Einsteintől a hűtőmágnesig és tovább

Avagy mi fán terem a mágnesség?

Tajkov Zoltán

Eötvös Loránd Tudományegyetem

HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont

A minden átszövő mágnesség

Állandó(an) mágneseket használunk

  • Hűtőmágnes
  • Mágnesesen záródó táskák, pénztárcák, noteszek
  • Magnetikus fehértábla 
  • Mágneses ceruzatartók, irodaszerek
  • Játékmágnesek 
  • Hangszóró, fejhallgató, fülhallgató, Mikrofon
  • Elektromos motor ( ventilátorban, mosógépben, porszívóban, akkus fúró)
  • Merevlemez (HDD) 
  • MRI gép 
  • Transzformátor és induktív töltő 
  • Elektromos generátor 
  • Kamera autofókusz 
  • Okosóra mágneses töltője 
  • Laptop fedél szenzor 

A minden átszövő mágnesség

Állandóan mágneseket használunk

  • Szekrényajtó mágneses zárja
  • Mágneses függönyök és takarók
  • Ajtókilincs visszatartó mágnes
  • Biztonsági gyermekzár mágneses kulccsal
  • Indukciós főzőlap
  • ABS szenzor
  • Elektromos autó motorja 
  • Maglev (lebegővasút) 
  • Kerékpáros sebességmérő szenzor 
  • Bankkártya mágnescsík 
  • Hotelszobakártya
  • Tintasugaras nyomtató
  • Szemétválogató üzem
  • Hűtőmágnes

mindenkiT foglalkoztat

Water, fire, air and dirt

Fucking magnets, how do they work?

- Insane Clown Posse - Miracles

Van egy barátom, mágnes gyűjtő. Vannak ilyen ritkaságai, hogy mind a két fele taszít.

Magneto - Marvel karakter

tudós válaszol

Richard Phillips Feynman (1918-1988)

Fun to Imagine
BBC TV Series (1983)

  •  

tudós válaszol

Derek Alexander Muller

Veritasium

Henry Reich

MinutePhysics 

elektromosság - alapjelenség

elektromosság - alapjelenség

Tapasztalat

  • A töltés az a tulajdonság, ami miatt egy test érzi az elektromos teret.

  • Egy test lehet pozitív, negatív vagy semleges.

  • Az elektromos tér megmutatja, hogy hol milyen erő hatna egy pozitív próbatöltésre.

  • A testek a töltésük révén kapcsolódnak az elektromos térhez.

  • Az azonos töltések taszítják, az ellentétesek vonzzák egymást.

  • A elektromos tér árnyékolható.

mágnesség és villamosság

Hogy hat a töltött részecskére a mágnes?

sehogy.

mágnesség és villamosság

Hogy hat a töltött részecskére a mágnes?

villamosság és villamosság

Hogy hat a töltött részecskére a mozgó töltött részecske?

villamosság és villamosság

relatív kitérő

Elmélkedés a dolgok egyidejűségéről

Albert Einstein,

1905, annus mirabilis

Mi az, hogy egyszerre?

  • Két, egymástól távoli esemény lehet, hogy az egyik megfigyelő szerint egyszerre történik.

  • Egy másik, hozzá képest mozgó megfigyelő szerint ugyanez a két esemény nem egyszerre történik.

  • Minél nagyobb a relatív sebesség, annál nagyobb lehet az eltérés abban, hogy ki mit tekint „ugyanannak a pillanatnak”.

KATT IDE

relatív kitérő

villamosság és villamosság

Az egyidejűség relativitása mágneses kölcsönhatást okoz

hol az áram?

Permanens mágnes két pólusa

Hol folyik itt áram?

hol az áram?

hol az áram?

hol az áram?

hol az áram?

hol az áram?

Atomok Bohr-modellje

hol az áram?

bohr-féle modell nem elég

Egy keringő elektron sugároz

  • Keringő töltés klasszikusan sugározna.

  • Akkor energiát veszítene és az atom nem lenne stabil.

  • Bohr ezt posztulátummal mentette meg: „bizonyos pályákon mégsem sugároz”.

  • A tisztán orbitális kép egyszerű Zeeman-hasadást vár.

  • A valóságban sok vonal anomális Zeeman-hasadást mutat.

  • A magyarázathoz új hozzájárulás kell

Spektroszkópia: túl sok a minta

  • Stern–Gerlach: ezüstnél két nyaláb jön ki; ez nem csak „kvantáltság”, hanem annak jele, hogy a mágneses momentum nem írható le pusztán orbitális képpel.

  • Einstein–de Haas: a mért giromágneses arány nem a tisztán orbitális klasszikus értéket adja, hanem kb. kétszer akkora nagyságrendet.

Közvetlen mágneses nyomok

a spin

Forrás: minutephysics, MAGNETS: How Do They Work?

Alapvető részecskék kvantumtulajdonságai

A Standard Modell részecskéi — az elektron kiemelve

Részecske Töltés (e) Kicsi Mágnes ✦ Tömeg Élettartam Szín-töltés
⬡ Leptonok
Elektron (e⁻) ★ −1 ½ 0,511 MeV/c² Stabil ∞ —
Myon (μ⁻) −1 ½ 105,7 MeV/c² 2,2 μs —
Tau (τ⁻) −1 ½ 1 776,9 MeV/c² 290 fs —
Elektron-neutrínó (νₑ) 0 ½ < 2 eV/c² Stabil —
Myon-neutrínó (ν_μ) 0 ½ < 170 keV/c² Stabil —
⬡ Quarkok
Up quark (u) +⅔ ½ 2,2 MeV/c² Stabil (kötött) r / g / b
Down quark (d) −⅓ ½ 4,7 MeV/c² Stabil (kötött) r / g / b
Strange quark (s) −⅓ ½ 93 MeV/c² ~10⁻⁸ s r / g / b
Charm quark (c) +⅔ ½ 1 270 MeV/c² ~10⁻¹² s r / g / b
Bottom quark (b) −⅓ ½ 4 180 MeV/c² ~10⁻¹² s r / g / b
Top quark (t) +⅔ ½ 172 900 MeV/c² ~5×10⁻²⁵ s r / g / b
⬡ Bozonok (erőhordozók)
Foton (γ) 0 1 0 Stabil ∞ —
W⁺ / W⁻ bozon +1 / −1 1 80 377 MeV/c² ~3×10⁻²⁵ s —
Z⁰ bozon 0 1 91 188 MeV/c² ~3×10⁻²⁵ s —
Gluon (g) 0 1 0 Stabil (kötött) 8 féle
Higgs-bozon (H⁰) 0 0 125 250 MeV/c² ~1,6×10⁻²² s —
 

mágnesség

egyetlen elektron

elektronok az atomban

Egy atom, vagy atomok kollekciója rendeződik

Kollekciók kollekciója rendeződik egy stabil struktúrába: mágnes

mágnesség

  • Az elektronok egy atomban párokban állnak
  • Szükség van párosítatlan elektronokra ahhoz, hogy legyen netto mágnesség
  • Legyen lokalizált!

Hol vannak ilyenek?

mágnesség

Hol vannak ilyenek?

mágnesség

A vas, vagy a nikkel állandó mágnes...

...de a króm nem. 

Miért?

mágnesség

Meg kell oldani a Schrödinger-egyenletet...

\hat H \left| \Psi \right> = E \left|\Psi \right>

A szerény hélium molekula:

\hat H_{\mathrm{el}} = -\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_1^2 -\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_2^2 -\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_3^2 -\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_4^2
-\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{1A}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{1B}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{2A}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{2B}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{3A}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{3B}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{4A}} -\frac{2e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{4B}}
+\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{12}} +\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{13}} +\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{14}} +\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{23}} +\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{24}} +\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{34}}
\hat H_{\mathrm{el}} = -\sum_{i=1}^{N}\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_i^2 -\sum_{i=1}^{N}\sum_{A=1}^{M}\frac{Z_A e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{iA}} +\sum_{i\lt j}\frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0\,r_{ij}} +\sum_{A\lt B}\frac{Z_A Z_B e^2}{4\pi\varepsilon_0\,R_{AB}} .

... de azt képtelenség.

mágnesség

Helyette!

\left[ -\frac{1}{2}\nabla^2 + v_{\mathrm{ext}}(\mathbf r) + v_{\mathrm H}(\mathbf r) + v_{\mathrm{xc},\sigma}(\mathbf r) \right] \phi_{i\sigma}(\mathbf r) = \varepsilon_{i\sigma}\,\phi_{i\sigma}(\mathbf r) \qquad (\sigma=\uparrow,\downarrow)
v_{\mathrm H}(\mathbf r) = \int \frac{n(\mathbf r')}{|\mathbf r-\mathbf r'|} \,d^3r'
v_{\mathrm{xc},\sigma}(\mathbf r) = \frac{\delta E_{\mathrm{xc}}[n_\uparrow,n_\downarrow]} {\delta n_\sigma(\mathbf r)} \, .

ahol:

mágnesség

És ami kimaradt:

2D mágnesség

Skyrmionok

Magnonok

Altermágnesek

És sok-sok minden más!

Talán majd legközelebb.

Köszönöm a figyelmet!