisano rekord 20 T pola magnetycznego uzyskanego w magnesie o nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym (chłodzonym ciekłym azotem, a nie ciekłym helem – takie „wysokie temperatury” rzędu minus dwustu: D). Za to w czerwcu 2019 roku w Nature ukazała się praca, która ustanowiła rekord absolutny dla pól stałych – 45,5 T. I to by było na tyle jeśli chodzi o stałe pole magnetyczne – bo pole przekraczające 50 T już raczej rozrywa materiał na strzępy… Jest możliwość uzyskania większych wartości, ale w bardzo krótkich impulsach.
Rzecz w tym, że w polu magnetycznym na ładunek w ruchu oddziałuje siła Lorentza – więc w prostym modelu z elektronem krążącym wokół jądra otrzymujemy spłaszczenie orbit. W efekcie przy ekstremalnych polach mamy „atomy-szpilki”, a jak do tego dodamy fakt, że poziomy energetyczne elektronów rozszczepiają się w polu magnetycznym, to okazuje się, że energia może być większa niż energia wiązania… Więc w naprawdę ekstremalnych polach magnetycznych chemia, jaką znamy, nie obowiązuje. Czy to tylko teoretyzowanie? Nie, bo hen nad naszymi głowami istnieją magnetary. Są to gwiazdy neutronowe emitujące, pole magnetyczne nawet – uwaga, uwaga – 1010 T, czyli dziesięciu MILIARDÓW tesli!!!
To wartości wprost niewyobrażane dla nas, ale pewien fizyk, Robert C. Dunkan, równo w 2000 roku opublikował pracę o fizyce w ultrawysokich polach magnetycznych. Jakie atrakcje czekają na podróżników do magnetarów? Oczywiście przed wszystkim śmierć, ale również soczewkowanie magnetyczne (kojarzycie soczewkę dla światła świecy albo soczewkowanie grawitacyjne, gdzie masa zakrzywia bieg promieni słonecznych? Tu jest podobnie, tyle że to pole magnetyczne zaburza bieg światła), tworzenie atomów-szpilek i rozciągnięcie związków chemicznych do postaci przypominającej polimery, podziały i łączenie się fotonów (bo pamiętamy, że światło to fale elektromagnetyczne, czyli propagujące w przestrzeni drobne zaburzenia pól elektrycznych i magnetycznych?) i wiele innych.
Ale spokojnie: wygląda na to, że istnieje górne ograniczenie, rzędu 10 do PIĘĆDZIESIĄTEJ Tesli, po której próżnia przestaje być stabilna… Dunkan hipotetyzuje, że może przyszli astrofizycy uznają pola magnetyczne magnetarów za umiarkowane 😉
Źródła:
Tłumaczenie pracy Gaussa z 1832r na temat ziemskiego pola magnetycznego: http://21sci-tech.com/translations/gaussMagnetic.pdf
Ziemskie i kosmiczne pole magnetyczne – wartości: https://image.gsfc.nasa.gov
Nature, rekord indukcji magnesu stałego z 2019: https://www.nature.com/articles/d41586-019-01869-1
Rekord dla nadprzewodników wysokotemperaturowych: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a37924936/worlds-strongest-magnetic-field/
Pole magnetyczne Jowisza: https://www.space.com/41751-jupiter-weird-magnetic-field-even-weirder.html
Bardzo duże energie: https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.1361651