Magyarázat #1 (Kőhalmi Zoltán, Showder Klub 2008.06.02.)
Magyarázat #2 (Rpat)
Az elektromos tér forrása az elektromos töltés, a gravitációs téré a tömeg. Ezek egy számmal, a nagyságukkal jellemezhető mennyiségek (pl. "10 kg tömeg"). A mágneses tér forrása, a "mágneses momentum" jellemzéséhez azonban annak nemcsak nagyságát, de irányát is meg kell adni. Egy állandó rúdmágnes esetében pl. annak mágneses momentumának nagysága a mágnes "erősségének" felel meg, iránya pedig a rúdmágnes déli pólusától északi pólusa felé mutat.
Egy test teljes mágneses momentuma az anyagában jelenlévő elektronok mágneses momentumainak összegeként áll elő (hogy az elektronoknak miért van mágneses momentuma, erre nem térnék ki). Egy nem-mágneses anyag elektronjainak mágneses mometumai mindenféle irányokba állnak. Ha ezeket összegzed, "kívülről nézve" összességében nulla teljes mágneses momentumot kapsz, mert a mindenféle irányokba álló elemi mágneses momentumok összességében kioltják egymást. Egy felmágnesezett vasrúd esetében azonban azért látsz kívülről nem-nulla mágneses momentumot, mert benne az elektronok mágneses momentumai egy irányba mutatóan rendeződnek, azaz ha ezeket felösszegzed, a belőlük kapott teljes mágneses momentum nagysága nem lesz nulla, iránya pedig az elektronok mágneses momentumainak irányába fog mutatni.
Ahhoz tehát, hogy egy anyag kívülről mágneses tulajdonságokat mutasson, az kell, hogy az elektronjainak mágneses momentumát egyirányba rendezd. Ennek az egyirányba rendezésnek azonban ellene dolgozik pl. az anyag elektronjainak hőmozgása, ami szétzilálja ezt a rendet. Értelemszerűen minél magasabb az anyag hőmérséklete, ez a szétziláló hatás annál jobban érvényesül: egy jól felmelegített rúdmágnes is elveszíti mágneses tulajdonságát. Bármekkora is azonban a test hőmérséklete, az elektronoknak mindenképpen van valamekkora hőmozgása, egy mágnesezett anyag tehát hosszú távon magától is elveszíti mágnesezettségét. Hogy mekkora ez a kritikus "teljesen szétziláló" hőmérséklet, vagy mekkora az az idő, ami alatt egy anyag magától is elveszíti mágnesezettségét, abszolút anyagfüggő. Normál vas esetén például lassú ez a szétzilálódási folyamat, ezért a vas tartósan felmágnesezhető. Lágyvasnál már pl. szobahőmérsékleten is gyorsan bekövetkezik a szétzilálódás, a lágyvas ezért tartósan nem mágnesezhető fel.
A mágneses tér FORRÁSÁT tehát a mágneses momentum fogalmával jellemeztük, amelynek nagysága és iránya is van. Magát a mágneses TERET a mágneses indukció mennyiségével jellemezzük, amelynek szintén nagysága és iránya is van. A fizikai tér minden pontjában meg tudjuk mondani, ott épp mekkora és milyen irányú ez a mágneses indukció. Ezért "indukciózás" helyett egyszerűen csak úgy mondjuk: ebben és ebben a pontban ilyen nagyságú és ilyen irányú a "mágneses tér".
Helyezzünk tehát egy még nem mágneses vasdarabot egy olyan mágneses térbe, amelynek nagysága a fizikai tér minden pontjában ugyanakkora, iránya pedig a fizikai tér minden pontjában ugyanarra mutat (egy permanens rúdmágnes tere nem ilyen, ahogy azt képeken biztos láttad már, mikor rúdmágnes fölé rakott papírlapra vasreszeléket szórnak). Hogy a vasdarab még nem mágneses, azt jelenti, hogy benne az elektronoknak - egyelőre - mindenféle irányba állnak a mágneses momentumaik, a vasdarabnak tehát összességében nincs mágneses momentuma. A külső mágneses térnek azonban az elektronok mágneses momentumára forgató hatása van: a külső mágneses tér addig forgatja a vasdarab szabad elektronjainak mágneses momentumát, míg azok vele azonos irányba nem kezdenek mutatni (más anyagban, ahol az elektronok kötöttebbek, ezt a "beforgatást" nem tudja megcsinálni, megint másban pl. saját magával ellentétes irányba forgatja be). Ez azt jelenti tehát, hogy a külső mágneses tér a vas elektronjainak mágneses momentumát immár egy irányba rendezi, a vasnak ezáltal már lesz nem-nulla mágneses momentuma, "felmágneseződik".
Megkülönböztettem már anyagokat aszerint, hogy ha a mágneses térből kivesszük őket, megmarad-e a mágnesezettségük. Meg lehet azonban különböztetni őket aszerint is, hogy a mágneses tér képes-e őket egyáltalán felmágnesezni, s ha igen, magával azonos, vagy ellentétes irányba mutató mágneses momentumot hoz-e létre az anyagban. A példában említett mágneses térben, ahol a tér mindenütt ugyanakkora és ugyanolyan irányú, azaz a tér "homogén", miután a forgatóhatás megtörtént (ha megtörtént), erő már nem fog hatni a testre, sem vonzó, sem taszító, a test egyhelyben marad. Más azonban a helyzet, ha a külső mágneses tér nem homogén. Egy rúdmágnes - inhomogén - mágneses terébe helyezett test esetén ugyanis, a fel-nem-mágnesezett testre bár továbbra sem hat majd erő, az azonos irányba állított mágneses momentumú testre vonzó-, az ellentétes irányba állóra taszítóerő fog hatni, a rúdmágnes helyétől nézve. Súrlódásmentes esetben ezért a vonzott test a mágnes felé gyorsulva mozdul el ütközésig, a taszított pedig a mágnestől távolodni kezd, míg a mágnes tere a távolsággal végleg le nem gyengül. Ha a testek súrlódnak, előbb mozgási energiára tesznek szert egy állandó sebesség eléréséig, majd állandó sebesség mellett mozgási energiájuk hővé alakulva elillan.
De miből ered e testek mozgási energiája, hogyan teljesül itt az energiamegmaradás? Egy mágneses térbe helyezett, nem-nulla mágneses momentumú test "U" nagyságú potenciális energiával rendelkezik. Ha a test mágneses momentumának nagysága "m", a test elhelyezkedési pontjában a mágneses indukció nagysága "B", és a kettő azonos irányba mutat, a potenciális energia nagysága (U = -m x B); ha ellentétes irányba mutatnak, (U = m x B). Ebből is látszik, hogy ha a "B" mindenütt azonos nagyságú és irányú, a test "U" potenciális energiája mindenütt ugyanakkora lesz, az tehát nem tud mozgási energiává alakulni, vagyis a test nem fog megmozdulni. Ha azonban "B" helyről helyre változik, a test a magasabb potenciális energiájú helyről az alacsonyabb energiájú felé mozdul el, a potenciális energiák különbsége pedig mozgási energiává alakul, vagy súrlódás esetén hő formájában szabadul fel. Az energiamegmaradás tehát itt teljesülni fog.
Felmerül azonban a kérdés: ha a test "m" mágneses momentumát is már maga a "B" mágneses tér hozza létre, tehát ezen keresztül a test "U" potenciális energiáját is, miből jön létre ez az "U" energia? A naív - és rossz - válasz erre az, hogy a külső mágneses tér, pl. a rúdmágnes tere, az elektronok mágneses momentumának forgatásakor végez mechanikai munkát a vasdarabon, a külső mágneses tér által önmagában hordozott energia csökkenése árán. Minden egyes felmágnesezéskor ezáltal tetemes mennyiségű energia menne a felmágnesezett testbe bele, miközben a rúdmágnes mágneses tere lassan elfogy, mert mondjuk a rúdmágnes elektronjai egyre rendezetlenebbé válnak. Ez ellentmondana annak a tapasztalatunknak, hogy csak mert egy-egy vasdarabot teszünk a rúdmágnes terébe, és vonzzuk ahhoz oda, a rúdmágnes még nem veszíti el mágneses tulajdonságát. Itt tehát másról van szó.
A rúdmágnes mágneses tere valóban energiát hordoz. Ahogy láttuk viszont, mégsem ez az energia az, ami egy másik test felmágnesezésekor annak szintén energiát hordozó mágneses terét létrehozza. Hogyan teljesül tehát itt az energiamegmaradás? Ez már valóban egy érdekesebb kérdés, amit valószínűleg középiskolai fizika képzéssel a legtöbben nem fognak tudni megválaszolni. A kulcsfogalom ugyanis az "entrópia" (amit "S"-sel szokás jelölni), s e fogalmat, bonyolultsága miatt csak egyetemi képzésben szokták elővezetni.
Az energiának sokféle formája létezik. Egy kevésbé ismert formája az, ami az anyag rendezetlenségéhez asszociált "entropikus" energia, (S x T), ahol "T" a test hőmérséklete, "S" pedig részecskéinek rendezetlensége, a test entrópiája. Nem fogom részleteiben leírni, mi is az az entrópia, csak érzékeltetni szeretném: minél homogénebb egy rendszer, minél "rendezetlenebb", az entrópiája annál nagyobb. Az entrópia definíciójára éppen ezért információelméleti úton is el szoktak jutni: minél kevesebb információt tartalmaz egy rendszer (ami ugyanaz, hogy minél homogénebb), annál nagyobb az entrópiája. A hőátadás egy rendszernek egyébként épp a rendszer (S x T) mennyiségét változtatja meg: azonos rendezettség, entrópia mellett hőátadáskor vagy a rendszer hőmérséklete nő, vagy állandó hőmérséklet mellett az entrópiája, rendezetlensége nő. Mint a jég olvadása: ha fűtöd, azaz hőt adsz neki át, míg a jég olvad, állandó (0 Celsius fok) lesz a hőmérséklete, a molekulái viszont a rendezett kristályrácsból rendezetlen víz-halmazállapotba olvadnak ki. Amikor viszont már a jég teljesen vízzé olvadt, azaz a víz molekuláinak rendezetlensége már nem tud tovább nőni, az entrópia állandó marad, és a víz hőmérséklete nő fűtéskor.
Szóval a vasdarab elektronjainak mágneses momentuma a felmágnesezés előtt mindenféle irányokba állnak, rendezetlenek, a vasdarab entrópiája, és ezzel (S x T) energiája magasabb. Amikor a külső mágneses tér rendezi az elektronok mágneses momentumainak irányát, csökken a vasdarab összentrópiája, azaz mivel hőmérséklete nem változik, az (S x T) energiája csökken. A vasdarab felépülő mágneses terének energiája ebből a felszabaduló energiából nyeri energiáját, a vasdarab összenergiája ezáltal állandó marad. A vasdarabban tehát ugyanannyi energia van jelen a folyamat elején, mint végén, csak az energia az "entropikus" formából megy át "mágnesesbe".
De miért kell akkor ehhez a külső mágneses tér? Az elektronok mágneses momentumai - itt nem részletezett, kvantummechanikai okokból - eleve szeretnek azonos irányba állni. Az egymással "szomszédos" elektronok rá is akarják kényszeríteni egymást, hogy partnerük momentuma az övékével egyirányba álljon. Így ki is alakulnak kisebb tartományok a vason belül, amelyekben az elektronok mágneses momentumai egyirányba állnak, ezek a tartományok azonban "egymásnak feszülnek", nem tudják rábírni egymást, hogy a bennük lévő sok elektron momentuma velük hirtelen egyirányba mozduljon el. A vas tehát - kísérletileg is kimutathatóan -, ilyen nem-nulla összmomentumú tartományokból, "mágneses doménekből" fog állni, kívülről azonban a még mindig rendezetlen állapot miatt továbbra is nulla összmomentummal bír majd. A tartományok mozdulnának egyirányba, de nincs, ami kibillentse őket egy kijelölt irányba.
Ehhez kell a külső mágneses tér. Az, egy kis lökést adva, egy kijelölt irányba fordítja be a momentumokat, pontosabban, a momentumok már befordítják egymást abba, csak erre a kijelölt irányra van szükség. A folyamat tehát nem von el a külső mágneses tértől energiát (vagy csak minimálisat), hanem a vasdarabon belüli entrópia rovására épül fel a mágneses tér: kialakul egy állapot, amiben az elektronok momentumai egyirányba állnak, ami számukra egyébként is kedvező. Hogy aztán ez az egyirányba állás mégis eltűnik, és hogy bizonyos anyagokban nem is következik be, emlékeztetnélek: az elektronok ettől független hőmozgásának "szétziláló" hatásának köszönhető. Hiába törekszenek az elektron-momentumok egyirányba állni, ha legyőzi őket a hőmozgás.
Egy utolsó megjegyzés. Eddig tehát azt próbáltam megmutatni, hogy a hőtan első főtétele, az energiamegmaradás teljesül. Miért kell azonban mindenáron a külső mágneses tér, a "domének" maguktól miért nem tudnának mégis a hőmozgás véletlenszerűségével kiegészülve egyirányba "zökkenni", és kialakítani a mágneses teret? Ha nem lenne külső mágneses tér, (akármilyen csekély közreműködő szereppel is, de) külső energiaforrás, akkor a vasdarab önmagában zárt rendszert alkotna energetikailag. A hőtan második főtétele azonban épp azt mondja ki, hogy zárt rendszer entrópiája nem csökkenhet, csak nőni tud. Ez lényegében a hőmozgás azon fizikai tulajdonságát rögzíti, hogy csak "szétzilálni", "rendezetlenné, homogénné alakítani" tud, a hőmozgás a rendszerben rejlő információkat "elmossa". A világ ilyen természetű statisztikailag, kísérletileg ezt tapasztaljuk, a dolgok (zárt rendszerek) a rendezettségből a rendezetlen felé haladnak. Ahogy a vízbe dobott kockacukor magától csak feloldódni tud, újra összeállni nem, a hőmozgás épp úgy nem tudja egy test nulla mágneses momentumát nemnullává alakítani, csak fordítva: mágneses testet felmelegítve szétzilálni annak mágnesességét. Ezért kell tehát egy vasdarab felmágnesezéséhez valami külső forrás, például egy külső mágneses tér.