خاصیت مغناطیسی: دنیای نادیدنی نیروها
مغناطیس چیست و از کجا میآید؟
تا به حال یک آهنربا را دیدهاید؟ میدانید چرا برخی اجسام فلزی را جذب میکند؟ پاسخ در دنیای کوچک و نادیدنی اتمها نهفته است. در مرکز هر اتم، یک هسته و اطراف آن، الکترونها در حرکت هستند. این حرکت الکترونها دو خاصیت مهم ایجاد میکند: ۱. میدان الکتریکی ۲. میدان مغناطیسی[3]. میتوانید میدان مغناطیسی را مانند یک حوزهٔ نفوذ نامرئی نیرو در اطراف آهنربا تصور کنید.
در بیشتر مواد، این میدانهای مغناطیسی کوچک اتمی به صورت نامنظم قرار گرفتهاند و یکدیگر را خنثی میکنند. اما در موادی مانند آهن، نیکل و کبالت، گروههایی از اتمها (که به آنها حوزههای مغناطیسی[4] میگویند) خود را با یکدیگر همراستا میکنند. هنگامی که این حوزهها در یک جهت منظم قرار بگیرند، جسم تبدیل به یک آهنربا میشود و خاصیت مغناطیسی قوی از خود نشان میدهد. این فرآیند را مغناطیده شدن مینامند.
انواع مواد از نظر رفتار مغناطیسی
همه مواد به یک شکل به آهنربا پاسخ نمیدهند. بر اساس رفتارشان در میدان مغناطیسی، آنها را به چند دستهٔ اصلی تقسیم میکنیم. این دستهبندی به درک بهتر موضوع کمک زیادی میکند.
| نوع ماده | رفتار در میدان مغناطیسی | شدت جذب/دفع | مثال ملموس |
|---|---|---|---|
| فرومغناطیسجذب قوی | به شدت جذب آهنربا میشوند. میتوانند مغناطیسی شوند (تبدیل به آهنربا شوند) و خاصیت خود را حفظ کنند. | خیلی قوی | آهن، فولاد (مثل میخ)، نیکل، کبالت. آهنربای یخچال. |
| پارامغناطیس | ضعیف جذب آهنربا میشوند. وقتی در میدان باشند کمی خاصیت مغناطیسی پیدا میکنند و با حذف میدان، آن را از دست میدهند. | بسیار ضعیف (معمولاً با چشم دیده نمیشود) | منیزیم، مولیبدن، لیتیوم، اکسیژن مایع. |
| دیامغناطیسدفع ضعیف | از مناطق قوی میدان مغناطیسی به آرامی دور میشوند (دفع میشوند). این یک خاصیت ذاتی در همه مواد است اما معمولاً ضعیفتر از جاذبهٔ مواد دیگر است. | بسیار ضعیف | مس، طلا، نقره، آب، بیشتر مواد آلی مانند چوب و پلاستیک. |
قطبهای آهنربا و قانون جذب و دفع
اگر یک آهنربای میلای را آزادانه آویزان کنید، به گونهای میایستد که یک سر آن به سمت شمال جغرافیایی و سر دیگر به سمت جنوب جغرافیایی اشاره کند. به این سرها، قطب شمال (N)[7] و قطب جنوب (S)[8] مغناطیسی میگویند. یک قانون طلایی در مغناطیس وجود دارد:
قطبهای همنام یکدیگر را میرانند و قطبهای ناهمنام یکدیگر را میکشند.
یعنی اگر دو قطب N را به هم نزدیک کنید، احساس میکنید نیرویی بین آنها فاصله ایجاد میکند. برعکس، اگر قطب N یک آهنربا را به قطب S آهنربای دیگر نزدیک کنید، به سرعت به هم میچسبند. همیشه نیروی مغناطیسی از قطب N خارج و به قطب S وارد میشود. خطوطی که این مسیر نیرو را نشان میدهند، خطوط میدان مغناطیسی نامیده میشوند.
مغناطیس در خدمت انسان: از آشپزخانه تا فناوریهای پیشرفته
شاید فکر کنید مغناطیس فقط مربوط به بازی با آهنربا یا چسباندن یادداشت به در یخچال است. اما این خاصیت به بخشی جداییناپذیر از زندگی مدرن تبدیل شده است. در اینجا به چند کاربرد مهم و ملموس اشاره میکنیم:
۱. تولید برق (ژنراتورها): قلب بسیاری از نیروگاهها (آبی، بادی، حرارتی) یک ژنراتور است. در ژنراتور، یک آهنربای قوی در مرکز سیمپیچهای زیادی میچرخد. این چرخش، میدان مغناطیسی متغیری ایجاد میکند که در سیمپیچها جریان الکتریکی به راه میاندازد. پس از حرکت مکانیکی (چرخش) با کمک مغناطیس، برق تولید میشود. معکوس این فرآیند در موتورهای الکتریکی اتفاق میافتد؛ یعنی با برق، یک میدان مغناطیسی ایجاد میشود که باعث چرخش موتور میگردد (مثل پنکه، آبمیوهگیری، در بازکن برقی).
۲. پزشکی (MRI): یکی از پیشرفتهترین دستگاههای عکسبرداری، امآرآی است که از میدانهای مغناطیسی بسیار قوی و امواج رادیویی برای تهیه تصویر دقیقی از درون بدن استفاده میکند. این دستگاه بدون تابش خطرناک اشعهایکس، میتواند بافتهای نرم مانند مغز و ماهیچهها را به وضوح نشان دهد.
۳. ذخیرهسازی اطلاعات: هارددیسک کامپیوتر شما چگونه اطلاعات را ذخیره میکند؟ سطح دیسک با مواد مغناطیسی پوشیده شده است. یک هد مغناطیسی بسیار کوچک، مناطق مختلف این سطح را به دو حالت مغناطیسی (مثلاً شمال یا جنوب) درمیآورد. این دو حالت، معادل صفر و یک دیجیتال (دادههای کامپیوتری) هستند. کارتهای مغناطیسی (مانند کارت عابر بانک قدیمی) هم از همین اصل استفاده میکنند.
۴. جداسازی مواد: در بسیاری از صنایع بازیافت، از آهنرباهای غولپیکر برای جدا کردن مواد فلزی آهنی (فرومغناطیس) از سایر زبالهها استفاده میشود. این آهنرباها قطعات بزرگ آهن و فولاد را از روی نوار نقاله بلند میکنند.
۵. قطارهای مغناطیسی (مگلو): این قطارهای پیشرفته با استفاده از نیروی مغناطیسی، روی ریل شناور میمانند و اصطکاک بسیار کمی دارند. همین امر به آنها اجازه میدهد با سرعتهای بسیار بالا (بیش از 500 کیلومتر بر ساعت) حرکت کنند. نیروی رانش و شناوری هر دو توسط آهنرباهای الکتریکی قوی تأمین میشود.
آزمایشهای ساده و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. نیروی مغناطیسی در دو انتهای آهنربا (قطبها) بیشترین شدت را دارد. در وسط آهنربا (ناحیهٔ خنثی) تقریباً نیروی جذبی وجود ندارد. شما میتوانید این را با نزدیک کردن یک میخ به نقاط مختلف یک آهنربای میلای آزمایش کنید.
پاسخ: خیر، این یک اشتباه رایج است. آهنربا دارای حوزههای مغناطیسی است. با برش آهنربا، هر تکه دوباره خود به یک آهنربای کامل با دو قطب N و S تبدیل میشود. شما میتوانید این کار را به طور تئوری ادامه دهید تا به اندازهٔ اتم برسید! در واقع، قطب مغناطیسی تنها (تکقطب) به طور طبیعی یافت نشده است.
پاسخ: همانطور که در جدول دیدیم، این به نوع فلز و ساختار اتمی آن برمیگردد. فلزاتی که خاصیت فرومغناطیس دارند (مانند آهن، فولاد، نیکل، کبالت) به شدت جذب میشوند. فلزات دیگر مانند مس، طلا و آلومینیوم یا پارامغناطیس ضعیف هستند یا دیامغناطیس، بنابراین یا بسیار ضعیف جذب میشوند یا اصلاً جذب قابل مشاهدهای ندارند (و حتی دفع خفیفی از خود نشان میدهند).
پاورقی و واژهنامه
1.خاصیت مغناطیسی (Magnetic Property): توانایی یک ماده برای جذب یا دفع مواد دیگر تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی.
2.فرومغناطیس (Ferromagnetism): قویترین نوع رفتار مغناطیسی که در موادی مانند آهن دیده میشود و منجر به جذب قوی و امکان مغناطیسی شدن دائمی میشود.
3.میدان مغناطیسی (Magnetic Field): ناحیهای در اطراف آهنربا یا جریان الکتریکی که در آن نیروی مغناطیسی احساس میشود. با خطوط میدان نشان داده میشود.
4.حوزه مغناطیسی (Magnetic Domain): نواحی کوچکی در یک ماده فرومغناطیس که در آن گشتاورهای مغناطیسی اتمها همراستا هستند.
5.اسپین (Spin): یک خاصیت کوانتومی ذاتی ذرات بنیادی مانند الکترون که مانند چرخش به دور خود عمل میکند و منبعی برای گشتاور مغناطیسی است.
6.الکترومغناطیس (Electromagnetism): شاخهای از فیزیک که به مطالعه پدیدههای حاصل از ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس میپردازد.
7.قطب شمال (N) مغناطیسی: سر یک آهنربا که پس از آزادانه آویزان شدن، به سمت قطب شمال جغرافیایی زمین اشاره میکند.
8.قطب جنوب (S) مغناطیسی: سر یک آهنربا که پس از آزادانه آویزان شدن، به سمت قطب جنوب جغرافیایی زمین اشاره میکند.
