แม่เหล็กมีแรงดูดและผลักกันได้อย่างไร

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th

ลองเอาแม่เหล็กสองแท่งมาจ่อเข้าหากัน บางด้านพอเข้าใกล้ก็ถูกดึงให้ติดกันทันที แต่พอกลับด้านหนึ่ง แท่งแม่เหล็กกลับดันกันจนมือรู้สึกได้ ทั้งที่ยังมีช่องว่างอยู่ระหว่างกลาง

แรงที่มองไม่เห็นนี้มาจากไหน แล้วทำไมบางครั้งดูด บางครั้งถึงผลัก?

คำตอบอยู่ที่ สนามแม่เหล็ก ซึ่งแผ่ออกไปรอบแม่เหล็กแต่ละชิ้น เมื่อแม่เหล็กสองแท่งเข้าใกล้กัน สนามแม่เหล็กของแท่งหนึ่งจะออกแรงต่ออีกแท่ง ทิศทางของแรงขึ้นอยู่กับว่าหันขั้วด้านไหนเข้าหากัน

แม่เหล็กแท่งทั่วไปมีสองขั้ว เรียกว่า ขั้วเหนือ และ ขั้วใต้ ถ้าหันขั้วต่างกันเข้าหากัน ทั้งสองแท่งจะดูดกัน แต่ถ้าหันขั้วเหมือนกันเข้าหากันก็จะผลักกัน ส่วนใหญ่ยิ่งอยู่ใกล้ แรงที่รู้สึกได้ก็ยิ่งมากขึ้น

สนามแม่เหล็กเกิดขึ้นได้อย่างไร

ถ้าขยายเข้าไปดูระดับอะตอม ภายในวัสดุมีอิเล็กตรอนซึ่งมีสมบัติทางแม่เหล็กอยู่ด้วย โดยส่วนหนึ่งเกี่ยวข้องกับสมบัติที่เรียกว่า “สปิน” ลองนึกภาพอย่างง่ายว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีความเป็นแม่เหล็กเล็ก ๆ ของตัวเอง แม้สปินจะไม่ใช่การหมุนแบบลูกข่างจริง ๆ ก็ตาม

ในวัสดุหลายชนิด ผลทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนมักหักล้างกัน แต่ในวัสดุบางชนิด เช่น เหล็ก อิทธิพลทางแม่เหล็กของอะตอมที่อยู่ใกล้กันสามารถเรียงตัวไปในทิศเดียวกันเป็นบริเวณเล็ก ๆ ที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็ก

เมื่อโดเมนจำนวนมากเรียงตัวไปในทิศทางใกล้เคียงกัน ผลของมันจะรวมกันจนเกิดสนามแม่เหล็กที่มีแรงให้เราสังเกตได้ และในแม่เหล็กถาวร การเรียงตัวส่วนสำคัญยังคงอยู่ได้โดยไม่ต้องต่อไฟเลี้ยงตลอดเวลา

แล้วทำไมแม่เหล็กถึงดูดคลิปหนีบกระดาษได้?

คลิปเหล็กไม่ได้ต้องเป็นแม่เหล็กถาวรมาก่อน เมื่อเอาแม่เหล็กเข้าไปใกล้ สนามแม่เหล็กจะทำให้บริเวณแม่เหล็กภายในคลิปจัดตัวเปลี่ยนไป คลิปจึงมีสมบัติเป็นแม่เหล็กชั่วคราว โดยด้านที่อยู่ใกล้แม่เหล็กเกิดขั้วที่เอื้อต่อการดูด

ถ้าแม่เหล็กแรงพอ คลิปชิ้นแรกอาจไปเหนี่ยวนำคลิปชิ้นถัดไปจนห้อยต่อกันเป็นสายได้ พอเอาแม่เหล็กออก คลิปอาจเหลือความเป็นแม่เหล็กอยู่บ้างหรืออ่อนลง ขึ้นอยู่กับวัสดุ

อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กไม่ได้ดูดโลหะทุกชนิดแรงพอให้สังเกตได้ เหล็กและเหล็กกล้าหลายชนิดถูกดูดได้ดี แต่ทองแดงและอะลูมิเนียมทั่วไปจะไม่ติดแม่เหล็กแบบคลิปเหล็ก ส่วนสเตนเลส บางชนิดดูดติดและบางชนิดแทบไม่ติด เพราะมีส่วนผสมและโครงสร้างต่างกัน

สนามที่มองไม่เห็น ดูได้ไหม?

วิธีทดลองที่คุ้นเคยคือวางกระดาษทับแม่เหล็ก แล้วโรยผงตะไบเหล็กลงไปอย่างระมัดระวัง ผงจะเรียงตัวเป็นแนวโค้งให้เห็นรูปแบบของสนามรอบแม่เหล็ก แนวที่เห็นคือการจัดตัวของผงเหล็ก ไม่ใช่เส้นเชือกหรือเส้นจริง ๆ ที่ลอยอยู่ในอากาศ

สนามแม่เหล็กยังผ่านกระดาษหรือวัสดุบางอย่างได้ จึงมีแม่เหล็กติดรูปอยู่บนประตูตู้เย็น และมีการนำสมบัตินี้ไปใช้ในลำโพง มอเตอร์ และอุปกรณ์อีกหลายชนิด

ครั้งหน้าที่รู้สึกว่าแม่เหล็กดันมือ ทั้งที่ยังไม่แตะกัน ลองกลับด้านหนึ่งดู แรงที่เปลี่ยนไปเป็นสิ่งที่เราสัมผัสได้จากการทำงานร่วมกันของสนามแม่เหล็กที่มองไม่เห็นนั่นเอง