فرومغناطیس: راز جذب آهن‌رباها
فرومغناطیس چیست و چگونه کار می‌کند؟
برای درک فرومغناطیس، ابتدا باید بدانیم که همهٔ مواد از اتم‌ها ساخته شده‌اند. در مرکز هر اتم، یک هسته وجود دارد و الکترون‌ها به دور آن می‌چرخند. این حرکت الکترون‌ها یک میدان مغناطیسی3 بسیار کوچک ایجاد می‌کند. می‌توان هر اتم را یک آهن‌ربای کوچک در نظر گرفت.
در بیشتر مواد، این آهن‌رباهای کوچک به صورت تصادفی جهت‌گیری کرده‌اند و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما در مواد فرومغناطیس، این آهن‌رباهای اتمی دوست دارند هم‌جهت باشند و به صورت گروهی در یک راستا قرار بگیرند. این گروه‌های هم‌جهت، حوزه‌های مغناطیسی4 نامیده می‌شوند.
وقتی یک مادهٔ فرومغناطیس در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی (مثلاً نزدیک یک آهن‌ربا) قرار می‌گیرد، این حوزه‌ها که قبلاً جهت‌های تصادفی داشتند، شروع به هم‌راستا شدن با میدان خارجی می‌کنند. این هم‌راستایی منجر به ایجاد یک آهن‌ربای قوی می‌شود که جذب آهن‌ربای اصلی می‌گردد. حتی پس از حذف میدان خارجی، برخی مواد این هم‌راستایی را حفظ می‌کنند و به آهن‌ربای دائمی5 تبدیل می‌شوند.
مواد فرومغناطیس؛ از آهن گرفته تا آلیاژهای پیشرفته
همهٔ مواد نمی‌توانند فرومغناطیس باشند. تنها سه فلز در دمای اتاق به طور ذاتی این خاصیت را نشان می‌دهند:
| نام ماده | نماد شیمیایی | کاربردهای معمول | سختی مغناطیسی |
|---|---|---|---|
| آهن | Fe | میخ، بدنهٔ موتور، ترانسفورماتور | نرم |
| نیکل | Ni | سکه، آلیاژهای فولاد ضدزنگ | سخت |
| کبالت | Co | آهن‌رباهای قوی، ابزار برش | سخت |
مواد فرومغناطیس نرم به راحتی مغناطیسی می‌شوند و به راحتی نیز خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند (مانند آهن نرم در هستهٔ ترانسفورماتور). در مقابل، مواد فرومغناطیس سخت، سخت‌تر مغناطیسی می‌شوند اما پس از مغناطیس شدن، برای مدت‌ها بسیار قوی باقی می‌مانند (مانند آهن‌ربای دائمی داخل بلندگوها).
علاوه بر این فلزات خالص، بسیاری از آلیاژها6 (مخلوط فلزات) نیز فرومغناطیس هستند. فولاد که آلیاژی از آهن و کربن است، یک مثال معروف است. آلیاژهای پیشرفته‌تری مانند نئودیمیوم-آهن-بور($Nd_2Fe_{14}B$) قوی‌ترین آهن‌رباهای دائمی شناخته‌شده را تشکیل می‌دهند.
نقش دما: چرا آهن‌رباها در گرمای زیاد خاصیت خود را از دست می‌دهند؟
گرما باعث افزایش لرزش اتم‌ها در یک ماده می‌شود. این لرزش‌های حرارتی، تمایل دارند نظم حوزه‌های مغناطیسی را به هم بزنند. با افزایش دما، این اغتشاش بیشتر می‌شود تا جایی که در یک دمای بحرانی خاص، حوزه‌ها کاملاً از بین رفته و ماده خاصیت فرومغناطیسی خود را به طور کامل از دست می‌دهد. این دما، دمای کوری7 نام دارد.
دمای کوری برای آهن حدود 770 درجه سلسیوس و برای کبالت 1131 درجه سلسیوس است. این پدیده دلیل علمی پشت این تجربهٔ رایج است که اگر یک آهن‌ربا را زیاد حرارت دهید، دیگر نمی‌تواند میخ‌ها را نگه دارد.
فرومغناطیس در عمل: از درب یخچال تا قطارهای شناور
کاربردهای فرومغناطیس آنقدر در زندگی ما گسترده است که اغلب متوجه آن نمی‌شویم. در اینجا به چند نمونهٔ بارز اشاره می‌کنیم:
آهن‌رباهای دائمی: این آهن‌رباها در بسیاری از وسایل استفاده می‌شوند. درب یخچال شما با نوار لاستیکی که داخل آن آهن‌رباهای دائمی کار گذاشته شده، بسته می‌ماند. در بلندگوها، یک آهن‌ربای دائمی قوی برای تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به امواج صوتی به کار می‌رود. موتورهای کوچک داخل اسباب‌بازی‌ها، سشوار و پنکه نیز از آهن‌رباهای دائمی استفاده می‌کنند.
آهن‌رباهای الکتریکی: این آهن‌رباها تنها زمانی که جریان الکتریکی از سیم پیچ آن‌ها عبور کند، کار می‌کنند. از آن‌ها در جرثقیل‌های غول‌پیکر برای بلند کردن قطعات آهنی در قراضه‌ها استفاده می‌شود. وقتی اپراتور دکمه را فشار می‌دهد، آهن‌ربا روشن شده و یک ماشین فشرده شده را بلند می‌کند. با قطع جریان، آهن‌ربا خاموش شده و بار را رها می‌کند.
قطارهای مگلو (Maglev): این قطارهای فوق‌مدرن، نمونه‌ای خارق‌العاده از کاربرد فرومغناطیس هستند. آن‌ها از نیروی دافعهٔ مغناطیسی بین آهن‌رباهای روی قطار و ریل استفاده می‌کنند تا کاملاً از ریل بلند شده و "شناور" شوند. چون اصطکاکی با ریل وجود ندارد، این قطارها می‌توانند با سرعت‌های باورنکردنی (بیش از 600 کیلومتر بر ساعت) حرکت کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. تنها فلزات فرومغناطیس (آهن، نیکل، کبالت و برخی از آلیاژهای آن‌ها) جذب قوی آهن‌ربا می‌شوند. فلزات رایج دیگری مانند آلومینیوم، مس، طلا و نقره، فرومغناطیس نیستند و جذب آهن‌ربا نمی‌شوند.
شما دو آهن‌ربای کوچک‌تر با دو قطب شمال و جنوب مجزا خواهید داشت. هر تکهٔ جدید خود یک آهن‌ربای کامل است. شما نمی‌توانید یک قطب منفرد (یک تک قطب شمال یا جنوب) داشته باشید. این یک قانون بنیادی در مغناطیس است.
کافی است یک سر آهن‌ربای دائمی را در یک جهت، چندین بار از یک انتهای میخ به انتهای دیگر بکشید. این عمل باعث می‌شود حوزه‌های مغناطیسی درون میخ با میدان آهن‌ربا هم‌راستا شوند و میخ برای مدتی مانند یک آهن‌ربا رفتار کند و بتواند، برای مثال، میخ‌های کوچک‌تر را بلند کند.
پاورقی
1 فرومغناطیس (Ferromagnetism): به خاصیت برخی مواد مانند آهن گفته می‌شود که می‌توانند میدان مغناطیسی دائمی تولید کرده یا به شدت جذب میدان مغناطیسی خارجی شوند.
2 دماوری (Curie Temperature): دمای بحرانی که در آن یک مادهٔ فرومغناطیس، خاصیت مغناطیسی دائمی خود را از دست داده و به یک مادهٔ پارامغناطیس تبدیل می‌شود.
3 میدان مغناطیسی (Magnetic Field): ناحیه‌ای در اطراف یک آهن‌ربا یا جریان الکتریکی که در آن نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود.
4 حوزه‌های مغناطیسی (Magnetic Domains): نواحی کوچکی در یک مادهٔ فرومغناطیس که در آن‌ها گشتاورهای مغناطیسی همهٔ اتم‌ها در یک جهت قرار گرفته‌اند.
5 آهن‌ربای دائمی (Permanent Magnet): ماده‌ای فرومغناطیس که پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، مغناطیس‌شدگی خود را حفظ می‌کند.
6 آلیاژ (Alloy): مخلوط جامد از دو یا چند فلز (یا یک فلز و یک نافلز) که خواص فلزی دارد.
7 دمای کوری (Curie Temperature): معادل انگلیسی "دماوری".