قطب‌های همنام و ناهمنام: نیروی پنهان در دنیای آهنرباها
آهنربا چیست و قطب‌های آن کدامند؟
آهنربا جسمی است که میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و موادی مانند آهن، نیکل و کبالت را به خود جذب می‌کند. هر آهنربا، بدون توجه به شکل و اندازه‌اش، دو ناحیه‌ی اصلی دارد که به آن‌ها قطب می‌گویند: قطب شمال (N) و قطب جنوب (S). این قطب‌ها نواحیای هستند که نیروی مغناطیسی در آن‌ها متمرکز شده است.
یک ویژگی بسیار مهم آهنرباها این است که اگر یک آهنربای میل‌ای را از وسط بشکنیم، به دو آهنربای کوچکتر با قطب‌های شمال و جنوب مجزا تبدیل می‌شود؛ یعنی قطب شمال و جنوب را نمی‌توان از هم جدا کرد.
تعریف قطب‌های همنام و قانون حاکم بر آن‌ها
وقتی می‌گوییم دو قطب همنام هستند، یعنی هر دو از یک نوع هستند؛ مثلاً هر دو قطب شمال (N و N) یا هر دو قطب جنوب (S و S). قانون برهمکنش بین قطب‌های همنام بسیار ساده است:
تعریف قطب‌های ناهمنام و قانون حاکم بر آن‌ها
وقتی می‌گوییم دو قطب ناهمنام هستند، یعنی با هم متفاوت هستند؛ مثلاً یک قطب شمال (N) و یک قطب جنوب (S). قانون برهمکنش بین قطب‌های ناهمنام نیز ساده و متضاد با قانون قبل است:
می‌توان این دو قانون را به صورت خلاصه در یک جدول ارائه داد:
| نوع قطب‌های روبه‌روی هم | نیروی واردشده | نمایش نمادین |
|---|---|---|
| شمال (N) - شمال (N) | نیروی دافعه (دفع) | N ←→ N |
| جنوب (S) - جنوب (S) | نیروی دافعه (دفع) | S ←→ S |
| شمال (N) - جنوب (S) | نیروی جاذبه (جذب) | N ———— S |
میدان مغناطیسی: عامل نامرئی ایجادکننده نیرو
این نیروهای جاذبه و دافعه چگونه و از طریق چه چیزی اعمال می‌شوند؟ پاسخ میدان مغناطیسی[1] است. هر آهنربا فضای اطراف خود را تحت تأثیر قرار می‌دهد و یک میدان نیروی نامرئی ایجاد می‌کند. وقتی آهنربای دیگری وارد این میدان شود، نیرو را احساس می‌کند. جهت این میدان از قطب شمال آهنربا خارج شده و به قطب جنوب آن وارد می‌شود. تراکم خطوط میدان نزدیک قطب‌ها بیشتر است که نشان‌دهنده‌ی قدرت بیشتر نیرو در آن نواحی است.
کاربردهای عملی در زندگی روزمره و فناوری
اصول قطب‌های همنام و ناهمنام تنها محدود به آزمایشگاه نیستند؛ آن‌ها پایه‌ی بسیاری از دستگاه‌هایی هستند که هر روزه از آن‌ها استفاده می‌کنیم.
- قطب نما: سوزن قطب نما خود یک آهنربای کوچک است. قطب شمال این سوزن به سمت قطب جنوب مغناطیسی زمین (که near قطب شمال جغرافیایی است) منحرف می‌شود. این یک نمونه‌ی کلاسیک از جذب قطب‌های ناهمنام است.
- موتورهای الکتریکی: درون موتورهای الکتریکی (مثلاً در پنکه، آبمیوه‌گیری یا اسباب‌بازی‌ها)، آهنرباهای دائمی و الکترومغناطیس[2] قرار دارند. با تغییر قطب‌های الکترومغناطیس به سرعت، نیروهای دافعه و جاذبه‌ی متناوب ایجاد می‌شود که باعث چرخش موتور می‌شود.
- درهای یخچال: نوار دور درب برخی یخچال‌ها حاوی آهنربا است. وقتی در بسته می‌شود، این نوار به بدنه‌ی فلزی یخچال (که خاصیت مغناطیسی پیدا کرده) می‌چسبد و درب را محکم و هوابند نگه می‌دارد.
- ژنراتورها: برعکس موتورهای الکتریکی کار می‌کنند. با چرخاندن یک آهنربا در داخل یک سیم‌پیچ، نیروی مغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
[1] میدان مغناطیسی (Magnetic Field): ناحیه‌ای اطراف آهنربا یا ذرات باردار متحرک که در آن نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود. به صورت خطوطی نامرئی نمایش داده می‌شود.
[2] الکترومغناطیس (Electromagnet): نوعی آهنربا که تنها زمانی میدان مغناطیسی تولید می‌کند که جریان الکتریکی از یک سیم‌پیچ عبور کند. قدرت آن را می‌توان با تغییر جریان الکتریکی کنترل کرد.
[3] تکقطب مغناطیسی (Magnetic Monopole): یک ذره‌ی فرضی که تنها دارای یک قطب مغناطیسی (شمال یا جنوب) است. وجود آن در جهان پیش‌بینی شده اما هنوز به طور تجربی مشاهده نشده است.