مغناطیس

مِغناطیس (magnetism)
آهن ربا
پدیده های مرتبط با میدان مغناطیســی. میدان های مغناطیسی بر اثر حرکت ذرات باردار تولید می شوند. در آهن رباهای الکتریکی، الکترون ها در پیچه یا سیم متصل به باتری به حرکت در می آیند و در آهن رباهای دایمی، الکترون های چرخان در اتم ها، تولید میدان می کنند.پذیرفتاری(پذیرفتاری). مواد از لحاظ آمادگی برای آهن ربا شدن براثر میدان مغناطیسی با هم تفاوت دارند. موادی که به آهن ربای قوی بدل می شوند، مثل آهن، کبالت، و نیکل، مواد فِرومغناطیسنامیده می شوند. این امر به سبب تشکیل نواحی معروف به حوزهدر آن هاست که در آن، اتم ها، به سبب الکترون های چرخانشان مغناطیس های ضعیفی اند که هم جهت می شوند و ناحیه هایی با خاصیت مغناطیسی قوی تر پدید می آورند. اگر مواد مغناطیسی تا دمای کوریگرم شوند، خاصیت مغناطیسی شان را از دست می دهند. بیشتر مواد دیگر که به طور ضعیف به طرف آهن رباهای قوی کشیده می شوند، مواد پارامغناطیساند. خاصیت مغناطیسی اتم های این مواد به قدری کم است که تشکیل حوزه نمی دهند. آهن ربا مواد دیامغناطیسرا به صورت ضعیف دفع می کند، زیرا الکترون های اتم های این مواد درخلاف جهت نیروی مغناطیس واردشده عمل می کنند. مواد پادفِرومغناطیسپذیرفتاری بسیار کمی دارند که با افزایش دما افزایش می یابد. پدیده ای مشابه در موادی مانند فِریت ها را فِرومغناطیس می گویند.
کاربرد مغناطیس. علاوه بر کاربرد عام در دینام ها، موتورهای برقی، و دستگاه های قطع و وصل، در فناوری پیشرفته نیز بسیار حایز اهمیت است. مغناطیس در شتاب دهنده های ذرات برای پژوهش های هسته ای، حافظه های اطلاعاتی رایانه ها، ضبط های نواری، و در زمزاییکنیز کاربرد دارد.
تاریخچه. خاصیت آشنای آهن ربا، که قدرت جذب مواد آهنی است، از زمان تالسشناخته بود. نام مگنت (آهن ربا) از نام شهر ماگنِسیا، منیزای فعلی، در آسیای صغیر گرفته شده است که برای اولین بار مادۀ طبیعی مغناطیسی در مجاورت آن پیدا شد. این مادۀ معدنی، که مگنتیتیا آهن ربای طبیعی نامیده شد، محتوی مقدار درخور توجهی اکسیدهای آهن است. پیش از ساخت و کاربرد قطب نمای مصنوعی از این ماده به منزلۀ قطب نمای اولیه استفاده می کردند. ویلیام گیلبرت، دانشمند دورۀ ملکه الیزابت و پدر نظریۀ مغناطیس، خواص معروف آهن ربا را شرح داد و زمین را هم نوعی آهن ربا دانست. در ۱۸۲۰، هانس اورستدپدیدۀ الکترومغناطیس را کشف کرد. ویژگی میدان مغناطیسی یا نواحی جذب و دفع مغناطیسی در اطراف هر آهن ربا را مایکل فارادیبررسی کرد. فارادی به جای آن که قطب های مغناطیسی جذب کننده و دفع کنندۀ فاقد دخالت محیط را درنظر بگیرد، محیط را دارای خطوط نیروی مغناطیسی درنظر گرفت که حاکی از جهت نیروی مغناطیسی در هر نقطه بودند.
خواص مغناطیسی. همۀ مواد کم وبیش از خاصیت مغناطیسی برخوردارند. خاصیت مغناطیسی، هرقدر هم خفیف باشد، با استقرار ماده در میدان شدید مغناطیسی مشاهده شدنی است. بسیاری از مواد دارای خاصیت پارامغناطیسی اند و درحالی که محورهای مغناطیسی شان به موازات نیروی مغناطیس کننده است، به آهن ربا تبدیل می شوند. شمار اندکی از مواد، ازجمله بیسموت، خاصیت دیامغناطیسی دارند. این مواد درحالی به آهن ربا تبدیل می شوند که محورشان زاویه ای ۱۸۰ درجه با نیروی مغناطیس کننده بسازد. آهن، نیکل، کبالت، و بعضی آلیاژهای این فلزات همگی فِرومغناطیس اند، ولی اندازۀ آهنربا شدنشان به نیروی مغناطیس کننده و پیشینۀ مغناطیسی شان بستگی دارد. به علاوه، اگر نیروی مغناطیس کننده افزایش یابد، خاصیت آهن ربایی به حد اشباع می رسد؛ حدی که در آن شدت قطب، بیشینه خواهد شد.
آهنربای مولکولی. هنگامی که آهن ربایی را می شکنیم و آن را به دو قسمت می کنیم، به دو نیمه آهن ربا نخواهیم رسید که یکی شان قطب شمال و دیگری قطب جنوب باشد. در محل شکستگی آهن ربا، دو قطب جدید پدید می آید. بنابر نظر ویلهلم وِبِر، هر آهن ربای متشکل از ذرات مغناطیسی یا حوزه های مغناطیده ای است که امروزه ابعادشان را در حد مولکول می دانیم. بنا به نظر جِی آلفرد ایوینگ، از آن جا که عمل مغناطش، بدون ایجاد هیچ تغییری در ویژگی های شیمیایی و وزن نمونه، فقط در آن خواص مغناطیسی پدید می آورد، مواد آهن رباشونده را می توان متشکل از آهن رباهایی مولکولی دانست. بنابر این نظریه، هر تکه آهن معمولی از آهن رباهایی مولکولی تشکیل می شود که به صورت کاملاً تصادفی آرایش یافته اند. این آرایش درهم آهنرباها منجر به خنثی شدن خواص مغناطیسی و بی اثر بودن آن در خارج از جسم می شود. هنگامی که آهن در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، بی نظمی آرایش از بین می رود و محور آهن رباهای مولکولی با میدان خارجی موازی می شود. در این حالت، دو سر تکه آهن تبدیل به قطب های آزاد می شود و در نواحی میانی آن، به سبب خنثی شدن متقابل قطب های ناهمنام، آثار مغناطیسی ضعیفی پدید می آید. ظهور قطب های جدید در آهن رباهای شکسته را این نظریه توضیح می دهد، و به کمک آن دانسته می شود که حالت اشباع زمانی پدید می آید که همۀ آهن رباهای مولکولی به صورتی منظم جهت گیری کنند. به این ترتیب، ناپدیدشدن خواص مغناطیسی با برگشت نسبی به وضعیت بی نظمی مولکول ها توضیح داده می شود.
نظریۀ مگنتون(نظریۀ مگنتون). پیِر وایسدر اوایل قرن ۲۰ وجود مگنتون را به مثابۀ ذره ای بنیادی و دارای خاصیت مغناطیسی مطرح ساخت. این ذره مشابه با الکترون، ذرۀ بنیادی بار الکتریکی، در نظر گرفته می شود. فیزیک دانانی ازجمله آلبرت اینشتین، دِهاس، و نیلس بوربه بسط این نظر پرداختند. جریان الکتریکیِ در حال گذر از پیچه ای دایره ای، میدانی مغناطیسی شبیه به میدان آهن ربایی میله ای تولید می کند که در امتداد محور پیچه قرار داشته باشد. نظریۀ الکتریکی ماده خواص مغناطیسی اجسام را به حرکت مداری الکترون ها در اتم ها نسبت می دهد. در نظریۀ کوانتومیاتم، که نخستین بار بور آن را مطرح کرد، از نظریۀ مگنتون حمایت شد و متعاقب آن، اوتو اشترنو والتر گرلاخشواهد تجربی مستقیمی از وجود گشتاور مغناطیسی مدارهای الکترون را به دست آوردند (۱۹۲۱).