مواد مغناطیسی و غیرمغناطیسی: نیرویی شگفتانگیز در اطراف ما
اساس مغناطیس: از آهنربای میلهای تا ذرات ریز
همه ما با یک آهنربای میلهای ساده آشنا هستیم. اگر آن را به یک میخ آهنی نزدیک کنیم، میخ را به سوی خود میکشد. این نیروی جاذبه، مغناطیس[1] نام دارد. اما این نیرو از کجا میآید؟ پاسخ در دنیای بسیار کوچک اتمها نهفته است. داخل هر اتم، ذرات ریزی به نام الکترون وجود دارند که به دور هسته میچرخند. این چرخشِ الکترونها، آنها را به آهنرباهای کوچکی تبدیل میکند.
در بیشتر مواد، این آهنرباهای کوچک در جهات مختلفی قرار گرفتهاند و یکدیگر را خنثی میکنند. اما در مواد مغناطیسی مانند آهن، این آهنرباهای اتمی میتوانند همراستا شوند و نیروی خود را با هم جمع کنند. به این ترتیب، ماده تبدیل به یک آهنربای بزرگ میشود. به ناحیهای از ماده که همه آهنرباهای اتمی در آن همجهت شدهاند، حوزه مغناطیسی[2] میگویند.
دستهبندی مواد: کدام یک جذب آهنربا میشوند؟
مواد را بر اساس رفتارشان در برابر آهنربا میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد: مغناطیسی و غیرمغناطیسی. اما داستان کمی از این پیچیدهتر است. دانشمندان مواد مغناطیسی را نیز بر اساس شدت جذب یا دفع، به گروههای کوچکتری تقسیمبندی میکنند.
| نوع ماده | نحوه رفتار با آهنربا | مثالهای ملموس |
|---|---|---|
| فرومغناطیس[3] | جذب بسیار قوی. خود میتوانند به آهنربای دائمی تبدیل شوند. | آهن، فولاد، نیکل، کبالت |
| پارامغناطیس[4] | جذب بسیار ضعیف (که در زندگی روزمره حس نمیشود). | آلومینیوم |
| دیامغناطیس[5] | دافع بسیار ضعیف. | مس، طلا، نقره، آب |
| غیرمغناطیسی | هیچ واکنش قابل مشاهدهای ندارند. | چوب، پلاستیک، شیشه، لاستیک |
نکته جالب این است که همه فلزات، مغناطیسی نیستند. در واقع، تنها تعداد کمی از فلزات خاصیت فرومغناطیسی دارند. برای مثال، یک سکه 10 تومانی (که از آلیاژ مس ساخته شده) یا یک قاشق آلومینیومی جذب آهنربا نمیشوند. حتی در مورد فولاد ضدزنگ (استنلس استیل) که حاوی آهن است، بسته به ترکیب شیمیایی، ممکن است مغناطیسی باشد یا نباشد.
انواع آهنرباها: دائمی، موقت و الکتریکی
آهنرباها فقط به شکل میله یا نعلی که میشناسیم نیستند. آنها را میتوان بر اساس منشأ و پایداری مغناطیسشان دستهبندی کرد:
1. آهنربای دائمی: این آهنرباها همیشه میدان مغناطیسی دارند و آن را از دست نمیدهند. آهنربای یخچال یا آهنرباهای داخل بلندگو از این نوع هستند. آنها اغلب از موادی مانند آهن، یا آلیاژهایی مثل آلنیکو (ترکیب آلومینیوم، نیکل و کبالت) ساخته میشوند. جالب است بدانید سیاره زمین نیز به دلیل هسته مذاب آهنیاش، یک آهنربای دائمی غولپیکر است که قطب نما را هدایت میکند.
2. آهنربای موقت: این مواد فقط در حضور یک میدان مغناطیسی قوی، مانند نزدیک یک آهنربای دائمی، خاصیت مغناطیسی پیدا میکنند و با حذف آن میدان، خاصیت خود را از دست میدهند. یک مثال ساده، گیره کاغذ است. اگر یک آهنربای قوی را به چند گیره کاغذ نزدیک کنید، آنها به هم میچسبند و حتی میتوانند زنجیرهای از گیرهها را آویزان کنند. اما به محض دور کردن آهنربا، گیرهها دیگر یکدیگر را جذب نمیکنند.
3. الکترومغناطیس (آهنربای الکتریکی): این جالبترین نوع است! این آهنرباها از جریان الکتریکی برای تولید میدان مغناطیسی استفاده میکنند. کافی است یک سیم را دور یک میله آهنی بپیچید و سرهای سیم را به یک باتری وصل کنید. حالا میله آهنی تبدیل به یک آهنربای قوی میشود که با قطع جریان، خاصیت خود را از دست میدهد. این قابلیت روشن و خاموش کردن مغناطیس، کاربردهای فوقالعادهای دارد.
مغناطیس در خدمت زندگی: از خانه تا فناوریهای پیشرفته
حالا که با انواع مواد و آهنرباها آشنا شدیم، بیایید ببینیم این نیروی نامرئی چطور زندگی ما را راحتتر و جالبتر کرده است:
• در خانه و مدرسه: آهنربای درب یخچال، گیرههای مغناطیسی، قفل کیف و کولهپشتی، بلندگوهای تلویزیون و هدفون، همگی از آهنربای دائمی استفاده میکنند. حتی در برخی اسباببازیها و بازیهای فکری نیز آهنربا به کار رفته است.
• در حملونقل: موتورهای الکتریکی خودروها، دوچرخهها و قطارها بر اساس نیروی الکترومغناطیس کار میکنند. شگفتانگیزتر، قطارهای مگلو[6] هستند که با استفاده از آهنرباهای فوققوی در بدنه و ریل، از سطح زمین بلند میشوند و به دلیل حذف اصطکاک، با سرعتهای خارقالعادهای حرکت میکنند.
• در پزشکی و فناوری: دستگاه پیشرفته امآرآی[7] که از بدن انسان تصویربرداری میکند، از یک آهنربای ابررسانای بسیار قوی بهاندازه یک اتاق کوچک استفاده میکند. همچنین، هارد دیسک رایانه شما اطلاعات را روی نواحی مغناطیسی بسیار ریز ذخیره میکند.
• در صنعت: جرثقیلهای غولپیکر در مراکز بازیافت از الکترومغناطیسهای عظیم برای بلند کردن و جابهجایی قوطیهای فولادی و آهنآلات استفاده میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، این یک باور نادرست است. تنها فلزات خاصی که دارای خاصیت فرومغناطیسی هستند (مانند آهن، نیکل، کبالت و برخی آلیاژهای آنها) به طور محسوس جذب آهنربا میشوند. بسیاری از فلزات رایج مانند آلومینیوم، مس، طلا، نقره و سرب غیرمغناطیسی هستند.
پاسخ: خیر. برای اینکه مادهای بتواند به آهنربا تبدیل شود، باید در دسته مواد فرومغناطیس قرار گیرد. مس از نظر مغناطیسی در دسته دیامغناطیس است، یعنی نه تنها جذب نمیشود، بلکه بسیار ضعیف نیز دفع میشود. بنابراین، هرچقدر هم یک آهنربای قوی به آن نزدیک شود یا روی آن بکشید، نمیتواند حوزههای مغناطیسی همراستایی در آن ایجاد کند و تبدیل به آهنربا شود.
پاسخ: این معمولاً به دلیل تفاوت در جنس فولاد است. فولاد ضدزنگ (استنلس استیل) انواع مختلفی دارد. برخی انواع آن مانند فولاد ضدزنگ فریتی یا مارتنزیتی به دلیل ساختار کریستالی و درصد آهن بالا، مغناطیسی هستند. اما نوع رایجتری مثل فولاد ضدزنگ آستنیتی (که معمولاً در وسایل آشپزخانه به کار میرود) به دلیل داشتن نیکل بیشتر و ساختار کریستالی متفاوت، غیرمغناطیسی است.
پاورقی
[1] Magnetism: مغناطیس. نیروی جاذبه یا دافعهای که در مواد دارای خاصیت مغناطیسی ایجاد میشود.
[2] Magnetic Domain: حوزه مغناطیسی. ناحیههای کوچکی در یک ماده فرومغناطیس که در آنها گشتاورهای مغناطیسی اتمها همراستا هستند.
[3] Ferromagnetic: فرومغناطیس. موادی که به شدت جذب آهنربا میشوند و میتوانند خاصیت مغناطیسی دائمی پیدا کنند.
[4] Paramagnetic: پارامغناطیس. موادی که بسیار ضعیف جذب آهنربا میشوند.
[5] Diamagnetic: دیامغناطیس. موادی که بسیار ضعیف از سوی آهنربا دفع میشوند.
[6] Maglev Train: قطار مغناطیسی شناور. از ترکیب Magnetic Levitation گرفته شده است.
[7] MRI: تصویرسازی تشدید مغناطیسی. از ترکیب Magnetic Resonance Imaging گرفته شده است.
