चुंबकत्व

इतिहास

अरस्तू लगभग ई.पू. 625 से ई.पू. 545 के बीच जीवित थेल्स को चुंबकत्व पर प्रथम वैज्ञानिक चर्चा कहला सकने का श्रेय देते हैं। लगभग इसी समय प्राचीन भारत में, भारतीय शल्य-चिकित्सक सुश्रुत ने शल्य-चिकित्सा के लिए चुंबक का सर्वप्रथम उपयोग किया।
प्राचीन चीन में चुंबकत्व पर उपलब्ध प्रारंभिक साहित्यिक सन्दर्भ ई.पू. चौथी सदी में बुक ऑफ़ डेविल वैली मास्टर (鬼谷子) नामक पुस्तक में मिलता है: "चुंबक-पत्थर लोहे को पास बुलाता है या आकर्षित करता है।" सुई को आकर्षित करने का प्रारंभिक उल्लेख ईस्वी सन् 20 और 100 के बीच लिखी गई कृति में मिलता है (लोइन-हेन्ग): "एक चुंबक-पत्थर सुई को आकर्षित करता है।" प्राचीन चीनी वैज्ञानिक शेन कुओ (1031-1095) पहले व्यक्ति थे जिन्होंने चुंबकीय सुई दिक्सूचक के बारे में लिखा और यह कि वास्तविक उत्तर की खगोलीय अवधारणा को लागू करते हुए मार्गनिर्देशन की सटीकता को उसने सुधारा (ड्रीम पूल एसेज़, ईस्वी सन् 1088) और ऐसा ज्ञात होता है कि 12 वीं सदी तक चीनी द्वारा मार्गनिर्देशन के लिए चुंबक-पत्थर दिक्सूचक का उपयोग किया जाने लगा था।
यूरोप में 1187 तक अलेक्जेंडर नेखम पहले व्यक्ति थे जिन्होंने दिक्सूचक और मार्गनिर्देशन के लिए उसके उपयोग को वर्णित किया। 1269 में पीटर पेरेग्रिनस डे मेरीकोर्ट ने एपिस्टोला डे मैगनेट लिखा, जो चुंबक के गुणों को वर्णित करने वाला प्रथम वर्तमान ग्रंथ है। 1282 में, चुंबक के गुण और शुष्क दिक्सूचक की चर्चा येमेनी भौतिक विज्ञानी, खगोल विज्ञानी और भूगोलवेत्ता अल-अशरफ़ ने की। 
1600 में, विलियम गिलबर्ट ने (चुंबक तथा चुंबकीय पिंड और महान चुंबक पृथ्वी पर) अपना De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure प्रकाशित किया। इस पुस्तक में वे टेरेला कहे जाने वाले अपने पृथ्वी के मॉडल के साथ किए गए अपने प्रयोगों का वर्णन किया है। उनके प्रयोगों से उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि स्वयं पृथ्वी चुंबकीय है और यही कारण है कि दिक्सूचक उत्तर की ओर इंगित करते हैं (पहले, कुछ का मानना ​​था कि ध्रुवतारा (पोलारिस) या उत्तरी ध्रुव पर कोई बड़ा चुंबकीय द्वीप है जो दिक्सूचक को आकर्षित करता है).
बिजली और चुंबकत्व के बीच रिश्ते की समझ 1819 में कोपेनहेगन विश्वविद्यालय के प्रोफ़ेसर हैन्स क्रिश्चियन ओर्स्टेड के कार्य के साथ शुरू हुआ, जिन्होंने कमोबेश आकस्मिक घटना से खोजा कि विद्युत तरंग दिक्सूचक की सुई को प्रभावित कर सकती है। यह ऐतिहासिक प्रयोग ओर्स्टेड प्रयोग के रूप में जाना जाता है। एंड्रे-मेरी एम्पियर, कार्ल फ्रेडरिच गॉस, माइकल फ़राडे और अन्य द्वारा चुंबकत्व तथा विद्युत के बीच और संबंधों की खोज के साथ, कई अन्य प्रयोगों ने इनका अनुवर्तन किया। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने मैक्सवेल समीकरण, विद्युत-चुंबकत्व के क्षेत्र में विद्युत, चुंबकत्व और प्रकाशिकी के एकीकरण द्वारा इन अंतर्दृष्टियों को संश्लेषित और विस्तृत किया। 1905 में, आइंस्टीन ने अपने विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के प्रवर्तन के लिए इन सिद्धांतों का उपयोग किया, इस अपेक्षा सहित कि सभी जड़ सन्दर्भ ढांचों में सिद्धांत सटीक बैठते हैं।
गॉज़ सिद्धांत, क्वांटम विद्युत गतिकी, विद्युत दुर्बलता सिद्धांत और अंततः मानक नमूने के अधिक मौलिक सिद्धांतों में संयोजन द्वारा विद्युत-चुंबकत्व का विकास 21 वीं सदी में जारी रहा।

अणु-चुंबकत्व

अणुचुंबकीय द्रव्य में अयुग्मित इलेक्ट्रॉन मौजूद होते हैं, अर्थात् परमाणु या आणविक कक्षीय, जिनमें केवल एक इलेक्ट्रॉन होता है। जबकि पाउली अपवर्जन सिद्धांत के अनुसार युग्मित इलेक्ट्रॉनों के लिए ज़रूरी है कि उनके आंतरिक ('प्रचक्रण') चुंबकीय संवेग विपरीत दिशाओं में इंगित हों, जो उनके चुंबकीय क्षेत्रों को रद्द कर दें, एक अयुग्मित इलेक्ट्रॉन अपने चुंबकीय संवेग को किसी भी दिशा में संरेखित करने के लिए स्वतंत्र है। जब एक बाह्य चुंबकीय क्षेत्र प्रयुक्त होता है, ये चुंबकीय संवेग खुद को प्रयुक्त क्षेत्र की दिशा के अनुरूप संरेखित करते हैं, जिससे वे प्रबलित होते हैं।

लौह-चुंबकत्व

अणु-चुंबकीय द्रव्य के अनुसार लौह-चुंबक में अयुग्मित इलेक्ट्रॉन होते हैं। तथापि, इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय संवेगों की किसी प्रयुक्त क्षेत्र के समानांतर रहने की प्रवृत्ति के अलावा, इन द्रव्यों में न्यून ऊर्जा स्थिति के अनुरक्षण के लिए एक दूसरे के समानांतर इन चुंबकीय संवेगों के विन्यस्त होने की प्रवृत्ति भी होती है। इस प्रकार, जब प्रयुक्त क्षेत्र हटा भी दें, द्रव्य में इलेक्ट्रॉन एक समानांतर अभिविन्यास बनाए रखते हैं।
प्रत्येक लौह-चुंबकीय पदार्थ का अपना व्यक्तिगत तापमान होता है, जो क्यूरी तापमान या क्यूरी बिंदु कहलाता है, जिससे ऊपर वह अपने लौह-चुंबकीय गुणों को खो देता है। इसका कारण है विकार की तापीय प्रवृत्ति लौह-चुंबकीय क्रम के कारण ऊर्जा-न्यूनीकरण को दबा देती है।
कुछ जाने-माने लौह-चुंबकीय द्रव्य जो (चुंबक बनाने के लिए) आसानी से पहचाने जाने वाले चुंबकीय गुणों को प्रदर्शित करते हैं, वे हैं निकल, लोहा, कोबाल्ट, गैडोलिनियम और उनके मिश्र धातु.

चुंबकीय डोमेन

किसी लौह-चुंबकीय द्रव्य में परमाणुओं के चुंबकीय संवेग उन्हें छोटे स्थाई चुंबकों की भांति व्यवहार करने के लिए बाध्य करते हैं। वे एक साथ जुड़े रहते हैं और चुंबकीय डोमेन या वेइस डोमेन कहलाने वाले कमोबेश एकरूप संरेखन वाले छोटे क्षेत्रों में संरेखित कर लेते हैं। चुंबकीय डोमेन को, चित्र में सफ़ेद रेखाओं के समान दिखने वाली चुंबकीय डोमेन सीमाओं को प्रकट करने के लिए एक चुंबकीय बल सूक्ष्मदर्शी के माध्यम से देखा जा सकता है। कई वैज्ञानिक प्रयोग मौजूद हैं जोकि भौतिक रूप से चुंबकीय क्षेत्र दिखा सकते हैं।
 जब डोमेन में कई अणु होते हैं, वह अस्थिर हो जाता है और दो विपरीत दिशाओं में सुयोजित डोमेनों में संरेखित हो जाता है ताकि वे दाईं और दिखाए गए अनुसार अधिक स्थिरता के साथ एक दूसरे से जुड़े रहें.
जब चुंबकीय क्षेत्र के संपर्क में हों, डोमेन सीमाएं गतिशील होती हैं ताकि चुंबकीय क्षेत्र से संरेखित डोमेनों में वृद्धि हो और बाईं ओर दिखाए गए अनुसार संरचना पर हावी हो सकें. जब चुंबकन क्षेत्र हटा दिया जाए, तो संभवतः डोमेन अचुंबकीय दशा में वापस न लौटें. इसके परिणामस्वरूप लौह-चुंबकीय द्रव्य चुंबकीय हो जाता है, जिससे स्थाई चुंबक बन जाता है।
जब पर्याप्त दृढ़ता से चुंबकीय हो जाता है ताकि मौजूदा डोमेन बाक़ी सभी को केवल एक एकल डोमेन में समेट दें, तब द्रव्य चुंबकीय रूप से संतृप्त हो जाता है। जब चुंबकीय लौह-चुंबकत्व द्रव्य को क्यूरी बिंदु तापमान तक गरम किया जाता है, तो अणुओं में उस बिंदु तक हलचल मच जाती है कि चुंबकीय डोमेन का संगठन बिखर जाता है और उनके द्वारा व्युत्पन्न चुंबकीय गुण ख़त्म हो जाते हैं। जब द्रव्य को ठंडा किया जाता है, इस डोमेन की संरेखण संरचना अनायास इस प्रकार लौट आती है जैसे द्रव क्रिस्टलीय ठोस में जम जाता है।

प्रति-लौहचुंबकत्व

लौहचुंबकत्व से उलटे प्रति-लौहचुंबकत्व में विपरीत दिशाओं में सूचित करने के लिए आस-पास के कर्षणशक्ति वाले इलेक्ट्रॉनों में आंतरिक चुंबकीय संवेग की प्रवृत्ति होती है। जब सभी परमाणु, पदार्थ में व्यवस्थित होते हैं ताकि प्रत्येक पड़ोसी 'प्रति-संरेखित' हों, पदार्थ प्रति-लौहचुंबकीय होता है। प्रति-लौहचुंबकों में शून्य निवल चुंबकीय संवेग होता है, जिसका अर्थ है उनके द्वारा कोई क्षेत्र निर्मित नहीं होता है। प्रति-लौहचुंबक अन्य प्रकार के व्यवहारों की तुलना में कम सामान्य हैं और ज्यादातर कम तापमान पर देखे जा सकते हैं। अलग-अलग तापमानों में, प्रति-लौहचुंबकों द्वारा प्रति-चुंबकीय और लौह-चुंबकीय गुणों को प्रदर्शित करते हुए देखा जा सकता है।
कुछ द्रव्यों में, पड़ोसी इलेक्ट्रॉन विपरीत दिशाओं में इंगित करना चाहते हैं, लेकिन वहां कोई ज्यामितीय व्यवस्था नहीं होती जिनमें प्रत्येक पड़ोसी युग्म प्रति-संरेखित हो। इसे स्पिन ग्लास कहा जाता है और यह ज्यामितीय हताशा का एक उदाहरण है।

लौह-चुंबकत्व

लौह-चुंबकत्व के समान, क्षेत्र की अनुपस्थिति में लौहचुंबक अपना चुंबकत्व बनाए रखते हैं। तथापि, प्रति-लौहचुंबकों की भांति, इलेक्ट्रॉन प्रचक्रणों के पड़ोसी युग्म विपरीत दिशाओं में इंगित करते हैं। ये दो गुण विरोधाभासी नहीं हैं, क्योंकि इष्टतम ज्यामितीय व्यवस्था में, विरोधी दिशा में इंगित करने वाले उपजालकों की तुलना में, एक दिशा में इंगित करने वाले उपजालक इलेक्ट्रॉनों से अधिक चुंबकीय संवेग रहता है।
पहले खोजा गया चुंबकीय पदार्थ मैग्नेटाइट, मूलतः लौह-चुंबक माना गया था; तथापि लौह-चुंबकत्व की खोज के साथ, लुई नील ने इसे ग़लत साबित किया।

सुपर-प्रतिचुंबकत्व

जब लौह-चुंबक पर्याप्त छोटा होता है, वह ब्राउनियन संवेग के अधीन एकल चुंबकीय प्रचक्रण के समान कार्य करता है। चुंबकीय क्षेत्र के प्रति इसकी प्रतिक्रिया गुणात्मक रूप से प्रतिचुंबक के समान ही, लेकिन बहुत बड़ी होती है।

विद्युत-चुंबकत्व

विद्युत-चुंबक एक ऐसा चुंबक है जिसका चुंबकत्व विद्युत धारा के प्रवाह से उत्पन्न होता है। जब धारा बंद हो जाती है, तो चुंबकीय क्षेत्र गायब हो जाता है।

चुंबकत्व, विद्युत और विशेष सापेक्षता

आइंस्टीन की विशेष सापेक्षता सिद्धांत के परिणामस्वरूप, विद्युत और चुंबकत्व मौलिक रूप से आपस में जुड़े हैं। दोनों, विद्युत रहित चुंबकत्व और चुंबकत्व रहित विद्युत, विशेष सापेक्षता के साथ लंबाई संकुचन, समय विस्तार और इस तथ्य के चलते कि चुंबकीय बल वेग आधारित है, जैसे प्रभावों के कारण असंगत हैं। तथापि, जब विद्युत और चुंबकत्व, दोनों को ध्यान में रखा जाता है, परिणामी सिद्धांत (विद्युत-चुंबकत्व) विशेष सापेक्षता के पूरी तरह अनुरूप है। विशेष रूप से, जो घटना एक पर्यवेक्षक को विशुद्ध रूप से विद्युतीय लगती है वही दूसरे को विशुद्ध रूप से चुंबकीय लग सकती है, या अधिक सामान्यतः विद्युत और चुंबकत्व के सापेक्ष योगदान सन्दर्भ के ढांचे पर निर्भर करती है। इस प्रकार, विशेष सापेक्षता विद्युत और चुंबकत्व को विद्युत-चुंबकत्व कहलाने वाले एकल, अविभाज्य तत्व में "मिश्रित" करती है, जो सापेक्षता द्वारा अंतरिक्ष और समय को अंतरिक्ष-समय में "मिश्रित" करने के अनुरूप है।

चुंबकीय द्विध्रुव

"दक्षिण ध्रुव" और "उत्तर ध्रुव" शब्दों के साथ, प्रकृति में प्रदर्शित चुंबकीय क्षेत्र का सबसे आम स्रोत है द्विध्रुव, जो दिक्सूचकों के रूप में चुंबकों के उपयोग जितना पुराना है, जहां वे पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया द्वारा विश्व के उत्तर और दक्षिण ध्रुव को सूचित करते थे। चूंकि चुंबक के विपरीत सिरे एक दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं, चुंबक का उत्तरी ध्रुव दूसरे चुंबक के दक्षिणी ध्रुव के प्रति आकर्षित होता है। पृथ्वी का उत्तरी चुंबकीय ध्रुव (संप्रति कनाडा के उत्तर में आर्कटिक महासागर) भौतिक रूप से दक्षिण ध्रुव है, क्योंकि वह दिक्सूचक के उत्तरी ध्रुव को आकर्षित करता है।
चुंबकीय क्षेत्र में ऊर्जा रहती है और भौतिक प्रणालियां कम ऊर्जा वाले विन्यासों की ओर गतिशील होती हैं। जब प्रति-चुंबकीय द्रव्य को चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो चुंबकीय द्विध्रुव स्वयं को उस क्षेत्र के विपरीत ध्रुवता पर संरेखित करने का प्रयास करता है, जिसके द्वारा निवल क्षेत्र बल कम हो जाता है। जब लौह-चुंबकीय द्रव्य को चुंबकीय क्षेत्र के अंतर्गत रखा जाता है, तब चुंबकीय द्विध्रुव प्रयुक्त क्षेत्र के साथ संरेखित होते हैं, इस प्रकार चुंबकीय डोमेनों की डोमेन दीवारों को विस्तृत करते हैं।

चुंबकीय एकध्रुव

चूंकि बार चुंबक को लौहचुंबकत्व समूचे बार में एकसमान रूप से वितरित इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से मिलता है, जब बार मैगनेट को दो हिस्सों में काटा जाता है, प्रत्येक टुकड़ा छोटा बार मैगनेट होता है। हालांकि कहा जाता है कि चुंबक में उत्तरी ध्रुव और दक्षिणी ध्रुव होते हैं, इन दो ध्रुवों को एक दूसरे से अलग नहीं किया जा सकता है। एकध्रुव – अगर ऐसा कोई विद्यमान हो – एक नई मौलिक रूप से अलग क़िस्म का चुंबकीय वस्तु होगी। वह अकेले उत्तरी ध्रुव के रूप में कार्य करेगी, जो दक्षिणी ध्रुव से, या इसके विपरीत जुड़ी नहीं होगी। एकध्रुव विद्युत धारा के समान चुंबकीय आवेश वहन करेगा। 1931 के बाद से क्रमिक खोजों के बावजूद, उन्हें कभी नहीं देखा गया,2010 के अनुसार  और संभवतः वे विद्यमान नहीं होंगे। 
फिर भी, कुछ सैद्धांतिक भौतिकी नमूने इन चुंबकीय एकध्रुवों के अस्तित्व का पूर्वानुमान लगाते हैं। 1931 में पॉल डिराक ने देखा कि विद्युत और चुंबकत्व में कुछ प्रतिसाम्य होने के कारण, जैसे कि क्वांटम सिद्धांत का पूर्वानुमान है कि व्यक्तिगत धनात्मक या ऋणात्मक आवेश बिना विपरीत आवेश के देखे जा सकते हैं, वियुक्त दक्षिण और उत्तर चुंबकीय ध्रुव परिलक्षित होने चाहिए। क्वांटम सिद्धांत का उपयोग करते हुए डिराक ने प्रदर्शित किया कि यदि चुंबकीय एकध्रुव विद्यमान हैं, तो विद्युत आवेश के क्वांटमीकरण की व्याख्या की जा सकती है-अर्थात् क्यों परिलक्षित तत्वीय कण ऐसे आवेश वहन करते हैं जो इलेक्ट्रॉन के आवेश के गुणज हैं।
कुछ भव्य एकीकृत सिद्धांत तत्वीय कणों के विपरीत, एकध्रुवों का पूर्वानुमान लगाते हैं, जो सॉलिटॉन (स्थानीयकृत ऊर्जा पैकेट) हैं। बिग बैंग में निर्मित एकध्रुवों की संख्या का अनुमान लगाने के लिए इन नमूनों के उपयोग के प्रारंभिक परिणामों ने ब्रह्मांडीय प्रेक्षणों का खंडन किया — एकध्रुव इतने ज़्यादा और अतिविशाल होंगे कि उनका ब्रह्मांड में विस्तार बहुत पहले बंद हो गया होगा। तथापि, मुद्रास्फीति का विचार (जिसके लिए इस समस्या ने आंशिक प्रेरणा के रूप में काम किया) इस समस्या को हल करने में सफल रहा था, जहां नमूने बनाए गए जिनमें एकध्रुव विद्यमान होंगे लेकिन वर्तमान प्रेक्षणों के साथ उनकी अनुरूपता दुर्लभ थी।

सजीव तत्व

कुछ जीव चुंबकीय क्षेत्रों का पता लगा सकता है, जो तथ्य मैगनेटोसेप्शन के रूप में जाना जाता है। चुंबकीय जैविकी चिकित्सा उपचार के रूप में चुंबकीय क्षेत्र का अध्ययन करता है; जीव द्वारा स्वाभाविक रूप से उत्पन्न क्षेत्र जैव-चुंबकत्व के रूप में जाना जाता है।