حوزه مغناطیسی: نواحی کوچک در یک ماده فرومغناطیسی با قطب‌های یکسان

حوزه‌های مغناطیسی: راز پشت آهنرباها

مغناطیس و مواد فرومغناطیس چیست؟

همه ما با آهنربا بازی کرده‌ایم و می‌دانیم که می‌تواند برخی اجسام فلزی مانند سنجاق یا میخ را به خود جذب کند. این خاصیت جذب، مغناطیس^۴ نام دارد. اما آیا تا به حال فکر کرده‌اید که منشأ این نیرو چیست؟ پاسخ در دنیای بسیار کوچک اتم‌ها و الکترون‌ها نهفته است. الکترون‌ها در اتم، علاوه بر حرکت به دور هسته، حول محور خود نیز می‌چرخند. این چرخش، آنها را به یک آهنربای کوچک با دو قطب شمال و جنوب تبدیل می‌کند.

در بیشتر مواد، این آهنرباهای کوچک به صورت نامنظم قرار گرفته‌اند و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما در گروه خاصی از مواد به نام مواد فرومغناطیس^۵ (مانند آهن، نیکل و کبالت)، این آهنرباهای کوچک تمایل دارند خود را به صورت گروه‌های منظم درآورند. این گروه‌های منظم، همان حوزه‌های مغناطیسی هستند.

حوزه مغناطیسی چگونه تشکیل می‌شود؟

تصور کنید یک تکه آهن خالص دارید. در حالت عادی، این تکه آهن خاصیت مغناطیسی قوی ندارد. دلیل این است که آهنرباهای کوچک (حاصل از اسپین^۶ الکترون‌ها) درون آن، به صورت مناطق کوچکی سازماندهی شده‌اند که به هر کدام یک حوزه مغناطیسی می‌گوییم. در هر حوزه، همه این آهنرباهای کوچک در یک جهت قرار گرفته‌اند و بنابراین، آن حوزه دارای یک قطب شمال و یک قطب جنوب مشخص است.

اما جهت این حوزه‌های مجاور با یکدیگر متفاوت است. برای درک بهتر، یک شهر کوچک را تصور کنید که در آن هر خیابان، مردم را به سمت مقصد خاصی هدایت می‌کند. در یک خیابان همه به سمت شمال می‌روند، در خیابان بعدی همه به سمت شرق و الی آخر. در ماده فرومغناطیس نیز وضعیت به همین صورت است؛ حوزه‌های مختلف، جهت‌های مغناطیسی متفاوتی دارند و در نتیجه، اثر کلی آنها روی هم خنثی شده و ماده در حالت عادی، مغناطیسی به نظر نمی‌رسد.

وقتی آهنربا می‌شویم چه اتفاقی می‌افتد؟

وقتی یک ماده فرومغناطیس (مانند یک میخ آهنی) را در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار می‌دهیم، یک دگرگونی بزرگ رخ می‌دهد. حوزه‌هایی که جهتشان به میدان خارجی نزدیک‌تر است، شروع به رشد می‌کنند. چگونه؟ دیواره‌های بین حوزه‌ها جابجا می‌شوند تا حوزه‌های هم‌راستا با میدان، بزرگ‌تر شوند و حوزه‌های غیرهم‌راستا کوچک‌تر. اگر میدان به اندازه کافی قوی باشد، تقریباً همه حوزه‌ها در جهت میدان خارجی هم‌راستا می‌شوند. در این حالت، ماده مغناطیسی شده است و خودش مانند یک آهنربای قوی عمل می‌کند.

این فرآیند را می‌توان با رابطه ساده‌ای مدل کرد. چگالی مغناطیسی $M$ در ماده، با میدان مغناطیسی اعمال شده $H$ مرتبط است. برای بسیاری از مواد، این رابطه خطی است: $M = \chi H$. در اینجا، $\chi$ (حرف یونانی کای) کمیتی به نام حساسیت مغناطیسی^۷ است که نشان می‌دهد ماده چقدر به راحتی مغناطیسی می‌شود. برای مواد فرومغناطیس، این عدد بسیار بزرگ و مثبت است.

حوزه‌های مغناطیسی در خدمت فناوری

شاید جالب باشد بدانید که این حوزه‌های نامرئی، نقش بسیار مهمی در فناوری‌های اطراف ما بازی می‌کنند.

آهنرباهای دائمی: این آهنرباها موادی هستند که حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، حوزه‌هایشان در جهت قبلی خود باقی می‌مانند. این ویژگی به دلیل پدیده‌ای به نام پسماند^۸ است. از این آهنرباها در موتورهای الکتریکی، بلندگوها و درهای یخچال استفاده می‌شود.

حافظه‌های کامپیوتری (هارد دیسک‌ها): سطح یک هارد دیسک از میلیاردها حوزه مغناطیسی بسیار کوچک تشکیل شده است. جهت این حوزه‌ها (مثلاً جهت شمال به سمت بالا یا پایین) نشان‌دهنده بیت‌های اطلاعات (صفر و یک) است. یک هد خواندن/نوشتن، می‌تواند جهت این حوزه‌ها را تغییر دهد (نوشتن) یا جهت آن‌ها را تشخیص دهد (خواندن).

کارت‌های اعتباری و نوار مغناطیسی: پشت این کارت‌ها یک نوار قهوه‌ای یا سیاه رنگ وجود دارد که حاوی ذرات ریز مغناطیسی است. اطلاعات شما در قالب الگوهای خاصی از حوزه‌های مغناطیسی بر روی این نوار ذخیره می‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ حوزه مغناطیسی (Magnetic Domain)

^۲ آهنرباهای دائمی (Permanent Magnets)

^۳ حافظه‌های کامپیوتری (Computer Memory)

^۴ مغناطیس (Magnetism)

^۵ مواد فرومغناطیس (Ferromagnetic Materials)

^۶ اسپین (Spin): یک ویژگی کوانتومی ذرات بنیادی مانند الکترون که باعث ایجاد گشتاور مغناطیسی می‌شود.

^۷ حساسیت مغناطیسی (Magnetic Susceptibility)

^۸ پسماند (Hysteresis)

^۹ دمای کوری (Curie Temperature): دمایی که در آن یک ماده فرومغناطیس، خاصیت فرومغناطیسی خود را از دست می‌دهد.