میدان مغناطیسی: ناحیه‌ای که در آن نیروی مغناطیسی بر مواد مغناطیسی وارد می‌شود

میدان مغناطیسی: نیروی نامرئی در اطراف ما

مغناطیس چیست و از کجا می‌آید؟

مغناطیس یک پدیده‌ی طبیعی است که از حرکت بارهای الکتریکی، معمولاً الکترون‌ها، ناشی می‌شود. تصور کنید الکترون‌ها در اتم‌های یک ماده مانند زمین در حال چرخش به دور خورشید هستند. این حرکت دو نوع اثر مغناطیسی ایجاد می‌کند: یکی به دلیل چرخش الکترون به دور خود و دیگری به دلیل چرخش آن به دور هسته‌ی اتم. در برخی مواد مانند آهن، نیکل و کبالت، این اثرات کوچک با هم هم‌راستا شده و یک آهنربای قوی تشکیل می‌دهند.

برای درک بهتر، یک آهنربای نعلی شکل را در نظر بگیرید. اگر آن را درون خاکه‌های آهن فرو ببرید، می‌بینید که خاکه‌ها بیشتر در دو ناحیه‌ی مشخص جمع می‌شوند. این دو ناحیه قطب‌های مغناطیسی نامیده می‌شوند: قطب شمال^۳ و قطب جنوب^۴. یک قانون طلایی در مغناطیس وجود دارد: قطب‌های همنام یکدیگر را دفع و قطب‌های ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. این دقیقاً مشابه نیروی بین بارهای الکتریکی است.

خطوط میدان مغناطیسی: نقشه‌ی نیروی نامرئی

برای نمایش میدان مغناطیسی از مفهومی به نام خطوط میدان مغناطیسی^۵ استفاده می‌شود. این خطوط نامرئی هستند، اما می‌توان اثر آن‌ها را با پخش کردن براده‌های آهن در اطراف یک آهنربا مشاهده کرد. براده‌های آهن خود به آهنرباهای کوچکی تبدیل شده و در امتداد این خطوط منظم می‌شوند.

الکترومغناطیس: وقتی برق و مغناطیس به هم می‌رسند

هانس کریستین اورستد^۶ در سال 1820 کشف کرد که وقتی جریان الکتریکی از یک سیم عبور می‌کند، در اطراف آن یک میدان مغناطیسی دایره‌ای ایجاد می‌شود. این کشف، پیوند ناگسستنی بین الکتریسیته و مغناطیس را نشان داد و منجر به پیدایش شاخه‌ای جدید به نام الکترومغناطیس^۷ شد.

قدرت این میدان به دو عامل بستگی دارد: مقدار جریان الکتریکی ($I$) و فاصله از سیم. هرچه جریان بیشتر باشد، میدان قوی‌تر است. همچنین هرچه از سیم دورتر شویم، میدان ضعیف‌تر می‌شود.

آهنرباهای الکتریکی: مغناطیس قابل کنترل

یک از جالب‌ترین کاربردهای الکترومغناطیس، ساخت آهنرباهای الکتریکی^۸ است. این آهنرباها از یک سیم پیچ (کویل) که به دور یک هسته‌ی آهنی پیچیده شده و به یک منبع برق متصل است، تشکیل می‌شوند. هنگامی که جریان برق از سیم‌پیچ عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی بسیار قوی در هسته‌ی آهنی ایجاد می‌شود. بزرگ‌ترین مزیت آهنرباهای الکتریکی این است که با قطع و وصل جریان برق، می‌توان آن‌ها را به راحتی روشن و خاموش کرد.

میدان مغناطیسی زمین: سپر محافظ سیاره‌ی آبی

زمین ما یک آهنربای غول‌آسا با میدان مغناطیسی وسیع است. این میدان که مگنتوسفر^۹ نام دارد، تا فاصله‌ی زیادی در فضا گسترش یافته و مانند یک سپر، ما را در برابر بادهای خورشیدی^۱۰ (جریان ذرات باردار پرانرژی خورشید) محافظت می‌کند. بدون این سپر، زندگی روی زمین بسیار سخت یا حتی غیرممکن بود.

قطب‌نما ساده‌ترین وسیله‌ای است که از این میدان استفاده می‌کند. سوزن قطب‌نما یک آهنربای کوچک است که آزادانه می‌چرخد و خود را در امتداد خطوط میدان مغناطیسی زمین قرار می‌دهد و جهت شمال و جنوب را نشان می‌دهد.

کاربردهای شگفت‌انگیز در زندگی و فناوری

میدان‌های مغناطیسی فقط به آهنرباهای یخچال محدود نمی‌شوند. آن‌ها پایه‌ی بسیاری از فناوری‌های مدرن هستند:

پزشکی: دستگاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی^۲ از میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی و امواج رادیویی برای ایجاد تصاویر دقیق از اندام‌های داخلی بدن استفاده می‌کند.

حمل‌ونقل: قطارهای مَگ‌لِو^۱۱ (معلق مغناطیسی) با استفاده از نیروی دافعه‌ی مغناطیسی قوی، بالاتر از ریل شناور شده و با سرعت‌های بسیار بالا و بدون اصطکاک حرکت می‌کنند.

انرژی: ژنراتورهای نیروگاه‌ها با چرخاندن یک سیم‌پیچ در داخل یک میدان مغناطیسی، الکتریسیته تولید می‌کنند. این فرآیند معکوس کار آهنربای الکتریکی است.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ Magnetic Field (میدان مغناطیسی): ناحیه‌ای که در آن نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود.

^۲ MRI - Magnetic Resonance Imaging (تصویربرداری تشدید مغناطیسی)

^۳ North Pole (قطب شمال)

^۴ South Pole (قطب جنوب)

^۵ Magnetic Field Lines (خطوط میدان مغناطیسی)

^۶ Hans Christian Ørsted (هانس کریستین اورستد)

^۷ Electromagnetism (الکترومغناطیس)

^۸ Electromagnet (آهنربای الکتریکی)

^۹ Magnetosphere (مگنتوسفر)

^۱۰ Solar Wind (باد خورشیدی)

^۱۱ Maglev Train - Magnetic Levitation (قطار مَگ‌لِو)

^۱۲ Ferromagnetic (فرومغناطیس)