درسنامه آموزشی فیزیک (2) پایه یازدهم رشته علوم ریاضی
1-3 مغناطیس و قطبهای مغناطیسی
کاربرد مغناطیس و آهنربا در جنبههای مختلف زندگی بشر، رشدی روزافزون دارد. فراتر از یک قرن، ضبط صدا و تصویر روی محیطهایی انجام میگرفت که مغناطیس در آنها نقش اصلی داشت. اگرچه فنّاوری دیجیتال به میزان زیادی جایگزین ضبط مغناطیسی به شیوههای سنتی شده است، با وجود این، ذخیره اطلاعات به صورت صفر و یک، هنوز هم در بیشتر روشها به محیطهای مغناطیسی وابسته است.
مغناطیس و آهنرباها همچنین در بلندگوها، گوشیهای تلفن همراه، رایانهها، کارتهای بانکی، موتورهای الکتریکی، یخچالها، و اغلب سامانههای هشدار و ایمنی کاربرد دارد. پزشکی امروز نیز در تشخیص بیماریها به کمک دستگاههایی از قبیل امآرآی $(MRI)$، بهرهٔ فراوانی از مغناطیس و آثار آن میبرد.
مغناطیس و قطبهای مغناطیسی
آثار مغناطیسی دستکم 2500 سال پیش در تکههایی از سنگ آهن مغناطیسی شده در نزدیکی شهر باستانی مگنسیا (که نام امروزی آن مانیسا و در غرب ترکیه واقع است) مشاهده شد. این تکهها نمونههایی هستند از چیزی که امروزه آهنربای دائمی خوانده میشود (شکل 3-1). چینیهای باستان نیز با ویژگیهای مغناطیسی برخی از سنگهای آهنربایی آشنایی داشتند و از آنها در ساخت قطبنما برای جهتیابی استفاده میکردند (شکل 3-2).
|
|
در علوم هشتم دیدید که هرگاه آهنربایی را درون ظرف محتوی برادهٔ آهن فرو ببریم، برادههای آهن به مقدار زیادی جذب ناحیههای خاصی از آهنربا میشوند. این ناحیهها را قطبهای مغناطیسی یا قطبهای آهنربا مینامند (شکل 3-3).
پرسش 3-1 (صفحهٔ 84 کتاب درسی)
فرض کنید دو میلهٔ کاملاً مشابه، یکی از جنس آهن و دیگری آهنربا در اختیار دارید. با گفتوگو در گروه خود، روشی را پیشنهاد کنید که با استفاده از آن و بدون استفاده از هیچ وسیلهٔ دیگر، بتوان میلهای را که از جنس آهنرباست مشخص کرد.
مطابق شکل ابتدا سر میله (1) را به سر میلۀ (2) نزدیک میکنیم، حتماً جذب صورت میگیرد. سپس سر میلۀ (1) را به وسط میلۀ (2) نزدیک میکنیم، اگر جاذبه کم شود، آنگاه میله (2) آهنربا است. زیرا خاصیت مغناطیسی در وسط آهنربای میلهای کمتر از قطبهاست؛ ولی اگر نیروی جاذبه تغییر نکرد، آنگاه میلۀ (1) آهنرباست.
هنگامی که یک آهنربای دائمی برای چندین بار و در یک جهت به یک سوزن خیاطی یا سوزن ته گرد کشیده شود، سوزن نیز برای مدتی آهنربا میشود (شکل 3-4). اگر این سوزن را به آرامی روی سطح آب درون ظرفی شناور کنیم، یا آن را توسط ریسمانی از وسط آن بیاویزیم که بتواند آزادانه بچرخد، یک سر آن تقریباً به سوی شمال جغرافیایی قرار می گیرد. این سر را قطب شمالیا قطب $N$ و سر دیگر را قطب جنوبیا قطب $S$ مینامند.
ممکن است مفهوم قطبهای مغناطیسی به نظر، مشابه مفهوم بارهای الکتریکی باشد و قطبهای شمال و جنوب، مشابه بارهای مثبت و منفی به نظر بیاید؛ ولی این مشابهت میتواند گمراه کننده باشد. بارهای مثبت و منفی مجزا وجود دارند، در حالی که هیچ گواه تجربی بر وجود تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد؛ قطبهای مغناطیسی همواره به صورت زوج ظاهر میشوند.
پرسش 3-2 (صفحهٔ 84 کتاب درسی)
1- دریافت خود را از شکل الف بیان کنید.
قطب آهنربایی است. اگر باز هم این بخشها را به بخشهای کوچکتر تقسیم کنیم آهنرباهای کوچکتری خواهیم داشت. اگر تقسیم کردن را ادامه دهیم، هرگز یک قطب تنها ایجاد نخواهد شد، حتی وقتی قطعه به اندازهی یک اتم برسد، دو قطب دارد که نشان میدهد اتم نیز میتواند یک آهنربا باشد. به عبارت دیگر تک قطبی مغناطیسی در طبیعت وجود ندارد. (حال آنکه تک قطبی الکتریکی + یا – وجود دارد.)
2- در علوم هشتم با پدیدهٔ القای مغناطیسی آشنا شدید. با توجه به شکل ب این پدیده را توضیح دهید و بیان کنید چرا در پدیدهٔ القای مغناطیسی همواره جذب وجود دارد؟
زمانی که آهنربا در تماس با برخی فلزات قرار گیرد، در آنها خاصیت مغناطیسی القا میکند، به این پدیده القای مغناطیسی میگویند. چون در القای مغناطیسی، در محل تماس جسم با آهنربا قطب ناهمنام ایجاد میشود، این پدیده همواره همراه با جذب است. القای مغناطیسی میتواند بین اجسام منتقل شود. مطابق شکل در اثر پدیدهی القای مغناطیسی، ابتدا میخ آهنربا شده و واشرها نیز تحت تأثیر خاصیت آهنربایی میخ، آهنربا میشوند.
فنّاوری و کاربرد: نانو ذرّههای مغناطیسی برای درمان
لکههای تیره در تصویر میکروسکوپی روبه رو، یاختههای سرطانیاند که از توموری جدا شدهاند و خطر پخش آنها در سرتاسر بدن بیمار وجود دارد. در یک روش تجربی برای مبارزه با این یاختهها از ذرّههای یک مادهٔ مغناطیسی استفاده میشود که به بدن تزریق میشوند. این ذرّهها با مادهٔ شیمیایی خاصی پوشیده شدهاند که به طور هدفمند به یاختههای سرطانی متصل میشوند. سپس با استفاده از یک آهنربا در بیرون از بدن بیمار، این ذرّهها میشوند و یاختههای «رانده» (که در شکل به رنگ قهوهای نشان داده شده است) بیرون سرطانی را با خود میبرند.
