تراوایی مغناطیسی: دروازه‌ای به دنیای نامرئی آهنرباها
میدان مغناطیسی و تراوایی چیست؟
برای درک تراوایی مغناطیسی، ابتدا باید با میدان مغناطیسی آشنا شویم. یک آهنربا را در نظر بگیرید. فضای اطراف آن که در آن نیروی مغناطیسی احساس می‌شود، میدان مغناطیسی2 نام دارد. این میدان به صورت خطوطی نامرئی نمایش داده می‌شود که از قطب شمال آهنربا خارج و به قطب جنوب آن وارد می‌شوند.
حالا تصور کنید این خطوط می‌خواهند از داخل یک ماده عبور کنند. تراوایی مغناطیسی در واقع معیاری است که نشان می‌دهد آن ماده چقدر به این خطوط اجازه‌ی عبور راحت و آسان را می‌دهد. هر چه تراوایی یک ماده بیشتر باشد، خطوط میدان مغناطیسی راحت‌تر و با چگالی بیشتری از داخل آن عبور می‌کنند. تراوایی مغناطیسی را با نماد یونانی $\mu$ نشان می‌دهند.
انواع مواد از نگاه مغناطیسی
مواد مختلف بر اساس تراوایی مغناطیسی‌شان به سه دستهٔ اصلی تقسیم می‌شوند. این تقسیم‌بندی به ما کمک می‌کند تا رفتار مواد در میدان مغناطیسی را بهتر پیش‌بینی کنیم.
| نوع ماده | مقدار تراوایی | رفتار در میدان مغناطیسی | مثال‌ها |
|---|---|---|---|
| دیامغناطیس4 | کمی کمتر از خلأ | از میدان رانده می‌شوند. خطوط میدان را از خود دور می‌کنند. | مس، طلا، آب، بیسموت |
| پارامغناطیس5 | کمی بیشتر از خلأ | به آرامی و به‌صورت ضعیف جذب میدان می‌شوند. | منیزیم، لیتیوم، مولیبدن |
| فرومغناطیس6 | بسیار بسیار بیشتر از خلأ | به شدت جذب میدان شده و خود به آهنربای قوی تبدیل می‌شوند. | آهن، نیکل، کبالت و آلیاژهای آن‌ها |
یک مثال ساده: اگر یک آهنربای قوی داشته باشید و یک تکه آهن (فرومغناطیس) را نزدیک آن کنید، آهن به شدت جذب آهنربا می‌شود. اما اگر یک سکه مسی (دیامغناطیس) را جایگزین کنید، هیچ جذب قوی‌ای رخ نمی‌دهد. دلیل این پدیده، تفاوت عظیم در تراوایی مغناطیسی این دو ماده است.
تراوایی مغناطیسی در عمل: از ترانسفورماتور تا درب یخچال
شاید فکر کنید این مفهوم فقط در آزمایشگاه‌ها کاربرد دارد، اما در واقع بسیاری از وسایل اطراف ما بر اساس همین اصل کار می‌کنند.
ترانسفورماتورهای برق: این جعبه‌های بزرگ کنار دکل‌های برق، ولتاژ برق را کم یا زیاد می‌کنند. داخل آن‌ها یک هستهٔ آهنی بزرگ (یک ماده فرومغناطیس با تراوایی بسیار بالا) وجود دارد. این هسته، خطوط میدان مغناطیسی را متمرکز و هدایت می‌کند و باعث می‌شود انرژی با کمترین اتلاف از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر منتقل شود. اگر هسته آهنی نبود، ترانسفورماتور تقریباً بی‌استفاده می‌شد.
درب یخچال: آیا تا به حال دقت کرده‌اید که درب یخچال محکم بسته می‌شود؟ در اطراف درز درب، نوار لاستیکی وجود دارد که داخل آن یک نوار مغناطیسی (از جنس فرومغناطیس) کار گذاشته شده است. این نوار به بدنه فلزی یخچال (که آن هم فرومغناطیس است) می‌چسبد و هوا را به دام می‌اندازد. این اتصال محکم به لطف تراوایی بالای مواد فرومغناطیس ممکن شده است.
هارد دیسک کامپیوتر: اطلاعات در هارددیسک روی صفحاتی از جنس مواد فرومغناطیس ذخیره می‌شوند. یک هد مغناطیسی با ایجاد میدان‌های بسیار کوچک و دقیق، حوزه‌های مغناطیسی روی این صفحات ایجاد می‌کند. تراوایی بالای این مواد اجازه می‌دهد این حوزه‌های کوچک به‌صورت پایدار باقی بمانند و اطلاعات ما برای سال‌ها حفظ شود.
پرسش‌های متداول و اشتباهات رایج
خیر. مواد فرومغناطیس مانند آهن معمولی، وقتی در کنار یک آهنربا قرار می‌گیرند، به طور موقت خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند و جذب می‌شوند. اما وقتی از آهنربا دور شوند، این خاصیت را از دست می‌دهند (مگر در مورد آهنرباهای دائمی). بنابراین جذب شدن به آهنربا لزوماً به معنای آهنربا بودن آن جسم نیست.
تراوایی مغناطیسی هوا بسیار نزدیک به تراوایی خلأ است. بنابراین، اثر آن در مقایسه با موادی مانند آهن بسیار ناچیز است و در بیشتر محاسبات عملی از آن صرف‌نظر می‌شود. به زبان ساده، هوا تقریباً هیچ مانعی برای عبور خطوط میدان مغناطیسی ایجاد نمی‌کند.
تراوایی نسبی7 یک عدد بدون واحد است که نشان می‌دهد تراوایی یک ماده چند برابر تراوایی خلأ است. آن را با $\mu_r$ نشان می‌دهند و از رابطه $\mu_r = \mu / \mu_0$ به دست می‌آید. در اینجا $\mu_0$ تراوایی خلأ است. برای مثال، اگر تراوایی نسبی آهن ۵۰۰۰ باشد، یعنی آهن خطوط میدان مغناطیسی را ۵۰۰۰ برابر بهتر از خلأ هدایت می‌کند.
پاورقی
1 تراوایی مغناطیسی (Magnetic Permeability)
2 میدان مغناطیسی (Magnetic Field)
3 چگالی شار مغناطیسی (Magnetic Flux Density)
4 دیامغناطیس (Diamagnetic)
5 پارامغناطیس (Paramagnetic)
6 فرومغناطیس (Ferromagnetic)
7 تراوایی نسبی (Relative Permeability)