الأنواع البارامغنطيسية موجودة في كل مكان. في الإعداد الصحيح ، وبنبرة حزينة بشكل صحيح ، يمكن أن تستدعي هذه العبارة صورًا لغزاة فضائيين غريبين يركضون في جميع أنحاء العالم. بدلاً من ذلك ، فهو بيان أساسي حول جودة معينة تتقاسمها مجموعة محددة جيدًا من الجسيمات على الأرض وحولها ، وواحدة محددة باستخدام معايير موضوعية وسهلة التحديد.
لا شك أنك استخدمت المغناطيس في حياتك ، وفي معظم الحالات التي عملت بها في مجال مغناطيسي غير تافه ، لم تكن على علم بذلك. قد تعلم حتى أن بعض المواد تعمل كمغناطيس دائم ، وأن هذه يمكن أن تجذب المعادن على الرغم من أن هذه المعادن ليست مغناطيسًا على ما يبدو. او انهم؟
كما يحدث ، يشتمل عالم الفيزياء ، وتحديداً الفرع الفرعي للكهرومغناطيسية ، على مجموعة متنوعة من أنواع المغناطيسية. واحد من هؤلاء البارامغناطيسية، وهي خاصية غالبًا ما يتم التحقق منها بسهولة بمجرد رؤيتها ، لأن المواد البارامغناطيسية تنجذب إلى مجال مغناطيسي مطبق خارجيًا. ولكن كيف يحدث هذا ، ومن أين تأتي "المجالات" المغناطيسية على أي حال؟ إن فرصة تعلم كل ذلك وأكثر يجب أن تجذبك بقوة لمواصلة القراءة!
ما هي المغناطيسية؟
في أواخر القرن الثامن عشر الميلادي ، لوحظ أن إبرة البوصلة ، التي تشير إلى الشمال نتيجة المجال المغناطيسي للأرض ، يمكن أن تنحرف عن طريق وجود تيار كهربائي قريب.
هذا هو أول دليل معروف على ارتباط الكهرباء والمغناطيسية بطريقة ما. في الواقع ، تولد الشحنات المتحركة (وهو تعريف التيار الكهربائي) مجالات مغناطيسية مع "خطوط" تعتمد على هندسة الدائرة الكهربائية.
عندما يتم لف سلك يحمل تيارًا أو لفه عدة مرات حول أنواع معينة من المعدن ، هذا يمكن أن يحفز خاصية المغناطيسية في هذه المعادن ، على الأقل أثناء وجود التيار مطبق. يتم استخدام بعضها في أماكن مثل ساحات الخردة المعدنية وهي قوية بما يكفي لرفع السيارات بأكملها.
إن التفاعل بين التيار الكهربائي والمجالات المغناطيسية هو موضوع يمكن أن يملأ الكتب المدرسية بأكملها ، ولكن في الوقت الحالي ، يجب أن تعلم أن السبب وراء بعض المواد تستجيب بشكل مختلف للمجالات المغناطيسية عن غيرها فيما يتعلق بخصائص الإلكترونات في أعلى قشرة طاقة ("خارجية") للذرات في تلك مواد.
مغنطة المواد الصلبة
إذا تم وضع مادة صلبة في مجال مغناطيسي مطبق ، فقد تتوقع أن يعتمد سلوك الجزيئات في المادة إلى حد ما على حالة المادة. هذا هو غاز، الذي يحتوي على جزيئات تتحرك بحرية تامة ، و سائل، حيث تبقى الجزيئات معًا ولكنها حرة في الانزلاق فيما بينها ، قد تتصرف بشكل مختلف عن المادة الصلبة ، التي تكون جزيئاتها مثبتة في مكانها ، عادةً في بنية من النوع الشبكي.
إذا تخيلت التركيب البلوري الأساسي لمادة صلبة (ويمكن أن تختلف طبيعة هذا النمط المتكرر من مادة إلى أخرى) ، يمكنك تخيل نوى الذرات التواجد في مراكز المكعبات ، حيث تشغل الإلكترونات مسافات بينهما ، وتكون حرة في الاهتزاز ، وفي حالة المواد الصلبة المعدنية ، تكون حرة في التجول دون قيود مع والدها نوى.
عندما تجعل إلكترونات مادة صلبة المادة مغناطيسًا دائمًا أو مغناطيسًا يمكن تحويله إلى مثل هذا المغناطيس ، تسمى المادة مغنطيسية (من اللاتينية حديد بمعنى الحديد). بالإضافة إلى الحديد ، فإن عناصر الكوبالت والنيكل والجادولينيوم هي عناصر مغناطيسية حديدية.
ومع ذلك ، فإن معظم المواد تظهر استجابات أخرى للمجالات المغناطيسية ، مما يجعل معظم الذرات شبه مغناطيسية أو مغناطيسية. يمكن العثور على هذه الخصائص بدرجات مختلفة في نفس المواد ، ويمكن أن تؤثر عوامل مثل درجة الحرارة على استجابة المادة للحقول المغناطيسية المطبقة.
مقارنة بالنفاذية المغناطيسية والبارامغناطيسية والمغناطيسية الحديدية
ضع في اعتبارك ثلاثة أصدقاء مختلفين اخترتهم كمرشحين لاختبار تطبيق الألعاب العلمية الجديد.
واحد منهم لا يستجيب إلا لرغباتك لتجربتها من خلال أن تصبح أكثر مقاومة مما كانت عليه للعب في البداية. الثاني يوافق على تثبيت التطبيق والتشغيل ، لكنه يتوقف بسرعة عن اللعب ويفك تثبيت التطبيق في كل مرة تتركه بمفرده ، فقط لإعادة تثبيته والاستمرار في اللعب كلما عاودت الظهور ؛ ويصبح الصديق الثالث على الفور مدمنًا على التطبيق و مطلقا توقف عن استخدامه.
هذه هي الطريقة التي تعمل بها الأنواع الثلاثة للمغناطيسية التي من المرجح أن تسمع عنها في حفل المكتب فيما يتعلق ببعضها البعض. في حين أن المغناطيسية الحديدية ، الموصوفة بالفعل ، هي حالة مغناطيسية دائمة ، فكيف يحدث هذا ، وما هي البدائل؟
كما يحدث ، هناك أربعة بدائل مفهومة جيدًا للمغناطيسية الحديدية. البارامغناطيسية ، مرة أخرى ، هي خاصية الانجذاب إلى مجال مغناطيسي ، وتنطبق على مجموعة واسعة من المعادن ، بما في ذلك معظم الثلاجات الحديثة. نفاذية المغنطيسية هي عكس ذلك ، الميل إلى صد بواسطة مجال مغناطيسي. تظهر جميع المواد درجة معينة من النفاذية المغناطيسية. في كلتا الحالتين ، بشكل حاسم ، تعود المادة إلى حالتها السابقة عند إزالة الحقل.
- عند التحدث بصوت عالٍ ، تبدو "المغناطيسية الحديدية" و "البارامغناطيسية" متشابهة كثيرًا ، لذا كن حذرًا عند مناقشة هذه الموضوعات في مجموعة دراسة الفيزياء الخاصة بك.
المغناطيسية الحديدية و المغناطيسية المضادة هي أنواع المغناطيسية الأقل شيوعًا. تتصرف المواد المغناطيسية الحديدية إلى حد كبير مثل المواد المغناطيسية الحديدية ، وتشمل jacobsite و magnetite. الهيماتيت والتروليت هما مركبان يبرهنان على المغناطيسية المضادة ، حيث لا يتم توليد عزم مغناطيسي.
خصائص المركبات البارامغنطيسية والذرات
تشترك العناصر البارامغناطيسية والجزيئات البارامغناطيسية في سمة رئيسية واحدة وهي موجودة إلكترونات غير مقترنة. وكلما زاد عدد هذه العناصر ، زادت احتمالية إظهار الذرة أو الجزيء البارامغناطيسية. هذا لأن هذه الإلكترونات تصطف نفسها بطريقة ثابتة مع اتجاه مجال مغناطيسي مطبق ، مما يخلق شيئًا يسمى لحظات ثنائي القطب المغناطيسي حول كل ذرة أو جزيء.
إذا كنت معتادًا على قواعد "ملء" الإلكترون ، فأنت تعلم أن المدارات الموجودة داخل الأجزاء الفرعية يمكن أن تحتوي على اثنين لكل من الإلكترونات ، وأن هناك واحدًا منها لقشرة فرعية ، وثلاثة لقشرة فرعية ص وخمسة لقشرة د. قشرة فرعية. يسمح هذا بسعة إلكترونين وستة و 10 إلكترونات في كل قشرة فرعية ، لكن هذه ستمتلئ بحيث تملأ كل منها المدار يحمل إلكترونًا واحدًا فقط لأطول فترة ممكنة حتى يتعين على الإلكترون الواحد أن يستوعب a الجار.
هذا يعني أنه يمكنك استخدام المعلومات الموجودة في جدول دوري للعناصر لتحديد ما إذا كانت المادة ستكون مغناطيسية أم لا ، ولحسن الحظ ، ما إذا كانت سيكون ضعيفًا مغناطيسيًا (كما في Cl ، الذي يحتوي على إلكترون واحد غير مزدوج) أو مغناطيسي قوي (مثل البلاتين ، الذي يحتوي على إلكترونين غير مزدوجين).
قائمة الذرات والجزيئات Diamagnetic و Paramagnetic
طريقة واحدة لقياس المغناطيسية من خلال المعلمة تسمى القابلية المغناطيسية χم، وهي كمية بلا أبعاد تتعلق باستجابة المادة لمجال مغناطيسي مطبق. أكسيد الحديد ، FeO ، له قيمة عالية جدًا تبلغ 720.
تشمل المواد الأخرى التي تعتبر شبه مغناطيسية بشدة شب الأمونيوم الحديدي (66) واليورانيوم (40) والبلاتين (26) ، التنجستن (6.8) ، السيزيوم (5.1) ، الألومنيوم (2.2) ، الليثيوم (1.4) والمغنيسيوم (1.2) ، الصوديوم (0.72) وغاز الأكسجين (0.19).
تتراوح هذه القيم على نطاق واسع وقد تبدو قيم غاز الأكسجين متواضعة ، لكن بعض المواد المغناطيسية تظهر قيمًا أصغر بكثير من تلك المذكورة أعلاه. تحتوي معظم المواد الصلبة في درجة حرارة الغرفة على χم قيم أقل من 0.00001 ، أو 1 × 10-5.
الحساسية ، كما قد تتوقع ، تُعطى كقيمة سالبة عندما تكون المادة غير مغناطيسية. تشمل الأمثلة الأمونيا (−.26) البزموت (16.6) الزئبق (−2.9) والكربون في الماس (2.1).