Mıknatıs tam olarak nedir?

Kütleçekimi değil. Doğal mıknatısın demiri çekmesinin dünyanın manyetik alanının varlığı ile de doğrudan ilişkisi yok. Doğada bulunan Fe3O4 minerali en yaygın olarak bilinen "doğal mıknatıs". Aslında manyetizma insanoğlunun antik Yunan'dan beri gözlemlediği bir etki, ancak teorik açıklaması ancak kuantum fiziğinin gelişimi ile 1900 lerden sonra yapılabildi.

İki farklı manyetik alan kaynağı düşünülebilir: akımlar ve manyetik dipol momentleri. Aslında bu ikisi birbirinden tamamen farklı değil, yani manyetik dipol momenti dediğimiz yapıyı da bir "akım halkası" olarak düşünebilirsiniz.

Hareketli yükler (yani akım) bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan içerisindeki manyetik özellikli diğer bir sistem de bu manyetik alana yanıt verir, ondan etkilenir, bu akıma doğru itilir ya da çekilir. Bu olgu klasik elektromanyetik teorinin açıklayabildiği bir olgu.

Ancak manyetizmanın "manyetik dipol momenti" denilen yapı temelindeki açıklaması kuantum fiziğini gerektirir. Maddeyi oluşturan atomlar birer manyetik dipol momentine sahiptir. Yukarıda dediğim gibi bunu, çekirdek etrafında dönen elektrondan kaynaklı olarak düşünebilirsiniz bunu klasik fizik dahilinde. Ama elbette tam olarak böyle değil, çünkü atom, güneş sistemi gibi bir yapı değil. Yani çekirdek etrafında dönen elektron betimlemesi doğru değil. Bunu geçelim. Dönen elektron bir akım (hareket eden yük) demektir ve kapalı bir akım halkası bir manyetik dipol momenti oluşturur. Bu bir vektördür, yani atomun bu özelliğini yönlenmiş bir ok ile temsil edebilirsiniz. Aslında bu manyetik dipol momenti sadece atomların değil temel parçacıkların da bir özelliğidir, spin denilen kavram ile açıklanır. Bunun da geçelim. Şimdi tüm bu kavramları bir kenara bırakıp bu "ok" lara yoğunlaşalım, yani her atomda bulunan bir özellik olan manyetik dipol momentlerine.

Her bir ok bir manyetik alan oluşturur. Bu alanın yönü okların yönüne bağlıdır. Maddeyi oluşturan çok sayıda atom çok sayıda ok demektir. Eğer bu okların hepsi aynı yöne bakıyorsa her birinin manyetik alanının toplamı (vektörel toplam) büyük bir değer verir. Bu, o maddenin manyetik özellik göstermesi demektir. Eğer oklar rastgele yönelmişse toplam manyetik alan sıfır olacaktır. Bu da o maddenin manyetik özellik göstermemesi olarak karşımıza çıkar.

Kendilerinin manyetik alan kaynağı olmasının yanında, bu oklar bir manyetik alana girdiklerinde manyetik alan yönüne göre yönlenirler. Bu durumda oklar aynı yöne yönelmiş olurlar ki bu da yukarıda yazdığım gibi maddenin -kendisine uygulanan alan dışında- bir manyetik alan oluşturması ile sonuçlanır. Madde manyetize olmuştur. Örneğin 90'lı yıllarda (hala var mı bilmiyorum:)) ortaokulda yaptırılan çivinin etrafına bobin teli sarıp teli bir pile bağlamak şeklindeki deney. Akım bir manyetik alan demektir ve bu da sarılı olduğu çiviyi manyetize eder. O çivi ile ataşları falan çekebilirsiniz.

Bazı maddelerde bu oklar kendiliğinden aynı yöne yönelmiştir, örneğin yukarıdaki doğal mıknatıs. Bu kendiliğinden aynı yöne yönelme durumu değiş-tokuş etkileşimi denilen kuantum mekaniksel kökenli bir etkileşim kaynaklıdır. Ancak çoğu maddede bu oklar kendiliğinden aynı yöne yönelmiş durumda değildir, yani çoğu madde kendiliğinden bir manyetik alan yaratmaz, manyetik değildir.

Hiç bir detaya girmeden manyetik alan kaynağı bu şekilde. Aslında bir hayli detaylı ve karmaşık bir mekanizma ama kabaca bu şekilde. Manyetik özellik (mıknatıs) için hareket noktası manyetik dipol momenti. Bazı matematiksel ayrıntılar ve temel seviyede anlatım burada ^[1]. Doğal mıknatıs konusundaki anlatım da burada ^[2]. Burada da manyetik dipol momenti konsuunda temel bir anlatım var ^[3].