كيف يتم تشكيل المغناطيس؟

كل شخص تقريبًا على دراية بالمغناطيس الأساسي وما يفعله أو يمكنه فعله. الطفل الصغير ، إذا أعطيت لحظات قليلة من اللعب والمزيج المناسب من المواد ، سوف يدرك هذا الأمر المؤكد بسرعة يتم سحب أنواع الأشياء (التي سيحددها الطفل لاحقًا على أنها معادن) نحو المغناطيس بينما لا يتأثر البعض الآخر به. وإذا أُعطي الطفل أكثر من مغناطيس ليلعب به ، فستصبح التجارب بسرعة أكثر تشويقًا.

المغناطيسية هي كلمة تشمل عددًا من التفاعلات المعروفة في العالم المادي غير المرئية للعين البشرية المجردة. النوعان الأساسيان من المغناطيس هما المغناطيسات الحديديةالتي تخلق مجالات مغناطيسية دائمة حول نفسها مغناطيس كهربائي، وهي المواد التي يمكن أن تحدث فيها المغناطيسية مؤقتًا عند وضعها في مجال كهربائي ، مثل تلك الناتجة عن ملف من الأسلاك الحاملة للتيار.

إذا سألك شخص ما خطرسؤال بأسلوب "يتكون المغناطيس من أي مادة؟" عندها يمكنك أن تكون واثقًا من عدم وجود إجابة واحدة - ومسلحة بـ المعلومات الموجودة في متناول اليد ، ستتمكن حتى من أن تشرح للسائل الخاص بك جميع التفاصيل المفيدة ، بما في ذلك كيفية وجود المغناطيس شكلت.

كما هو الحال مع الكثير في الفيزياء - على سبيل المثال ، الجاذبية والصوت والضوء - كانت المغناطيسية دائمًا "موجودة" ، ولكن قدرة البشرية على صِفها وقم بعمل تنبؤات حولها بناءً على التجارب والنماذج والأطر الناتجة تقدمت في جميع أنحاء قرون. نشأ فرع كامل من الفيزياء حول المفاهيم ذات الصلة للكهرباء والمغناطيسية ، والتي تسمى عادةً الكهرومغناطيسية.

كانت الثقافات القديمة تدرك أن حجر الأساس، وهو نوع نادر من معدن المغنتيت المحتوي على الحديد والأكسجين (الصيغة الكيميائية: Fe₃ا₄) ، يمكن أن يجذب قطعًا من المعدن. بحلول القرن الحادي عشر ، كان الصينيون قد تعلموا أن مثل هذا الحجر الذي تصادف أن يكون طويلًا ورقيقًا سيوجه نفسه على طول المحور الشمالي الجنوبي إذا تم تعليقه في الهواء ، مما يمهد الطريق أمام بوصلة.

لاحظ المسافرون الأوروبيون الذين يستخدمون البوصلة أن الاتجاه الذي يشير إلى الشمال يختلف قليلاً خلال الرحلات عبر المحيط الأطلسي. أدى هذا إلى إدراك أن الأرض نفسها هي في الأساس مغناطيس هائل ، مع اختلاف "الشمال المغناطيسي" و "الشمال الحقيقي" اختلافًا طفيفًا ، ومختلفان بكميات متفاوتة في جميع أنحاء العالم. (الأمر نفسه ينطبق على الجنوب الحقيقي والمغناطيسي).

يظهر عدد محدود من المواد ، بما في ذلك الحديد والكوبالت والنيكل والجادولينيوم ، تأثيرات مغناطيسية قوية بمفردها. جميع المجالات المغناطيسية ناتجة عن حركة الشحنات الكهربائية بالنسبة إلى بعضها البعض. كان تحريض المغناطيسية في مغناطيس كهربائي عن طريق وضعه بالقرب من ملف من الأسلاك الحاملة للتيار المذكورة ، ولكن حتى المغناطيسات الحديدية تمتلك المغناطيسية فقط بسبب التيارات الصغيرة المتولدة في الذرة مستوى.

إذا تم إحضار مغناطيس دائم بالقرب من مادة مغناطيسية حديدية ، أو مكونات الذرات الفردية من الحديد أو الكوبالت أو أيًا كانت المادة تتماشى مع الخطوط الوهمية لتأثير المغناطيس الخارج من قطبيها الشمالي والجنوبي ، والتي تسمى المغناطيس مجال. إذا تم تسخين المادة وتبريدها ، يمكن جعل المغنطة دائمة ، على الرغم من أنها يمكن أن تحدث تلقائيًا ؛ يمكن عكس هذا المغنطة بالحرارة الشديدة أو الاضطراب الجسدي.

لا يوجد احتكار مغناطيسي موجود ؛ أي أنه لا يوجد شيء مثل "نقطة المغناطيس" ، كما يحدث مع الشحنات الكهربائية النقطية. بدلاً من ذلك ، تحتوي المغناطيسات على ثنائيات أقطاب مغناطيسية ، وتنشأ خطوط المجال المغناطيسي الخاصة بها عند القطب المغناطيسي الشمالي والمروحة إلى الخارج قبل العودة إلى القطب الجنوبي. تذكر أن هذه "الخطوط" مجرد أدوات تستخدم لوصف سلوك الذرات والجسيمات!

كما تم التأكيد سابقًا ، يتم إنتاج الحقول المغناطيسية بواسطة التيارات. في المغناطيس الدائم ، يتم إنتاج تيارات صغيرة بواسطة نوعين من حركة الإلكترونات في ذرات المغناطيس هذه: مدارها حول البروتون المركزي للذرة ، ودورانها ، أو غزل.

في معظم المواد الصغيرة لحظات مغناطيسية التي تم إنشاؤها بواسطة حركة الإلكترونات الفردية لذرة معينة تلغي بعضها البعض. عندما لا يفعلون ذلك ، تعمل الذرة نفسها كمغناطيس صغير. في المواد المغناطيسية ، لا تلغي اللحظات المغناطيسية فحسب ، بل تتماشى أيضًا مع نفس الاتجاه ، وتحويله بحيث تتم محاذاته في نفس اتجاه خطوط المغناطيس الخارجي المطبق مجال.

تحتوي بعض المواد على ذرات تتصرف بطريقة تسمح لها أن تكون ممغنطة بدرجات متفاوتة بواسطة مجال مغناطيسي مطبق. (تذكر أنك لا تحتاج دائمًا إلى مغناطيس لوجود مجال مغناطيسي ؛ سيؤدي وجود تيار كهربائي كبير بما فيه الكفاية إلى تنفيذ الحيلة.) كما سترى ، لا تريد بعض هذه المواد جزءًا دائمًا من المغناطيسية ، بينما يتصرف البعض الآخر بطريقة أكثر حزنًا.

إن قائمة المواد المغناطيسية التي تقدم فقط أسماء المعادن التي تظهر المغناطيسية لن تكون مفيدة مثل a قائمة بالمواد المغناطيسية مرتبة حسب سلوك مجالاتها المغناطيسية وكيفية عمل الأشياء على المستوى المجهري مستوى. يوجد نظام التصنيف هذا ، ويفصل السلوك المغناطيسي إلى خمسة أنواع.

• نفاذية المغناطيسية: تُظهر معظم المواد هذه الخاصية ، حيث تصطف اللحظات المغناطيسية للذرات الموضوعة في مجال مغناطيسي خارجي في اتجاه معاكس لاتجاه المجال المطبق. وفقًا لذلك ، فإن المجال المغناطيسي الناتج يعارض المجال المطبق. لكن هذا المجال "التفاعلي" ضعيف للغاية. نظرًا لأن المواد ذات هذه الخاصية ليست مغناطيسية بأي معنى ذي معنى ، فإن قوة المغناطيسية لا تعتمد على درجة الحرارة.
  
• البارامغناطيسية: المواد التي تحمل هذه الخاصية ، مثل الألمنيوم ، لها ذرات فردية ذات لحظات موجبة لصافي ثنائي القطب. ومع ذلك ، عادة ما تلغي اللحظات ثنائية القطب للذرات المجاورة بعضها البعض ، مما يترك المادة ككل غير ممغنطة. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي ، بدلاً من معارضة المجال تمامًا ، فإن ثنائيات الأقطاب المغناطيسية الذرات تصطف بشكل غير كامل مع المجال المطبق ، مما يؤدي إلى ضعف ممغنط مواد.
  
• المغناطيسية الحديدية: المواد مثل الحديد والنيكل والمغنتيت (حجر المغناطيس) لها هذه الخاصية القوية. كما تم التطرق إليه بالفعل ، فإن اللحظات ثنائية القطب للذرات المجاورة تصطف نفسها حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي. يمكن أن تؤدي تفاعلاتهم إلى مجال مغناطيسي بمقادير تصل إلى 1000 تسلا أو T (وحدة SI لشدة المجال المغناطيسي ؛ ليست قوة ولكن شيء مثل واحد). وبالمقارنة ، فإن المجال المغناطيسي للأرض نفسها أضعف 100 مليون مرة!
  
• المغناطيسية الحديدية: لاحظ الفرق بين حرف متحرك واحد من فئة المواد السابقة. عادة ما تكون هذه المواد عبارة عن أكاسيد ، وتفاعلاتها المغناطيسية الفريدة تنبع من حقيقة أن الذرات الموجودة في هذه الأكاسيد مرتبة في بنية "شبكية" بلورية. يشبه سلوك المواد المغناطيسية إلى حد كبير سلوك المواد المغناطيسية الحديدية ، ولكن ترتيب تختلف العناصر المغناطيسية في الفضاء مما يؤدي إلى مستويات مختلفة من الحساسية لدرجة الحرارة وغيرها الفروق.
  
• المغناطيسية المضادة: تتميز هذه الفئة من المواد بحساسية خاصة لدرجة الحرارة. فوق درجة حرارة معينة ، تسمى نيل درجة الحرارة أو T._ن، تتصرف المادة مثل مادة مغناطيسية. أحد الأمثلة على هذه المواد هو الهيماتيت. هذه المواد هي أيضًا بلورات ، ولكن كما يوحي اسمها ، يتم تنظيم المشابك بهذه الطريقة أن التفاعلات المغناطيسية ثنائية القطب تلغي تمامًا عندما لا يوجد مجال مغناطيسي خارجي الحالي.