دیامغناطیس: راز دفع ضعیف در برابر آهنربا
مغناطیس چیست و دیامغناطیس کجای آن قرار دارد؟
همه ما با آهنربا بازی کرده‌ایم و می‌دانیم که برخی مواد مانند آهن به آن می‌چسبند. این پدیده به دلیل خاصیت مغناطیسی۲ مواد است. اما آیا می‌دانستید که برخی مواد برعکس، از آهنربا دفع۳ می‌شوند؟ این همان جادوی دیامغناطیس است. برای درک بهتر، مواد از نظر رفتار مغناطیسی به دسته‌های اصلی زیر تقسیم می‌شوند:
| نوع ماده | واکنش به میدان مغناطیسی | مثال‌های رایج | شدت اثر |
|---|---|---|---|
| فرومغناطیس۴ | جذب بسیار قوی | آهن، نیکل، کبالت | بسیار قوی |
| پارامغناطیس۵ | جذب بسیار ضعیف | منیزیم، مولیبدنوم، لیتیوم | ضعیف |
| دیامغناطیس | دفع بسیار ضعیف | مس، آب، طلا، بیسموت، انسان | بسیار ضعیف |
همان‌طور که در جدول می‌بینید، مواد دیامغناطیس مانند یک فرد درون‌گرا عمل می‌کنند: وقتی در معرض یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، ترجیح می‌دهند از آن فاصله بگیرند. این اثر در تمام مواد وجود دارد، اما در موادی مانند فرومغناطیس، اثر جذب قوی‌تر است و آن را پنهان می‌کند.
دیامغناطیس چگونه کار می‌کند؟ نگاهی به دنیای الکترون‌ها
برای فهم دیامغناطیس، باید به دنیای اتم‌ها و الکترون‌ها سفر کنیم. هر اتم دارای الکترون‌هایی است که به دور هسته می‌چرخند. این حرکت الکترون‌ها در واقع ایجاد یک جریان الکتریکی بسیار کوچک می‌کند و هر جریان الکتریکی، یک میدان مغناطیسی حول خود ایجاد می‌نماید. می‌توان آن را به یک آهنربای کوچک تشبیه کرد.
حالا فرض کنید یک آهنربای قوی را به یک تکه مس نزدیک کنید. این آهنربا می‌خواهد نظم الکترون‌های مس را به هم بزند. اما الکترون‌های مس، باهوش هستند! آن‌ها سرعت یا جهت چرخش خود را کمی تغییر می‌دهند تا یک میدان مغناطیسی جدید و مخالف با آهنربای شما ایجاد کنند. این میدان مخالف، باعث می‌شود که کل تکه مس، یک آهنربای موقت با قطب‌های مشابه شود و در نتیجه، از آهنربای اصلی دفع گردد. به زبان ریاضی، این پدیده با معادله ساده‌ای توصیف می‌شود:
$ \vec{m} = -\frac{e^2}{4m_e} \langle r^2 \rangle \vec{B} $
در این فرمول، $ \vec{m} $ گشتاور مغناطیسی القا شده، $ e $ بار الکترون، $ m_e $ جرم الکترون، $ \langle r^2 \rangle $ میانگین مربع فاصله الکترون از هسته و $ \vec{B} $ میدان مغناطیسی اعمالی است. علامت منفی دقیقاً همان دفع را نشان می‌دهد!
از شناور کردن قورباغه تا تشخیص پزشکی: کاربردهای شگفت‌انگیز دیامغناطیس
شاید فکر کنید که این دفع ضعیف به چه دردی می‌خورد؟ جالب است بدانید که از این خاصیت در فناوری‌های پیشرفته استفاده می‌شود. معروف‌ترین مثال، شناورسازی مغناطیسی۷ است. اگر یک آهنربای بسیار قوی داشته باشید، می‌توانید اجسام دیامغناطیس مانند یک قطعه بیسموت یا حتی یک قورباغه کوچک را در هوا شناور کنید! این اتفاق به این دلیل می‌افتد که نیروی دفع دیامغناطیس با نیروی گرانش زمین مقابله می‌کند.
یک مثال دیگر، دستگاه ام.آر.آی۸ در بیمارستان‌ها است. این دستگاه از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی برای عکس‌برداری از داخل بدن استفاده می‌کند. بدن انسان نیز به‌دلیل داشتن مقدار زیادی آب، یک ماده دیامغناطیس است. دستگاه ام.آر.آی با در نظر گرفتن این خاصیت، تصاویر دقیقی تولید می‌کند. همچنین در قطارهای سریع‌السیر مگلو از خاصیت شناورسازی مغناطیسی برای کاهش اصطکاک و افزایش سرعت استفاده می‌شود.
آزمایش‌های ساده برای مشاهده دیامغناطیس در خانه
برای اینکه ببینید دیامغناطیس واقعاً وجود دارد، می‌توانید این آزمایش ساده را انجام دهید:
مواد لازم: یک آهنربای نئودیمیوم قوی (می‌توانید از آهنربای داخل بلندگوهای قدیمی استفاده کنید)، یک تکه نازک از چوب پنبه، یک سوزن، یک کاسه آب و یک تکه کوچک از فویل مس یا گرافیت (مغز مداد).
روش کار: سوزن را به چوب پنبه بچسبانید و آن را روی آب شناور کنید تا مانند یک قطب‌نما عمل کند. حالا آهنربا را به آرامی به فویل مس نزدیک کنید. خواهید دید که فویل مس به‌آرامی از آهنربا دور می‌شود. این دور شدن، همان اثر دیامغناطیس ضعیف است! اگر به جای مس از یک آهنربای دیگر استفاده کنید، جذب می‌شود که نشان‌دهنده تفاوت بین مواد فرومغناطیس و دیامغناطیس است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ دیامغناطیس (Diamagnetism)
۲ خاصیت مغناطیسی (Magnetic Property)
۳ دفع (Repulsion)
۴ فرومغناطیس (Ferromagnetism)
۵ پارامغناطیس (Paramagnetism)
۶ قانون لنز (Lenz's Law)
۷ شناورسازی مغناطیسی (Magnetic Levitation)
۸ ام.آر.آی (MRI - Magnetic Resonance Imaging)