Magnet može snažno privući željezo, ali neće na isti način privući komad čistog zlata. Razlika ne proizlazi iz toga koliko je metal težak ili sjajan, nego iz njegova elektronskog ustroja i načina na koji se u materijalu usklađuju magnetski momenti. Svojstva električnog vodiča sama po sebi nisu dovoljna da bi tvar postala snažan magnet.
Čisto metalno zlato slabo reagira na magnetsko polje: u nejednolikom polju pokazuje vrlo slabo odbijanje. U svakodnevnom pokusu taj je učinak obično neprimjetan. Željezo magnet snažno privlači, a magnetizirani uzorak može zadržati magnetizaciju i nakon uklanjanja vanjskog polja.
Magnetizam počinje s elektronima
Elektroni imaju električni naboj i magnetska svojstva povezana s njihovim orbitalnim gibanjem i spinom. Spin je kvantno svojstvo; ne treba ga doslovno zamišljati kao okretanje sićušne kuglice. Ti doprinosi određuju magnetski moment, odnosno način na koji elektron ili atom reagira na polje.
U materijalu se pojedini doprinosi mogu poništavati, a mogu se i međusobno pojačavati. Za ponašanje cijelog komada važno je i kako elektroni međudjeluju te kako su atomi raspoređeni. Sama prisutnost elektrona ne objašnjava snažnu privlačnost: elektrone imaju i tvari koje se u magnetskom polju ponašaju sasvim drukčije.
Pregled Sveučilišta u Minnesoti razlikuje materijale u kojima nema kolektivnog magnetskog uređenja od onih u kojima se magnetski momenti snažno usklađuju. Upravo je ta razlika presudna za razumijevanje željeza.
Zašto željezo može postati magnet?
Željezo je pri sobnoj temperaturi feromagnetično. U njemu postoje mala područja, magnetske domene, unutar kojih su magnetski momenti usklađeni. Domene nisu zasebne čestice umetnute u metal, nego područja istog materijala s određenim smjerom magnetizacije.
U nemagnetiziranom komadu smjerovi različitih domena mogu se razlikovati, pa se njihov ukupni učinak djelomično poništava. Kada približimo magnet, raspored se mijenja: domene povoljno usmjerene prema vanjskom polju mogu rasti, a smjer magnetizacije može se zakretati. Cijeli komad tada snažnije reagira na polje.
OpenStaxov sveučilišni udžbenik fizike povezuje takvo uređenje s kvantnim međudjelovanjem među atomima. Zbog njega mnoštvo sitnih magnetskih doprinosa može dati velik zajednički učinak.
Nakon uklanjanja vanjskog magneta materijal može zadržati magnetizaciju, ali koliko će je zadržati ovisi o njegovu sastavu i obradi. Komad željeza koji se lako magnetizira nije nužno dobar trajni magnet. U jednoj primjeni poželjno je da se magnetsko stanje brzo mijenja, dok je u drugoj važno da dugo ostane stabilno.
Zlato reagira, ali mnogo slabije
Metalno zlato je dijamagnetično. U vanjskom magnetskom polju razvija slab odgovor suprotan smjeru tog polja. Taj učinak nije usporediv sa snažnim uređenjem domena u feromagnetičnom materijalu.
Fizičari sa Sveučilišta Illinois upozoravaju na korisnu razliku: pojedinačan atom zlata i komad metalnog zlata ne pokazuju isto magnetsko ponašanje. Izolirani atom ima nesparen elektron, ali iz toga ne slijedi da će se veliki uzorak zlata ponašati poput željeza.
Time se izbjegava često pojednostavljenje prema kojem su u zlatu baš svi elektroni upareni pa ono "nema magnetizam". Ponašanje metala ovisi o ukupnom odzivu njegovih elektrona u čvrstoj tvari. Za svakodnevno opažanje važan je rezultat: čisto zlato ne pokazuje snažnu feromagnetsku privlačnost.
Dijamagnetizam nije jedina slaba reakcija na polje. Paramagnetični materijali u vanjskom polju pokazuju slabu magnetizaciju u njegovu smjeru, koja se uklanjanjem polja gubi. Ni takvo ponašanje ne znači da će kućni magnet podignuti svaki predmet od tog materijala; učinak može biti premalen da bi nadvladao težinu i trenje.
Zašto magnetski pokus nije dovoljan za provjeru zlata?
Ako magnet ne privlači predmet, to nije dokaz da je predmet zlatan. Postoje brojni drugi materijali koji također ne pokazuju snažnu privlačnost. Pokus razlikuje određeno magnetsko ponašanje, a ne identificira sve sastojke.
Predmet može sadržavati više metala, a pozlaćen površinski sloj ne otkriva od čega je napravljena unutrašnjost. Kod nakita reakcija može potjecati i od zasebnog dijela, primjerice mehanizma kopče. Uočena privlačnost zato sama ne daje točan udio zlata u cijelom predmetu.
Za pouzdano određivanje sastava potrebna je analiza koja prepoznaje elemente u uzorku. Pritom je važno znati ispituje li samo površinu ili i unutrašnjost predmeta. Jednostavan magnetski pokus može pružiti trag, ali nije potpuna kemijska analiza.
Isti element ne znači uvijek isto magnetsko ponašanje
Svojstva željeza u čistom metalu ne treba bez provjere pripisati svakom spoju koji ga sadrži. Kemijsko okruženje, kristalna struktura i međudjelovanje elektrona mijenjaju magnetski odziv. Prisutnost atoma željeza nije sama po sebi jamstvo da će materijal biti snažno feromagnetičan.
Važna je i temperatura. Toplinsko gibanje može poremetiti magnetsko uređenje, pa se feromagnetsko ponašanje gubi iznad određene temperature, karakteristične za materijal. Nakon hlađenja mogućnost takva uređenja može se vratiti, ali prethodna magnetizacija ne mora se obnoviti u istom smjeru.
Zbog tih razlika inženjeri pri odabiru magneta ili magnetske jezgre ne traže samo "metal koji privlači magnet". Provjeravaju koliko se lako magnetizira, koliko zadržava magnetizaciju i kako se ponaša pri radnoj temperaturi. Sastav, struktura i uvjeti uporabe određuju hoće li isti dio u uređaju biti koristan magnet ili izvor neželjenih gubitaka.
