مواد دیامغناطیس: دفعشدگان ضعیف میدان مغناطیسی
مغناطیس چیست و مواد چگونه طبقهبندی میشوند؟
همه ما با آهنربا و جذب میخهای آهنی آشنا هستیم. اما آیا میدانستید که همه مواد، از چوب و پلاستیک گرفته تا آب و حتی بدن ما، در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان میدهند؟ این واکنشها بسیار متنوع و عمدتاً بسیار ضعیف هستند. دانشمندان مواد را بر اساس نوع عکسالعملشان در برابر میدان مغناطیسی خارجی به سه دسته اصلی تقسیم میکنند: فرومغناطیس (مانند آهن که به شدت جذب میشود)، پارامغناطیس (مانند آلومینیوم که به طور ضعیف جذب میشود) و دیامغناطیس (مانند آب که به طور ضعیف دفع میشود).
برای درک بهتر دیامغناطیس، یک مثال ساده بزنیم. یک تکه چوب پنبه را روی سطح آب تصور کنید. اگر انگشت خود را به آرامی به آن نزدیک کنید، چوب پنبه جذب انگشت شما نمیشود، بلکه کمی کنار میرود. مواد دیامغناطیس نیز در مقابل میدان مغناطیسی رفتاری مشابه دارند: آنها سعی میکنند خود را از ناحیهای که میدان قویتر است به ناحیهای با میدان ضعیفتر برسانند. این پدیده شناورسازی مغناطیسی اجسام را ممکن میسازد.
راز دفع: سفری به درون اتم
برای فهمیدن دلیل این رفتار دافعهای، باید به درون اتمها سفر کنیم. درون هر اتم، الکترونها در حال چرخش به دور هسته هستند. حرکت الکترونها مانند یک جریان الکتریکی کوچک، یک میدان مغناطیسی بسیار ریز ایجاد میکند. در بیشتر مواد، این میدانهای ریز در جهات مختلف هستند و یکدیگر را خنثی میکنند، بنابراین ماده در حالت عادی خاصیت مغناطیسی از خود نشان نمیدهد.
اما وقتی یک میدان مغناطیسی خارجی به ماده اعمال میشود، اتفاق جالبی رخ میدهد. بر اساس قانون القای فارادی، تغییر میدان مغناطیسی باعث ایجاد جریان الکتریکی میشود. در واقع، میدان خارجی سرعت حرکت الکترونها را در مدارشان به گونهای تغییر میدهد که آنها یک میدان مغناطیسی جدید و بسیار ضعیف در خلاف جهت میدان خارجی ایجاد کنند. این میدان جدید همان میدان دافعهای است. این اثر در همه مواد وجود دارد، اما در مواد فرومغناطیس و پارامغناطیس، اثرات جاذبه بسیار قویتر از این اثر دافعه هستند و آن را میپوشانند. در مواد دیامغناطیس، اتمها الکترونهای جفتشده دارند و هیچ اثر جاذبهای برای پوشاندن این دافعه وجود ندارد، بنابراین اثر دیامغناطیس آشکار میشود.
معروفترین مواد دیامغناطیس و قدرت آنها
شاید جالب باشد بدانید که بسیاری از مواد اطراف ما دیامغناطیس هستند. آب، چوب، پلاستیک، سنگآهک، نمک طعام و حتی بافتهای بدن انسان (به دلیل محتوای بالای آب) همگی خاصیت دیامغناطیسی ضعیفی دارند. اما برخی مواد این خاصیت را قویتر نشان میدهند. در اینجا به چند نمونه برجسته اشاره میکنیم:
| ماده | نماد شیمیایی | پذیرفتاری مغناطیسی ($ \chi $) | قدرت نسبی دیامغناطیس |
|---|---|---|---|
| بیسموت | Bi | -16.6 × 10⁻⁵ | قوی |
| گرافیت (محور عمود بر لایهها) | C | -16.0 × 10⁻⁵ | قوی |
| مس | Cu | -0.96 × 10⁻⁵ | متوسط |
| آب | H₂O | -0.72 × 10⁻⁵ | ضعیف |
همانطور که در جدول میبینید، بیسموت و گرافیت قویترین مواد دیامغناطیس شناخته شده هستند. جالب است بدانید که اگر یک آهنربای قوی به یک تکه بیسموت نزدیک کنید، به جای جذب، به آرامی از آن دور میشود. این دافعه در بیسموت به قدری قابل توجه است که میتوان آن را در آزمایشگاه به سادگی مشاهده کرد.
کاربردهای شگفتانگیز دیامغناطیس در فناوری
اگرچه دیامغناطیس یک اثر ضعیف است، اما در فناوریهای پیشرفته کاربردهای مهمی پیدا کرده است. یکی از مشهورترین کاربردهای آن، پدیده شناورسازی مغناطیسی (Maglev) است. شاید با دیدن فیلمهایی از قطارهایی که روی ریل شناور هستند و با سرعت بسیار بالا حرکت میکنند، فکر کنید که این شناور شدن به دلیل آهنرباهای قوی و جاذبه است، اما در برخی از این فناوریها از خاصیت دیامغناطیس استفاده میشود.
به عنوان مثال، صفحات ضخیم از جنس گرافیت (یک ماده دیامغناطیس قوی) را میتوان روی یک آرایه از آهنرباهای قابوس (Neodymium) شناور کرد. میدان مغناطیسی آهنرباها، میدان دافعهای در گرافیت ایجاد میکند و آن را در هوا معلق نگه میدارد. این فناوری نه تنها در قطارهای سریعالسیر، بلکه در ساخت بلبرینگهای بدون اصطکاک برای چرخهای طیفسنج و سایر ابزارهای دقیق نیز کاربرد دارد.
کاربرد دیگر در آزمایشهای علمی است. دانشمندان از میدانهای مغناطیسی بسیار قوی برای شناورسازی قطرات آب یا حتی موجودات زنده کوچک مانند قورباغه استفاده کردهاند! از آنجایی که آب و بافتهای زنده دیامغناطیس هستند، یک میدان مغناطیسی به اندازه کافی قوی میتواند نیروی دافعهای برابر با وزن آنها ایجاد کرده و آنها را معلق کند. این آزمایشها به درک بهتر اثرات بیوزنی در فضا بر روی موجودات زنده کمک میکند.
چالشهای مفهومی
خیر. اثر دیامغناطیس بسیار ضعیف است. برای مشاهده دافعه آشکار در یک ماده مانند بیسموت یا گرافیت، به آهنرباهای بسیار قوی مانند آهنرباهای نئودیمیومی نیاز دارید. با آهنرباهای معمولی فریت (خاکستریرنگ) که روی یخچال میچسبانید، نمیتوان این اثر را به خوبی دید.
به دلیل ضعیف بودن نیروی دیامغناطیس. نیروی دافعه ایجاد شده در حجم کم آب داخل لیوان در مقابل آهنربای معمولی، ناچیزتر از آن است که بتواند بر نیروی وزن آب و چسبندگی آن به لیوان غلبه کند. برای جابجایی آب به میدانهای مغناطیسی فوقالعاده قوی نیاز است.
ابررساناها حالت خاصی از دیامغناطیس را نشان میدهند که به آن دیامغناطیس کامل یا اثر مایسنر (Meissner effect) میگویند. تفاوت اصلی در قدرت است. یک ماده دیامغناطیس معمولی میدان مغناطیسی را بسیار ضعیف دفع میکند، اما یک ابررسانا میدان را به طور کامل از درون خود بیرون میراند و آن را کاملاً دفع میکند. به عبارت دیگر، یک ابررسانا یک دیامغناطیس بینقص است.
مواد دیامغناطیس بخش جداییناپذیر و جذاب از دنیای مغناطیس هستند. برخلاف تصور عمومی که مغناطیس را تنها با جاذبه میشناسد، این مواد به ما نشان میدهند که دافعه نیز یک واکنش مغناطیسی پایهای است. این پدیده که ریشه در رفتار الکترونها در مقابل میدان خارجی دارد، در تمام مواد وجود دارد اما تنها در غیاب اثرات جاذبه قویتر، خود را نشان میدهد. از آب و بدن انسان گرفته تا بیسموت و گرافیت، همگی دیامغناطیس هستند. اگرچه این اثر ضعیف است، اما با استفاده از میدانهای مغناطیسی قوی، میتوان از آن برای دستیابی به شناوری بدون تماس استفاده کرد؛ فناوری که آینده حمل و نقل و ابزارهای دقیق را متحول کرده است.
پاورقی
2 فرومغناطیس (Ferromagnetism): خاصیت مواد مانند آهن که در آن، گشتاورهای مغناطیسی اتمها در یک جهت همخط شده و ماده به شدت جذب میدان خارجی میشود.
3 پارامغناطیس (Paramagnetism): خاصیت موادی مانند آلومینیوم که در آن، گشتاورهای مغناطیسی اتمها در جهت میدان خارجی قرار گرفته و ماده به طور ضعیفی جذب میشود.
4 پذیرفتاری مغناطیسی (Magnetic Susceptibility): معیاری کمی از میزان مغناطیسی شدن یک ماده در یک میدان مغناطیسی خارجی.
5 شناورسازی مغناطیسی (Magnetic Levitation): پدیدهای که در آن یک جسم بدون تماس فیزیکی و تنها با استفاده از نیروی مغناطیسی در هوا معلق میماند.
