مغناطیس چیست؟

تنظیم مولکول‌های مغناطیسی یک قطعه آهن و یک آهنربا

 براساس تئوری وِبر تمامی اتم‌ها به دلیل اسپین الکترون‌های آنها خاصیت مغناطیسی دارند. اتم‌هایی که میدان مغناطیسی هم‌جهت دارند به یکدیگر متصل می‌شوند. مواد مغناطیسی از گروه‌هایی از آهنرباهای کوچک در یک سطح مولکولی اطراف اتم‌ها تشکیل می‌شوند، و مواد مغناطیسی‌شده بیش‌ترین ریز آهنرباهای هم جهت را دارند که در یک راستا قطب شمال و در راستای دیگر قطب جنوب را ایجاد می‌کنند.

هم‌چنین در یک ماده، ریز آهنرباهای مولکولی در تمامی جهات ریز آهنرباهای مولکولی مجاور خود را خنثی می‌کنند. به نواحی از آهنرباهای مولکولی که در آنها اثر مغناطیسی خنثی می‌شود، « حوزه» گفته می‌شود.

هر ماده مغناطیسی یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که به درجه هم‌جهت بودن حوزه‌های مغناطیسی ایجادشده توسط اوربیتال و اسپین الکترو‌ن‌ اتم‌های درون آن بستگی دارد. این درجه از هم جهت بودن توسط کمیت مغناطیس‌کنندگی (M) شناخته می‌شود.

در یک ماده غیرمغناطیسی، مقدار مغناطیس کنندگی (M) صفر است. اما پس از اعمال میدان مغناطیسی برای مغناطیس‌کنندگی ماده، اگر این میدان حذف شود برخی حوزه‌ها در نواحی کوچکی از ماده هم‌جهت باقی می‌مانند. تاثیر اعمال یک میدان مغناطیسی به ماده، هم‌جهت کردن برخی حوزه‌ها برای تولید یک مقدار مغناطیس‌کنندگی مخالف صفر است.

هنگامی‌که میدان مغناطیسی حذف می‌شود، بسته به نوع ماده مغناطیسی مورد استفاده خاصیت مغناطیسی ماده یا باقی می‌ماند یا به‌سرعت کاهش می‌یابد. توانایی ماده برای حفظ خاصیت مغناطیسی خود، « پایداری مغناطیسی»  نامیده می‌شود.

 موادی که پایداری مغناطیسی نسبتا بالایی دارند برای ساخت آهنرباهای دائمی استفاده می‌شوند، درحالی‌که موادی که پایداری مغناطیسی بسیار پایینی دارند و خاصیت مغناطیسی خود را به سرعت از دست می‌دهند برای ساخت رله‌ها  و سلونوئیدها بکار می‌روند.

شار مغناطیسی

تمامی آهنرباها، صرف‌نظر از شکل آنها، دو ناحیه با نام قطب‌های مغناطیسی دارند. خاصیت مغناطیسی دورن و بیرون یک آهنربا وجود دارد که یک زنجیره معین از خطوط نامرئی با الگوی مشخص را تولید می‌کند. این خطوط، خطوط شار نام دارند. این خطوط شار همگی به « میدان مغناطیسی» آهنربا اشاره می‌کنند. شکل میدان مغناطیسی در برخی نواحی آهنربا قوی‌تر از نواحی دیگر است، این نواحی که بزرگ‌ترین خاصیت مغناطیسی را دارند، قطب نامیده می‌شوند. هر انتهای آهنربا یک قطب است.

 این خطوط شار (که میدان برداری نامیده می‌شوند) با چشم دیده نمی‌شوند، اما می‌توان با استفاده از پخش کردن براده‌های آهن برروی یک ورق کاغذ و سپس قرار دادن یک آهنربا  آنها را با چشم مشاهده کرد. همچنین با قرار دادن یک قطب نمای کوچک نزدیک آهنربا  می‌توان قطب‌های شمال و جنوب را ردیابی کرد. قطب‌های مغناطیسی همیشه جفت هستند، یک ناحیه در آهنربا وجود دارد که قطب شمال نامیده می‌شود و در مقابل آن یک ناحیه وجود دارد که قطب جنوب نامیده می‌شود.

میدان‌های مغناطیسی همیشه به‌صورت خطوط نیرو نشان داده می‌شوند. خطوط شار در قطب‌های آهنربا متراکم‌تر هستند. این خطوط که جهت و شدت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهند « خطوط نیرو» یا « شار مغناطیسی» نامیده می‌شوند و با نماد Φ نشان داده می‌شوند.

خطوط نیروی میدان مغناطیسی اطراف یک آهنربای میله‌ای

همانطور که در شکل بالا مشاهده می‌شود، میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا که خطوط شار بهم نزدیک‌تر هستند، بیش‌ترین مقدار خود را دارد. جهت شار مغناطیسی از قطب شمال (N) به قطب جنوب (S) است. علاوه براین، این خطوط مغناطیسی حلقه‌های بسته‌ای را ایجاد می‌کنند که قطب شمال آهنربا را ترک می‌کنند و به قطب جنوب آن وارد می‌شوند. قطبهای مغناطیسی همیشه به‌صورت جفت هستند.

بااین‌حال، شار مغناطیسی در واقع از قطب شمال به قطب جنوب یا هر جای دیگری از آن ماده جریان نمی‌یابد زیرا شار مغناطیسی، در اطراف آهنربا ایستا است. به عبارت دیگر، شار مغناطیسی حرکت نمی‌کند یا جریان نمی‌یابد و فقط در اطراف آهنربا وجود دارد و گرانش بر آن اثر نمی‌گذارد. برخی نکات مهم هنگام رسم خطوط نیروها عبارتند از:

• خطوط نیرو هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
• خطوط نیرو پیوسته هستند.
• خطوط نیرو همیشه حلقه‌های بسته مجزایی حول آهنربا ایجاد می‌کنند.
• خطوط نیرو یک جهت مشخص از شمال به جنوب دارند.
• خطوط نیروی نزدیک بهم، نشان دهنده یک میدان قوی هستند.
• خطوط نیرو دور از هم نشان‌دهنده یک میدان مغناطیسی ضعیف هستند.

نیروهای مغناطیسیی همانند نیروهای الکتریکی یکدیگر را جذب و دفع می‌کنند. وقتی دو خط نیرو به‌یکدیگر نزدیک می‌شوند، برهم کنش بین دو میدان مغناطیسی موجب یکی از دو حالت زیر می‌شود:

1. وقتی‌که قطب‌های مجاور هم‌نام هستند (شمال-شمال یا جنوب-جنوب)، یکدیگر را دفع می‌کنند.
2. وقتی‌که قطب‌های مجاور غیرهمنام هستند (شمال-جنوب یا جنوب-شمال)، یکدیگر را جذب می‌کنند.

این تاثیر با بیان معروف « مخالف‌ها یکدیگر را جذب می‌کنند» به‌خاطر سپرده می‌شود. برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی می‌تواند به‌آسانی با خطوط مغناطیسی ایجادشده با براده‌های آهن نشان داده شود. اثر میدان مغناطیسی ترکیب‌های مختلف قطب‌ها را می‌توان در شکل زیر مشاهده کرد، قطب‌های همنام همدیگر را دفع می‌کنند و قطب‌های غیرهمنام همدیگر را جذب می‌کنند.

میدان مغناطیسی قطب‌های همنام و غیرهمنام

هنگام ثبت خطوط میدان مغناطیسی با یک قطب‌نما مشاهده می‌شود که خطوط نیرو در مسیری معین ایجاد می‌شوند. خطوط نیرو قطب شمال را ترک می‌کنند و در قطب جنوب مجدد وارد آهنربا می‌شوند. خاصیت مغناطیسی با حرارت دادن یا چکش خوردن ماده مغناطیسی از بین می‌رود، اما شکستن آهنربا به دو قسمت نمی‌تواند اثری بر این خاصیت داشته باشد.

بنابراین اگر یک آهنربای میله‌ای داشته باشیم و به دو قسمت تقسیم شود، هر قسمت قطب شمال و قطب جنوب خود را دارد. مهم نیست که آهنربا چندین بار تقسیم شود، بازهم هر قسمت یک قطب شمال و یک قطب جنوب خواهد داشت.

 برای اینکه بتوانیم از مغناطیس در محاسبات الکتریکی یا الکترونیکی استفاده کنیم، لازم است که جنبه‌های مختلف مغناطیس را تعریف کنیم.

شدت خاصیت مغناطیسی

 می‌دانیم که  خطوط نیرو یا شار مغناطیسی حول یک ماده مغناطیسی با نماد Φ، با واحد شار وِبر (Wb) بیان می‌شود. اما تعداد خطوط نیروها در واحد سطح « چگالی شار» نامیده می‌شود و از آنجایی‌که شار (Φ) برحسب وِبر (Wb) و سطح (A) برحسب مترمربع (m۲) اندازه‌گیری می‌شود، چگالی شار برحسب « وِبر» بر «مترمربع» (Wb/ m۲) اندازه‌گیری می‌شود و با نماد B نمایش داده می‌شود.

 با این‌حال، هنگام اشاره به چگالی شار در خاصیت مغناطیسی، به افتخار نیکولاس تسلا چگالی شار با واحد تسلا (T) بیان می‌شود بنابراین یک تسلا (T) برابر یک « وِبر» بر «مترمربع» (Wb/ m۲) است، Wb/ m۲ 1=T1. چگالی شار با خطوط نیروی رابطه مستقیم و با سطح رابطه معکوس دارد بنابراین ما می‌توانیم چگالی شار را به‌صورت زیر تعریف کنیم:

چگالی شار مغناطیسی

نماد برای چگالی شار مغناطیسی: B و واحد چگالی شار مغناطیسی تسلا، T است.

مثالی از چگالی شار :

مقدار  شار موجود در یک آهنربای استوانه‌ای ۰.۰۱۳ وِبر است. اگر قطر ماده ۱۲ سانتی‌متر باشد، چگالی شار را محاسبه کنید.

سطح مقطع ماده مغناطیسی برحسب مترمربع (m۲) به‌صورت زیر بیان می‌شود:

سانتی‌متر۱۲ = قطر

πr۲ =سطح

A=3.142×0.06۲

شار مغناطیسی ۰.۰۱۳ وِبر است، بنابراین چگالی شار می‌تواند به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

بنابراین چگالی شار 1.15T  است.

باید بخاطر داشته باشیم که یک تسلا چگالی یک میدان مغناطیسی است به‌گونه‌ای که هادی حامل جریان یک آمپر با طول ۱ متر  نیروی ۱ نیوتن را در راستای عمود بر میدان مغناطیسی تحمل می‌کند. در مقاله بعدی در مورد الکترومغناطیس مطالبی را بیان خواهیم کرد.