Niewidzialne siły — magnetyzm i elektryczność statyczna — to jedne z najbardziej fascynujących zjawisk nauki dla dzieci. W przeciwieństwie do popychania i ciągnięcia przedmiotów, które się dotykają, te siły działają przez pustą przestrzeń, tworząc efekty, które wyglądają jak magia: magnesy przyciągające spinacze bez dotykania ich, włosy stające dęba po potarciu balonem, kompasy wskazujące północ w każdym miejscu na Ziemi. Zrozumienie tych sił otwiera drzwi do nauki o elektryczności, generatorach, silnikach i elektronice.
Magnetyzm powstaje z poruszających się ładunków elektrycznych — w magnesach trwałych są to ułożone spiny elektronów (kwantowe momenty magnetyczne) w atomach żelaza, kobaltu lub niklu, tworzące domeny magnetyczne. Elektryczność statyczna powstaje przez przenoszenie elektronów między materiałami podczas ich pocierania, przez co jeden materiał zyskuje ładunek dodatni, a drugi ujemny. Obie te siły są przejawami siły elektromagnetycznej — jednej z czterech podstawowych sił natury, opisanej równaniami Maxwella.
Zjednoczenie elektryczności i magnetyzmu przez Jamesa Clerka Maxwella w 1865 roku było jednym z największych osiągnięć w fizyce. Jego cztery równania pokazały, że zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne i na odwrót, przewidując fale elektromagnetyczne (światło, fale radiowe, promieniowanie rentgenowskie), poruszające się z prędkością światła. Ten teoretyczny triumf doprowadził do wynalezienia radia, telewizji, radaru, urządzeń MRI i całej współczesnej elektroniki — a wszystko to wywodzi się z niewidzialnych sił, które dzieci obserwują za pomocą magnesów i balonów.
Magnesy tworzą pole magnetyczne, które rozciąga się w przestrzeni. Gdy żelazo znajdzie się w tym polu, powoduje ono częściowe ułożenie spinów elektronów w atomach żelaza, przez co żelazo staje się tymczasowo magnetyczne, z przeciwną biegunowością. Ten wywołany magnetyzm jest przyciągany do pierwotnego magnesu, co daje siłę, którą obserwujemy. Siła ta maleje bardzo szybko wraz z odległością (jak 1/r³ dla pola dipolowego).
Pocieranie balonu o włosy przenosi elektrony z włosów na balon, nadając balonowi ładunek ujemny, a włosom ładunek dodatni. Ujemnie naładowany balon w pobliżu ściany wywołuje niewielki ładunek dodatni na powierzchni ściany, co ją przyciąga. To elektrostatyczne przyciąganie (elektryczność statyczna) utrzymuje balon przy ścianie, dopóki ładunek stopniowo nie rozproszy się przez powietrze lub ścianę.
Materiały są magnetyczne, jeśli ich atomy mają niesparowane elektrony, których momenty magnetyczne mogą się ułożyć równolegle. Żelazo, kobalt i nikiel są ferromagnetyczne — ich atomy tworzą uporządkowane domeny magnetyczne, które silnie reagują na pola zewnętrzne i mogą stać się magnesami trwałymi. Większość innych materiałów jest paramagnetyczna (słaby, tymczasowy magnetyzm) lub diamagnetyczna (bardzo słabo odpychana przez magnesy). Elektrony w materiałach nieferromagnetycznych mają sparowane spiny, które się wzajemnie znoszą.
Tak. Wielokrotne pocieranie igły stalowej w jednym kierunku silnym magnesem trwałym ustawia domeny magnetyczne w igle w jednym kierunku, namagnesowując ją. Igła może wtedy unosić się na wodzie na listku i wskazywać kierunek północ-południe jak kompas. Nawinięcie drutu na gwóźdź i podłączenie go do baterii (elektromagnes) tworzy tymczasowy magnes, który można włączać i wyłączać.
Tak — na fundamentalnym poziomie elektryczność i magnetyzm to dwa aspekty tej samej siły elektromagnetycznej. W fizyce klasycznej równania Maxwella je jednoczą: zmieniające się pole magnetyczne tworzy pole elektryczne, a zmieniające się pole elektryczne tworzy pole magnetyczne. W szczególnej teorii względności pole magnetyczne obserwowane w jednym układzie odniesienia jawi się jako pole elektryczne w innym poruszającym się układzie, co pokazuje, że są to naprawdę to samo zjawisko widziane z różnych perspektyw.