قطب‌های آهنربا: راز نیروی نامرئی
آهنربا چیست و قطب‌های آن چگونه شکل می‌گیرند؟
آهنربا جسمی است که می‌تواند ذرات آهن، نیکل، کبالت و برخی فلزات دیگر را به خود جذب کند. این خاصیت که مغناطیس نام دارد، به دلیل آرایش خاص الکترون‌ها در اتم‌های مواد تشکیل‌دهندهٔ آهنربا است. هر آهنربا، بدون توجه به شکل یا اندازه‌اش، دو ناحیهٔ اصلی با قدرت جذب بالا دارد که به آن‌ها قطب‌های آهنربا می‌گوییم. این قطب‌ها را به نام‌های قطب شمال (N) و قطب جنوب (S) می‌شناسیم.
یک آزمایش ساده برای پیدا کردن قطب‌ها: اگر یک آهنربای میلۀیی را درون ظرفی پر از میخ‌های ریز فرو ببرید، میبینید که بیشتر میخ‌ها به دو انتهای میله می‌چسبند. این دو انتها، همان قطب‌های آهنربا هستند. ناحیۀ وسط که میخ کمتری جذب می‌کند، ناحیهٔ خنثی نام دارد.
قانون طلایی قطب‌ها: جذب و دفع
رفتار قطب‌های آهنرباها در برابر یکدیگر از یک قانون بسیار ساده و مهم پیروی می‌کند:
یعنی: شمال (N) و جنوب (S) → جذب || شمال (N) و شمال (N) → دفع || جنوب (S) و جنوب (S) → دفع
می‌توانید این قانون را به راحتی آزمایش کنید. دو آهنربا بردارید و سعی کنید قطب N یکی را به قطب S دیگری نزدیک کنید. احساس خواهید کرد که یک نیروی نامرئی آن‌ها را به سمت هم می‌کشد. حالا سعی کنید دو قطب N را به هم نزدیک کنید. این بار احساس می‌کنید که یک نیرو مانع از به هم چسبیدن آن‌ها می‌شود.
نیروی بین قطب‌ها را می‌توان با فرمولی شبیه به قانون جاذبه نشان داد. شدت نیروی مغناطیسی (F) بین دو قطب به فاصله بین آن‌ها (r) و قدرت خود قطب‌ها (m1 و m2) بستگی دارد: $ F \propto \dfrac{m_1 m_2}{r^2} $
انواع آهنرباها و ویژگی‌های قطب‌های آن‌ها
آهنرباها به طور کلی به دو دستهٔ دائمی و موقت تقسیم می‌شوند. ویژگی قطب‌ها در انواع مختلف، کمی متفاوت است.
| نوع آهنربا | توضیح | مثال |
|---|---|---|
| دائمی | مادۀ سازنده آن به گونه‌ای است که برای مدت زمان طولانی خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می‌کند. قطب‌های آن ثابت هستند. | آهنربای یخچال، آهنربای موجود در بلندگوها |
| موقت | فقط در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی، مانند نزدیک شدن به یک آهنربای قوی، آهنربا می‌شود و با حذف آن میدان، خاصیت خود را از دست می‌دهد. | یک میخ آهنی که به آهنربا چسبیده است |
| الکترومغناطیس | با عبور جریان الکتریکی از یک سیم پیچ حول یک هسته آهنی ایجاد می‌شود. قطب‌های آن را می‌توان با تغییر جهت جریان معکوس کرد. بسیار قوی و قابل کنترل است. | آهنربای استفاده می‌شود جرثقیل‌های قراضه، زنگ درب الکتریکی |
میدان مغناطیسی: نقشهٔ نامرئی نیروی آهنربا
فضای اطراف آهنربا که در آن نیروی مغناطیسی احساس می‌شود، میدان مغناطیسی نام دارد. این میدان نامرئی است، اما می‌توان آن را با کمک براده‌های آهن مشاهده کرد. اگر یک صفحه کاغذ را روی یک آهنربا قرار دهید و براده‌های آهن را روی آن بپاشید، براده‌ها خود را به شکل خطوطی منحنی مرتب می‌کنند که به آن‌ها خطوط میدان مغناطیسی می‌گویند.
ویژگی‌های خطوط میدان مغناطیسی:
شناخت قطب‌ها و میدان‌های مغناطیسی، پایهٔ ساخت بسیاری از ابزارهای مدرن است. در بسیاری از این ابزارها، از نیروی جاذبه و دافعه بین قطب‌ها یا از خاصیت جهت‌گیری آن‌ها استفاده می‌شود. قطبنما: سوزن قطبنما خود یک آهنربای کوچک است که می‌تواند آزادانه بچرخد. قطب شمال این سوزن همیشه به سمت قطب جنوب مغناطیسی زمین (که در شمال جغرافیایی قرار دارد) منحرف می‌شود. این خاصیت به مسیریابی کمک بزرگی می‌کند. موتورهای الکتریکی: داخل یک موتور ساده، یک آهنربای دائمی و یک الکترومغناطیس وجود دارد. با عبور جریان از الکترومغناطیس، قطب‌های آن به وجود می‌آیند. نیروی دافعه و جاذبه بین این قطب‌ها و قطب‌های آهنربای دائمی، باعث چرخش موتور می‌شود. این اصل در پنکه، آبمیوه‌گیری و اسباب‌بازی‌ها استفاده می‌شود. دستگاه ام‌آر آی (MRI)[1]: این دستگاه پزشکی بسیار پیشرفته از یک آهنربای ابررسانا با میدان مغناطیسی فوق‌العاده قوی استفاده می‌کند. این میدان باعث می‌شود پروتون‌های درون بدن بیمار در راستای خاصی قرار بگیرند و تصاویر دقیقی از درون بدن ایجاد شود. درهای مغناطیسی: بسیاری از درهای کابینت یا یخچال به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با استفاده از نیروی جاذبه بین دو قطب ناهمنام، به آرامی و بدون صدا بسته می‌شوند. [1]ام‌آر آی (MRI): مخفف Magnetic Resonance Imaging به معنای تصویربرداری تشدید مغناطیسی است. یک روش پیشرفته برای دیدن جزئیات درون بدن بدون استفاده از پرتوهای مضر مانند اشعه ایکس. فرومغناطیس (Ferromagnetism): به قوی‌ترین نوع مغناطیس اطلاق می‌شود. موادی که این خاصیت را دارند (مانند آهن) به شدت جذب آهنربا می‌شوند و خود می‌توانند به آهنربای دائمی تبدیل شوند.
- جهت این خطوط همیشه از قطب شمال (N) به خارج آهنربا و به سمت قطب جنوب (S) به داخل آهنربا است.
کاربردهای شگفت‌انگیز قطب‌های آهنربا در دنیای واقعی
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی