میدان مغناطیسی: ناحیه‌ای پیرامون آهنربا یا رسانای حامل جریان که در آن نیروی مغناطیسی اثر می‌کند.

میدان مغناطیسی: نیروی نامرئی در اطراف ما

میدان مغناطیسی چیست و چگونه آن را توصیف می‌کنیم؟

میدان مغناطیسی مانند یک «فضای نیرو» در اطراف آهنربا است. اگر یک آهنربای کوچک (مثلاً یک سوزن مغناطیسی شده) را به یک آهنربای نعلی شکل نزدیک کنید، می‌بینید که حتی بدون تماس، نیرویی به آن وارد می‌شود. این نیرو به دلیل وجود میدان مغناطیسی است. برای نمایش این میدان نامرئی از مفهومی به نام خطوط میدان مغناطیسی استفاده می‌کنیم.

منشأ میدان مغناطیسی: آهنربای دائم و الکترومغناطیس

میدان‌های مغناطیسی از دو منبع اصلی ایجاد می‌شوند:

1. آهنرباهای دائم²: موادی مانند آهن، نیکل، کبالت و برخی آلیاژهای خاص که میدان مغناطیسی دائمی خود را دارند. اتم‌های این مواد مانند آهنرباهای ریزی هستند که در یک جهت منظم قرار گرفته‌اند و میدان کلی قوی ایجاد می‌کنند. آهنربای یخچال یا درون بلندگوهای کوچک مثال‌هایی از این نوع هستند.

2. الکترومغناطیس³ (آهنربای الکتریکی): وقتی جریان الکتریکی از یک سیم عبور می‌کند، در اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود. این کشف مهم توسط هانس کریستین اورستد انجام شد. اگر این سیم را به شکل فنر (سیم‌پیچ) درآوریم یا دور یک هسته آهنی بپیچیم، میدان بسیار قوی‌تری ایجاد می‌شود که با قطع جریان، از بین می‌رود. این اصل اساس کار زنگ در مدرسه، جرثقیل‌های مغناطیسی در آهن‌آلات و حتی $\text{MRI}$⁶ است.

میدان مغناطیسی زمین: سپر محافظ سیاره آبی

زمین خود یک آهنربای غول‌آسا است! هسته بیرونی مذاب زمین که از آهن و نیکل تشکیل شده، با حرکت خود میدان مغناطیسی وسیعی ایجاد می‌کند. این میدان دو نقش حیاتی دارد:

الف) راهنمای طبیعی: قطبنما کار می‌کند زیرا سوزن مغناطیسی آن خود را با میدان مغناطیسی زمین هم‌راستا می‌کند و به سمت شمال مغناطیسی⁸ اشاره می‌کند.

ب) محافظ در برابر بادهای خورشیدی: خورشید ذرات باردار پرانرژی به سوی زمین می‌فرستد. میدان مغناطیسی زمین مانند یک سپر، بیشتر این ذرات را به دور از سطح زمین منحرف می‌کند و از جو محافظت می‌نماید. برخورد این ذرات با مولکول‌های هوا در قطب‌ها، پدیده زیبای شفق قطبی را ایجاد می‌کند.

کاربردهای شگفت‌انگیز در فناوری و زندگی روزمره

میدان‌های مغناطیسی بخشی جدایی‌ناپذیر از فناوری مدرن هستند. در اینجا به چند نمونه ملموس اشاره می‌کنیم:

• موتورهای الکتریکی: قلب تپنده بسیاری از وسایل از پنکه و آب‌میوه‌گیری گرفته تا خودروهای برقی. در این موتورها، تعامل بین میدان‌های مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنرباهای دائم و سیم‌پیچ‌های حامل جریان، باعث چرخش محور موتور می‌شود.

• دستگاه‌های پزشکی: دستگاه $\text{MRI}$ از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و امواج رادیویی برای ایجاد تصاویر دقیق از اندام‌های داخلی بدن استفاده می‌کند.

• ذخیره‌سازی اطلاعات: هارد دیسک کامپیوتر شما داده‌ها را روی صفحاتی پوشیده از مواد مغناطیسی ذخیره می‌کند. یک سر خواندن/نوشتن که با میدان مغناطیسی کار می‌کند، این اطلاعات را می‌خواند یا تغییر می‌دهد.

• قطارهای مگلو (مغناطیسی شناور): این قطارها با استفاده از نیروی دافعه مغناطیسی قوی، بالاتر از ریل شناور می‌شوند و با اصطکاک بسیار کم، با سرعت‌های فوق‌العاده‌ای حرکت می‌کنند.

پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج

پاورقی

¹ میدان مغناطیسی (Magnetic Field): ناحیه‌ای که در آن نیروی مغناطیسی اثر می‌کند.

² آهنربای دائم (Permanent Magnet): ماده‌ای که میدان مغناطیسی خود را برای مدت طولانی حفظ می‌کند.

³ الکترومغناطیس (Electromagnetism): شاخه‌ای از فیزیک که به مطالعه برهم‌کنش بین الکتریسیته و مغناطیس می‌پردازد و همچنین به آهنربای ساخته‌شده با پیچیدن سیم حامل جریان به دور یک هسته آهنی اطلاق می‌شود.

⁴ قطب شمال (North Pole, N): قطب آهنربا که پس از آزاد شدن، به سمت قطب شمال جغرافیایی زمین می‌چرخد.

⁵ قطب جنوب (South Pole, S): قطب مقابل قطب شمال آهنربا.

⁶MRI: تصویرسازی تشدید مغناطیسی (Magnetic Resonance Imaging)، یک روش تصویربرداری پزشکی.

⁷ القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction): پدیده‌ای که در آن تغییر میدان مغناطیسی درون یک حلقه سیم، باعث ایجاد جریان الکتریکی در آن می‌شود.

⁸ شمال مغناطیسی (Magnetic North): نقطه‌ای در نیمکره شمالی که خطوط میدان مغناطیسی زمین به صورت عمودی وارد آن می‌شوند. با شمال جغرافیایی کاملاً منطبق نیست.

⁹ فرومغناطیس (Ferromagnetism): قوی‌ترین نوع خاصیت مغناطیسی در برخی مواد مانند آهن که باعث جذب قوی آنها به آهنربا می‌شود.