المغناطيسية

المغناطيسية هي فئة من الخصائص الفيزيائية التي تنشأ من خلال المجال المغناطيسي ، والتي تسمح للأجسام بالتجاذب أو التنافر. ولأن كلاً من التيارات الكهربائية والعزوم المغناطيسية للجسيمات الأولية تُنتج مجالاً مغناطيسياً، فإن المغناطيسية هي أحد وجهي الكهرومغناطيسية .

تحدث هذه التأثيرات المألوفة في المواد المغناطيسية الحديدية ، التي تنجذب بشدة إلى المجالات المغناطيسية ويمكن مغنطتها لتصبح مغناطيسات دائمة ، منتجةً مجالات مغناطيسية خاصة بها. كما يمكن إزالة مغنطة المغناطيس. عدد قليل فقط من المواد مغناطيسية حديدية ؛ وأكثرها شيوعًا الحديد والكوبالت والنيكل وسبائكها.

تُظهر جميع المواد نوعًا من المغناطيسية. تُصنَّف المواد المغناطيسية وفقًا لقابليتها المغناطيسية الكلية. ^{[ 1 ]} تُعزى معظم تأثيرات المغناطيسية التي نصادفها في حياتنا اليومية إلى المغناطيسية الحديدية، ولكن في الواقع، توجد أنواع عديدة من المغناطيسية. تنجذب المواد البارامغناطيسية، مثل الألومنيوم والأكسجين ، بشكل ضعيف إلى مجال مغناطيسي خارجي؛ بينما تتنافر المواد الديامغناطيسية ، مثل النحاس والكربون، بشكل ضعيف؛ أما المواد المضادة للمغناطيسية الحديدية ، مثل الكروم ، فلها علاقة أكثر تعقيدًا مع المجال المغناطيسي. عادةً ما تكون قوة المغناطيس على المواد البارامغناطيسية والديامغناطيسية والمضادة للمغناطيسية الحديدية ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن الشعور بها، ولا يمكن الكشف عنها إلا بواسطة أجهزة المختبر، ولذلك غالبًا ما تُوصف هذه المواد في الحياة اليومية بأنها غير مغناطيسية.

تتناقص قوة المجال المغناطيسي دائمًا مع ازدياد المسافة من مصدره المغناطيسي، ^{[ 2 ]} على الرغم من أن العلاقة الرياضية الدقيقة بين القوة والمسافة تختلف. تؤثر عوامل عديدة على المجال المغناطيسي لجسم ما، منها العزم المغناطيسي للمادة، والشكل الفيزيائي للجسم، ومقدار واتجاه أي تيار كهربائي موجود داخله، ودرجة حرارته.

اكتُشفت المغناطيسية لأول مرة في العالم القديم عندما لاحظ الناس أن أحجار المغناطيس ، وهي قطع ممغنطة طبيعيًا من معدن المغنتيت ، تجذب الحديد. ^{[ 3 ]} كلمة "مغناطيس" مشتقة من المصطلح اليوناني μαγνῆτις λίθος magnētis lithos ، ^{[ 4 ]} أي "حجر المغنيسيا، حجر المغناطيس". ^{[ 5 ]} في اليونان القديمة، نسب أرسطو أول ما يمكن تسميته نقاشًا علميًا حول المغناطيسية إلى الفيلسوف طاليس الملطي ، الذي عاش بين عامي 625 و545 قبل الميلاد تقريبًا . ^{[ 6 ]} يصف النص الطبي الهندي القديم "سوشروتا سامهيتا" استخدام المغنتيت لإزالة الأسهم المغروسة في جسم الإنسان. ^{[ 7 ]}  

في الصين القديمة ، يعود أقدم ذكر أدبي للمغناطيسية إلى كتاب من القرن الرابع قبل الميلاد، سُمّي على اسم مؤلفه، غويغوزي . ^{[ 8 ]} كما تشير حوليات القرن الثاني قبل الميلاد، لوشي تشون تشيو ، إلى أن: " حجر المغناطيس يجذب الحديد؛ هناك قوة ما تجذبه." ^{[ 9 ]} أما أول ذكر لجذب الإبرة فيعود إلى كتاب لونهنغ ( الاستفسارات المتوازنة ) من القرن الأول الميلادي: "حجر المغناطيس يجذب الإبرة." ^{[ 10 ]} وكان العالم الصيني شين كو، من القرن الحادي عشر الميلادي، أول من كتب - في مقالات بركة الأحلام - عن بوصلة الإبرة المغناطيسية، وكيف حسّنت دقة الملاحة باستخدام المفهوم الفلكي للشمال الحقيقي . وبحلول القرن الثاني عشر الميلادي، كان الصينيون يستخدمون بوصلة حجر المغناطيس للملاحة. وقد نحتوا ملعقة توجيهية من حجر المغناطيس بحيث يشير مقبضها دائمًا إلى الجنوب.

بحلول عام 1187، كان ألكسندر نيكام أول من وصف البوصلة واستخدامها في الملاحة في أوروبا. وفي عام 1269، كتب بيتر بيرغرينوس دي ماريكورت رسالة المغناطيسية ، وهي أول رسالة باقية تصف خصائص المغناطيس. وفي عام 1282، ناقش الأشرف عمر الثاني ، وهو فيزيائي وعالم فلك وجغرافي يمني ، خصائص المغناطيس والبوصلات الجافة . ^{[ 11 ]}

يُعدّ كتاب ليوناردو غارزوني الوحيد الباقي، " رسالتان في طبيعة وخصائص المغناطيس "، أول مثال معروف لمعالجة حديثة للظواهر المغناطيسية. كُتب هذا الكتاب في أواخر القرن التاسع عشر الميلادي، ولم يُنشر قط، إلا أنه لاقى رواجًا واسعًا. وقد أشار نيكولو كابيو، مؤلف كتاب "فلسفة المغناطيسية" (1629)، إلى غارزوني كخبير في المغناطيسية، وهو في الواقع إعادة صياغة لكتاب غارزوني. كما كان كتاب غارزوني معروفًا لدى جيوفاني باتيستا ديلا بورتا .

في عام 1600، نشر ويليام جيلبرت كتابه "De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure" ( عن المغناطيس والأجسام المغناطيسية، وعن المغناطيس العظيم: الأرض ). يصف في هذا العمل العديد من تجاربه على نموذجه للأرض المسمى " تيريلا" . استنتج من تجاربه أن الأرض نفسها مغناطيسية، وأن هذا هو سبب إشارة البوصلات إلى الشمال، بينما كان البعض يعتقد سابقًا أن نجم القطب الشمالي (بولاريس) أو جزيرة مغناطيسية كبيرة في القطب الشمالي هي التي تجذب البوصلة.

بدأ فهم العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية عام 1819 على يد هانز كريستيان أورستد ، أستاذ جامعة كوبنهاغن، الذي اكتشف، من خلال ارتعاش عرضي لإبرة بوصلة بالقرب من سلك، أن التيار الكهربائي قادر على توليد مجال مغناطيسي. تُعرف هذه التجربة الرائدة بتجربة أورستد. وفي عام 1820، وضع كل من جان باتيست بيو وفيليكس سافار قانون بيو-سافار الذي يُعطي معادلة للمجال المغناطيسي الناتج عن سلك يحمل تيارًا كهربائيًا. وفي نفس الفترة تقريبًا، أجرى أندريه ماري أمبير العديد من التجارب المنهجية واكتشف أن القوة المغناطيسية بين حلقتين من التيار المستمر، مهما كان شكلهما، تساوي مجموع القوى الفردية التي يؤثر بها كل عنصر تيار في إحدى الدائرتين على كل عنصر تيار آخر في الدائرة الأخرى.

في عام 1831، اكتشف مايكل فاراداي أن التدفق المغناطيسي المتغير مع الزمن يُحدث فرق جهد عبر حلقة سلكية. وفي عام 1835، افترض كارل فريدريش غاوس ، استنادًا إلى قانون أمبير للقوة في صيغته الأصلية، أن جميع أشكال المغناطيسية تنشأ نتيجة لحركة شحنات نقطية أولية بالنسبة لبعضها البعض. ^{[ 12 ]} وقد طور فيلهلم إدوارد فيبر نظرية غاوس إلى الديناميكا الكهربائية الفيبرية .

منذ حوالي عام 1861، قام جيمس كلارك ماكسويل بتجميع وتوسيع العديد من هذه الأفكار في معادلات ماكسويل ، موحدًا الكهرباء والمغناطيسية والبصريات في مجال الكهرومغناطيسية . ومع ذلك، فإن تفسير غاوس للمغناطيسية لا يتوافق تمامًا مع الديناميكا الكهربائية لماكسويل. في عام 1905، استخدم ألبرت أينشتاين معادلات ماكسويل في تحفيز نظريته النسبية الخاصة ، ^{[ 13 ]} مشترطًا أن تكون القوانين صحيحة في جميع الأطر المرجعية العطالية . وهكذا، عاد نهج غاوس في تفسير القوة المغناطيسية على أنها مجرد تأثير للسرعات النسبية إلى الديناميكا الكهربائية إلى حد ما.

استمر علم الكهرومغناطيسية في التطور حتى القرن الحادي والعشرين، حيث تم دمجه في النظريات الأساسية لنظرية القياس ، والديناميكا الكهربائية الكمية ، والنظرية الكهروضعيفة ، وأخيراً النموذج القياسي .

تنشأ المغناطيسية، في جوهرها، من:

• التيار الكهربائي
• العزوم المغناطيسية الدورانية للجسيمات الأولية
• المجالات الكهربائية المتغيرة

تُعزى الخصائص المغناطيسية للمواد بشكل أساسي إلى العزوم المغناطيسية للإلكترونات التي تدور حول ذراتها . عادةً ما تكون العزوم المغناطيسية لنوى الذرات أصغر بآلاف المرات من العزوم المغناطيسية للإلكترونات، لذا فهي ضئيلة للغاية في سياق مغنطة المواد. ومع ذلك، فإن للعزوم المغناطيسية النووية أهمية بالغة في سياقات أخرى، لا سيما في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).

في الوضع الطبيعي، تتوزع الإلكترونات الهائلة في المادة بحيث تلغي عزومها المغناطيسية (المدارية والذاتية). ويعود ذلك، إلى حد ما، إلى اتحاد الإلكترونات في أزواج ذات عزوم مغناطيسية ذاتية متعاكسة نتيجة لمبدأ استبعاد باولي (انظر التوزيع الإلكتروني )، واتحادها في مدارات فرعية ممتلئة ذات حركة مدارية صافية معدومة. في كلتا الحالتين، تفضل الإلكترونات اتخاذ ترتيبات تلغي فيها العزوم المغناطيسية لكل إلكترون العزم المعاكس لإلكترون آخر. علاوة على ذلك، حتى عندما يكون التوزيع الإلكتروني بحيث توجد إلكترونات غير مزدوجة و/أو مدارات فرعية غير ممتلئة، فغالبًا ما تُسهم الإلكترونات المختلفة في المادة الصلبة بعزوم مغناطيسية تشير إلى اتجاهات عشوائية مختلفة، مما يجعل المادة غير مغناطيسية.

أحيانًا - إما تلقائيًا أو نتيجة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي - تصطف جميع العزوم المغناطيسية للإلكترونات، في المتوسط، على خط واحد. ويمكن لمادة مناسبة حينها أن تُنتج مجالًا مغناطيسيًا صافيًا قويًا.

يعتمد السلوك المغناطيسي للمادة على بنيتها، وخاصةً توزيع الإلكترونات فيها ، للأسباب المذكورة آنفاً، وكذلك على درجة الحرارة. ففي درجات الحرارة المرتفعة، تجعل الحركة الحرارية العشوائية من الصعب على الإلكترونات الحفاظ على اصطفافها.

على الرغم من أن جميع المواد مغناطيسية إلى حد ما، إلا أن المواد التي تعزز المجال المغناطيسي بشكل كبير تُعتبر مواد مغناطيسية . تُصنف هذه المواد إلى مواد مغناطيسية حديدية ، مثل الحديد والنيكل والكوبالت ، أو مواد مغناطيسية حديدية مضادة ، مثل الحديد .₃ O_4. [ ^{17 ] : يمكن تحليل قواعد البيانات الكبيرة التي تسرد الخصائص المغناطيسية للمواد بواسطة أدوات الذكاء الاصطناعي} للتنبؤ بالمواد المغناطيسية الجديدة. ^{[ 18 ]}

المغناطيس الكهربائي نوع من المغناطيسات يُنتج فيه المجال المغناطيسي بواسطة تيار كهربائي . ^{[ 19 ]} يختفي المجال المغناطيسي عند انقطاع التيار. يتكون المغناطيس الكهربائي عادةً من عدد كبير من لفات الأسلاك المتقاربة التي تُولّد المجال المغناطيسي. تُلفّ لفات الأسلاك غالبًا حول قلب مغناطيسي مصنوع من مادة مغناطيسية حديدية أو مغناطيسية حديدية مضادة ، مثل الحديد ؛ يُركّز القلب المغناطيسي التدفق المغناطيسي ، مما يُنتج مغناطيسًا أقوى.

تتمثل الميزة الرئيسية للمغناطيس الكهربائي على المغناطيس الدائم في إمكانية تغيير المجال المغناطيسي بسرعة عن طريق التحكم في كمية التيار الكهربائي في الملف. مع ذلك، وعلى عكس المغناطيس الدائم الذي لا يحتاج إلى طاقة، يتطلب المغناطيس الكهربائي إمدادًا مستمرًا بالتيار للحفاظ على المجال المغناطيسي.

تُستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع كمكونات في أجهزة كهربائية أخرى، مثل المحركات والمولدات والمرحلات والملفات اللولبية ومكبرات الصوت والأقراص الصلبة وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي والأدوات العلمية ومعدات الفصل المغناطيسي . كما تُستخدم المغناطيسات الكهربائية في الصناعة لرفع ونقل الأجسام الحديدية الثقيلة مثل خردة الحديد والصلب. ^{[ 20 ]} اكتُشفت الكهرومغناطيسية عام 1820. ^{[ 21 ]}

نتيجةً لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، يرتبط كلٌ من الكهرباء والمغناطيسية ارتباطًا وثيقًا. فكلٌ من المغناطيسية الخالية من الكهرباء، والكهرباء الخالية من المغناطيسية، لا يتوافقان مع النسبية الخاصة، نظرًا لتأثيرات مثل انكماش الطول ، وتمدد الزمن ، وحقيقة أن القوة المغناطيسية تعتمد على السرعة. مع ذلك، عند أخذ كلٍ من الكهرباء والمغناطيسية في الاعتبار، تصبح النظرية الناتجة ( الكهرومغناطيسية ) متوافقة تمامًا مع النسبية الخاصة. ^{[ 13 ] [ 22 ]} على وجه الخصوص، قد تبدو ظاهرة ما كهربائية بحتة أو مغناطيسية بحتة لمراقب ما، بينما قد تكون مزيجًا من كليهما لمراقب آخر، أو بشكل أعم، تعتمد المساهمات النسبية للكهرباء والمغناطيسية على الإطار المرجعي. وهكذا، "تدمج" النسبية الخاصة الكهرباء والمغناطيسية في ظاهرة واحدة لا تنفصل تُسمى الكهرومغناطيسية ، على غرار كيفية "دمج" النسبية العامة للمكان والزمان في الزمكان .

تنطبق جميع الملاحظات المتعلقة بالكهرومغناطيسية على ما يمكن اعتباره مغناطيسية في المقام الأول، على سبيل المثال، الاضطرابات في المجال المغناطيسي مصحوبة بالضرورة بمجال كهربائي غير صفري، وتنتشر بسرعة الضوء . ^{[ 23 ]}

في الفراغ، $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\mathbf {H} ,}$$ حيث μ ₀ هي نفاذية الفراغ .

في مادة، $${\displaystyle \mathbf {B} \ =\ \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} ).\ }$$

الكمية μ ₀ M تسمى الاستقطاب المغناطيسي .

إذا كان المجال H صغيرًا، فإن استجابة المغنطة M في مادة مغناطيسية معاكسة أو مغناطيسية مسايرة تكون خطية تقريبًا: $${\displaystyle \mathbf {M} =\chi \mathbf {H} ,}$$ يُطلق على ثابت التناسب اسم القابلية المغناطيسية. إذا كان الأمر كذلك، $${\displaystyle \mu _{0}(\mathbf {H} +\mathbf {M} )\ =\ \mu _{0}(1+\chi )\mathbf {H} \ =\ \mu _{r}\mu _{0}\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H} .}$$

في المغناطيس الصلب مثل المغناطيس الحديدي، لا تتناسب M مع المجال وتكون بشكل عام غير صفرية حتى عندما تكون H صفرًا (انظر التمغنط المتبقي ).

تتوسط المجال المغناطيسي ظاهرة المغناطيسية. فالتيار الكهربائي أو ثنائي القطب المغناطيسي يُنشئ مجالاً مغناطيسياً، وهذا المجال بدوره يُؤثر بقوى مغناطيسية على الجسيمات الأخرى الموجودة في هذا المجال.

تصف معادلات ماكسويل، التي تُختزل إلى قانون بيو-سافار في حالة التيارات المستقرة، أصل وسلوك المجالات التي تحكم هذه القوى. ولذلك، تُلاحظ المغناطيسية كلما كانت الجسيمات المشحونة كهربائيًا في حالة حركة ، على سبيل المثال، من حركة الإلكترونات في تيار كهربائي ، أو في بعض الحالات من الحركة المدارية للإلكترونات حول نواة الذرة. كما تنشأ المغناطيسية أيضًا من ثنائيات الأقطاب المغناطيسية "الذاتية" الناتجة عن اللف المغزلي الكمومي .

إنّ الحالات نفسها التي تُولّد المجالات المغناطيسية - كالشحنات المتحركة في تيار كهربائي أو في ذرة، وثنائيات الأقطاب المغناطيسية الذاتية - هي أيضاً الحالات التي يؤثر فيها المجال المغناطيسي، مُولّداً قوة. فيما يلي صيغة الشحنات المتحركة؛ أما القوى المؤثرة على ثنائي القطب الذاتي، فانظر ثنائي القطب المغناطيسي.

عندما يتحرك جسيم مشحون عبر مجال مغناطيسي B ، فإنه يشعر بقوة لورنتز F المعطاة بالضرب الاتجاهي : ^{[ 24 ]}$${\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}$$ أين${\displaystyle q}$هي الشحنة الكهربائية للجسيم، و${\displaystyle v}$يمثل متجه سرعة الجسيم.

لأن هذا ناتج ضرب اتجاهي ، فإن القوة تكون عمودية على كل من حركة الجسيم والمجال المغناطيسي. مقدار القوة هو $${\displaystyle F=qvB\sin \theta \,}$$ أين${\displaystyle \theta }$هي الزاوية بين v و B.

يمكن تحديد اتجاه متجه القوة باستخدام قاعدة اليد اليمنى لتحديد اتجاه${\displaystyle \mathbf {v} \times \mathbf {B} }$وباستخدام إشارة الشحنة${\displaystyle q}$(إذا كانت الشحنة سالبة، فإن القوة تشير في الاتجاه المعاكس للإبهام).

جميع المغناطيسات المعروفة ثنائية القطب ، أي أنها تمتلك قطبًا شماليًا وقطبًا جنوبيًا، وقد سُميت كذلك لأن المجال المغناطيسي للأرض يُطبق قوةً لتوجيه أقطاب المغناطيس نحو المناطق القريبة من القطب الشمالي والقطب الجنوبي للأرض ، وتحديدًا القطب المغناطيسي الشمالي والقطب المغناطيسي الجنوبي . ينجذب القطب الشمالي للمغناطيس إلى القطب الجنوبي لمغناطيس آخر.

يحتوي المجال المغناطيسي على طاقة ، وتتحرك الأنظمة الفيزيائية نحو التكوينات ذات الطاقة الأقل. عند وضع مادة مغناطيسية معاكسة في مجال مغناطيسي، يميل ثنائي القطب المغناطيسي إلى الاصطفاف بقطبية معاكسة لقطبية المجال، مما يقلل من شدة المجال الكلية. أما عند وضع مادة مغناطيسية حديدية في مجال مغناطيسي، فإن ثنائيات الأقطاب المغناطيسية تصطف مع المجال المطبق، مما يؤدي إلى توسيع جدران نطاقات المجال المغناطيسي.

تستطيع بعض الكائنات الحية استشعار المجالات المغناطيسية، وهي ظاهرة تُعرف باسم الاستقبال المغناطيسي . بعض المواد في الكائنات الحية مغناطيسية حديدية، مع أنه من غير الواضح ما إذا كانت الخصائص المغناطيسية تؤدي وظيفة خاصة أم أنها مجرد نتاج ثانوي لاحتوائها على الحديد. على سبيل المثال، تُنتج الكيتونات ، وهي نوع من الرخويات البحرية، الماغنيتيت لتصلب أسنانها، بل إن البشر يُنتجون الماغنيتيت في أنسجة أجسامهم. ^{[ 28 ]}

يدرس علم الأحياء المغناطيسي تأثيرات المجالات المغناطيسية على الكائنات الحية؛ وتُعرف المجالات التي ينتجها الكائن الحي بشكل طبيعي بالمغناطيسية الحيوية . تتكون العديد من الكائنات الحية في الغالب من الماء، ولأن الماء مادة مغناطيسية معاكسة ، فإن المجالات المغناطيسية القوية للغاية يمكن أن تطرد هذه الكائنات الحية.

في السنوات التي تلت عام 1820، أجرى أندريه ماري أمبير العديد من التجارب التي قاس فيها القوى بين التيارات المستمرة. وعلى وجه الخصوص، درس أيضًا القوى المغناطيسية بين الأسلاك غير المتوازية. ^{[ 29 ]} وكانت النتيجة النهائية لعمله قانونًا للقوى سُمّي باسمه. في عام 1835، أدرك كارل فريدريش غاوس ^{[ 12 ]} أن قانون أمبير للقوى في صيغته الأصلية يمكن تفسيره بتعميم لقانون كولوم .

ينص قانون جاوس للقوة على أن القوة الكهرومغناطيسية${\textstyle \mathbf {F} _{1}}$تجربة رسوم النقطة،${\displaystyle q_{1}}$مع المسار${\displaystyle \mathbf {r} _{1}(t)}$، في محيط شحنة نقطية أخرى،${\displaystyle q_{2}}$مع المسار${\displaystyle \mathbf {r} _{2}(t)}$، في الفراغ يساوي القوة المركزية$${\displaystyle \mathbf {F} _{1}={\frac {q_{1}\,q_{2}}{4\,\pi \,\epsilon _{0}}}\,{\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |^{3}}}\,\left(1+{\frac {|\mathbf {v} |^{2}}{c^{2}}}-{\frac {3}{2}}\,\left({\frac {\mathbf {r} }{|\mathbf {r} |}}\cdot {\frac {\mathbf {v} }{c}}\right)^{2}\right)}$$، أين${\textstyle \mathbf {r} =\mathbf {r} _{1}(t)-\mathbf {r} _{2}(t)}$هي المسافة بين الشحنات و${\textstyle \mathbf {v} ={\dot {\mathbf {r} }}_ {1}(t)-{\dot {\mathbf {r} }}_ {2}(t)}$هي السرعة النسبية. وقد أكد فيلهلم إدوارد فيبر فرضية غاوس في العديد من التجارب. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} وباستخدام الديناميكا الكهربائية لفيبر، يمكن تفسير التأثيرات الساكنة وشبه الساكنة في النظام غير النسبي للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية دون وجود مجال مغناطيسي أو قوة لورنتز .

منذ عام 1870، تم تطوير نظرية ماكسويل في الديناميكا الكهربائية ، والتي تفترض وجود المجالين الكهربائي والمغناطيسي. في هذه النظرية، يمكن حساب القوة الكهرومغناطيسية الفعلية باستخدام قوة لورنتز، التي تعتمد، مثل قوة ويبر، على السرعة. مع ذلك، لا تتوافق نظرية ماكسويل تمامًا مع أعمال أمبير، وغوس، وويبر في النظام شبه الساكن. على وجه الخصوص، لا يتكافئ قانون قوة أمبير الأصلي وقانون بيو-سافار إلا إذا كانت حلقة الموصل المولدة للمجال مغلقة. ^{[ 33 ]} لذا، تمثل نظرية ماكسويل قطيعة مع تفسير غاوس وويبر للمغناطيسية، إذ لم يعد من الممكن في هذه النظرية استنتاج القوة المغناطيسية من قوة مركزية.

على الرغم من إمكانية صياغة تفسيرات استدلالية تستند إلى الفيزياء الكلاسيكية، إلا أن التمغنط المعاكس والتمغنط المساير والتمغنط الحديدي لا يمكن تفسيرها بالكامل إلا باستخدام نظرية الكم. ^{[ 34 ] [ 35 ]} وقد طُوّر نموذج ناجح بالفعل في عام 1927 على يد والتر هيتلر وفريتز لندن ، اللذين استنتجا، من منظور ميكانيكا الكم، كيفية تكوّن جزيئات الهيدروجين من ذرات الهيدروجين، أي من مدارات ذرات الهيدروجين.${\displaystyle u_{A}}$و${\displaystyle u_{B}}$تتركز هذه الظاهرة عند النواتين A و B ، كما هو موضح أدناه. إن كون هذا يؤدي إلى المغناطيسية ليس واضحاً على الإطلاق، ولكن سيتم شرح ذلك لاحقاً.

وفقًا لنظرية هيتلر-لندن، ما يسمى بالجزيئات ثنائية الجسم${\displaystyle \sigma }$تتشكل المدارات، أي أن المدار الناتج هو: $${\displaystyle \psi (\mathbf {r} _{1},\,\,\mathbf {r} _{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(u_{A}(\mathbf {r} _{1})u_{B}(\mathbf {r} _{2})+u_{B}(\mathbf {r} _{1})u_{A}(\mathbf {r} _{2})\يمين)}$$

هنا، يشير الناتج الأخير إلى أن الإلكترون الأول، r1 _، موجود في مدار ذري للهيدروجين متمركز حول النواة الثانية، بينما يدور الإلكترون الثاني حول النواة الأولى. تُعبّر ظاهرة "التبادل" هذه عن خاصية ميكانيكية كمومية مفادها أنه لا يمكن التمييز بين الجسيمات ذات الخصائص المتطابقة. وهي خاصية مميزة ليس فقط لتكوين الروابط الكيميائية ، بل أيضًا للمغناطيسية. أي أنه في هذا السياق، ينشأ مصطلح " تفاعل التبادل" ، وهو مصطلح أساسي لأصل المغناطيسية، وأقوى، بما يقارب 100 ضعف، بل وحتى 1000 ضعف، من الطاقات الناتجة عن تفاعل ثنائي القطب الكهروضوئي.

أما بالنسبة لوظيفة الدوران${\displaystyle \chi (s_{1},s_{2})}$، وهو المسؤول عن المغناطيسية، لدينا مبدأ باولي المذكور سابقًا، وهو أن المدار المتناظر (أي ذو الإشارة الموجبة كما سبق) يجب ضربه بدالة دوران غير متناظرة (أي ذات الإشارة السالبة)، والعكس صحيح . وبالتالي: $${\displaystyle \chi (s_{1},\,\,s_{2})={\frac {1}{\sqrt {2}}}\,\,\left(\alpha (s_{1})\beta (s_{2})-\beta (s_{1})\alpha (s_{2})\right)}$$أي ليس فقط${\displaystyle u_{A}}$و${\displaystyle u_{B}}$يجب استبدالها بـ α و β على التوالي (الأول يعني "دوران لأعلى"، والثاني يعني "دوران لأسفل")، وكذلك الإشارة + بالإشارة −، وأخيرًا r _i بالقيم المنفصلة s _i (=  ± 1 ⁄ 2 )؛ وبالتالي لدينا${\displaystyle \alpha (+1/2)=\beta (-1/2)=1}$و${\displaystyle \alpha (-1/2)=\beta (+1/2)=0}$تعني " الحالة المفردة "، أي الإشارة السالبة (-)، أن اللف المغزلي متعاكس ، أي أن المادة الصلبة تتميز بخاصية مضادة للمغناطيسية الحديدية ، بينما تتميز الجزيئات ثنائية الذرات بخاصية مغناطيسية معاكسة . يؤدي ميل الجزيئات لتكوين رابطة كيميائية (متجانسة القطبية) (أي تكوين مدار جزيئي متناظر ، أي الإشارة الموجبة (+))، وفقًا لمبدأ باولي، إلى حالة لف مغزلي غير متناظرة (أي الإشارة السالبة (-)). في المقابل، يؤدي التنافر الكولومبي للإلكترونات، أي ميلها لتجنب بعضها البعض، إلى دالة مدارية غير متناظرة (أي الإشارة السالبة (-)) لهذين الجسيمين، وهي دالة مكملة لدالة اللف المغزلي المتناظرة (أي الإشارة الموجبة (+)، وهي إحدى الدوال الثلاثية ). وبالتالي، يصبح اللف المغزلي متوازيًا ( مغناطيسية حديدية في المواد الصلبة، ومغناطيسية مسايرة في الغازات ثنائية الذرات).

تسود الخاصية الأخيرة في معادن الحديد والكوبالت والنيكل ، وفي بعض العناصر الأرضية النادرة، وهي معادن مغناطيسية حديدية . أما معظم المعادن الأخرى، حيث تسود الخاصية الأولى، فهي غير مغناطيسية (مثل الصوديوم والألومنيوم والمغنيسيوم ) أو مضادة للمغناطيسية الحديدية ( مثل المنغنيز ). كما أن الغازات ثنائية الذرة تكاد تكون مغناطيسية معاكسة بشكل حصري، وليست مغناطيسية مسايرة . ومع ذلك، يُعد جزيء الأكسجين، بسبب مشاركة مدارات باي، استثناءً مهمًا لعلوم الحياة.

يمكن تعميم اعتبارات هيتلر-لندن إلى نموذج هايزنبرغ للمغناطيسية (هايزنبرغ 1928).

وبالتالي فإن تفسير هذه الظواهر يعتمد أساساً على جميع تفاصيل ميكانيكا الكم، في حين أن الديناميكا الكهربائية تغطي بشكل رئيسي الظواهر.

• وجبات خفيفة علمية من إكسبلوراتوريوم - الموضوع: الفيزياء/الكهرباء والمغناطيسية. مؤرشفة بتاريخ 7 أبريل 2013 على موقع Wayback Machine.
• مجموعة من الهياكل المغناطيسية - MAGNDATA، مؤرشفة بتاريخ 30 سبتمبر 2023 على موقع Wayback Machine