مغناطیس چیست؟ — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی در مورد میدان مغناطیسی صحبت کردیم. در این آموزش به بررسی دلیل وجود خاصیت مغناطیسی در مواد می‌پردازیم.

هنگامی که جریان الکتریکی، از یک هادی مثل یک سیم یا کابل عبور می‌کند، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی در آن ایجاد می‌شود که به آن میدان الکترومغناطیسی می‌گویند. یک هادی حامل جریان،‌ در اطراف خود، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. این میدان، قطب شمال و جنوب دارد که جهت این قطب‌ها، بر اساس جهت جریان در هادی است.

«مغناطیس» (Magnetism) نقشی اساسی در حوزه مهندسی برق و الکترونیک ایفا می‌کند. اگر مغناطیس وجود نداشت، دستگاه‌های ساخته شده به وسیله این پدیده مثل القاگر، موتور، ژنراتور، ترانسفورماتور، سلونوئید،‌ رله،‌ بوبین،‌ بلندگو یا کنتور برق، دیگر کار نمی‌کردند. بنابراین هر سیم‌پیچ که جریان از آن عبور می‌کند، از اثرات الکترومغناطیسی بهره می‌برد. اما قبل از آنکه با جزییات بیشتری به مغناطیس و به‌خصوص الکترومغناطیس بپردازیم، لازم است طرز کار آهنربا و مغناطیس را یادآوری کنیم.

مغناطیس در طبیعت

در طبیعت، آهنربا، در سنگ معدن مغناطیسی یافت می‌شود. دو نوع اصلی آن، سنگ آهن مغناطیسی یا اکسیدآهن «مگنتیت» (Magnetite) ($$Fe_3 {} O_4$$) و دیگری «لودستون» (Lodestone) است. اگر این دو نوع سنگ مغناطیسی طبیعی را از یک نخ آویزان کنیم، همیشه در جهت میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرند و به سمت قطب شمال جهت‌گیری می‌کنند.

فیلم آموزش فیزیک 2 دانشگاه – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

یک مثال مناسب از این اثر، ساختن قطب‌نما با کمک سوزن است. برای بیشتر کاربردهای عملی، از سنگ‌های طبیعی مغناطیسی استفاده نمی‌شود زیرا امروزه، آهنربای ساخته شده به دست بشر را می‌توان در شکل‌های مختلف، ابعاد و یا حتی شدت آهنربایی متفاوت ساخت.

در حالت کلی دو نوع «آهنربا» وجود دارد. یکی «آهنربای دائم» و دیگری «آهنربای موقت» که که بسته به کاربرد، از هر کدام استفاده می‌شود. انواع مختلفی از فلزات مثل آهن،‌ نیکل، آلیاژهای نیکل، کروم یا کبالت را می‌توان برای ساخت آهنربا به کار برد. بعضی فلزات مثل نیکل و کبالت در حالت طبیعی خاصیت مغناطیسی بسیار ناچیزی دارند.

هنگامی که این فلزات با یکدیگر ترکیب شوند، آلیاژ تشکیل می‌دهند. این آلیاژها، مثل آلیاژ آهن یا آلومینیوم پراکسید، خاصیت آهنربایی بسیار قوی دارند؛ مانند: آلنیکو، آلنی، آلکومکس.

مواد مغناطیسی در حالت غیر مغناطیسی خود،‌ آرایش مغناطیسی مولکولی ضعیفی دارند. می‌توان گفت آرایش مولکولی مغناطیسی این مواد، آهنرباهایی در جهات مختلف و به صورت تصادفی است که در مجموع اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. زیرا هر آهنربای مولکولی سعی می‌کند اثر آهنربای مجاور خود را خنثی کند.

وقتی ماده، مغناطیسی می‌شود، این آرایش تصادفی مولکولها تغییر می‌کند و آهنرباهای کوچک مولکولی هم‌جهت می‌شوند. برآیند این آهنرباهای کوچک یک آهنربای بزرگ می‌سازد. ایده هم‌جهت شدن آهنربای مولکولی در مواد فرومغناطیس، «تئوری وبر» (Weber Theory) نام دارد و در شکل زیر نشان داده شده است.

جهت مولکول‌های مغناطیسی در یک قطعه آهنی و یک آهنربا

تئوری وبر می‌گوید که، همه اتم‌ها، به دلیل اسپین الکترون‌های آنها، خواص مغناطیسی دارند. مواد مغناطیسی از گروهی از آهنرباهای کوچک مولکولی در کنار هم تشکیل می‌شود. در مواد مغناطیسی شده، بیشتر آهنرباهای کوچک مولکولی هم‌جهت هستند. هر ماده مغناطیسی، در یک طرف قطب شمال و در طرف دیگر قطب جنوب خواهد داشت.

به همین ترتیب، در موادی که خاصیت مغناطیسی ندارند، آهنرباهای کوچک مولکولی، آرایش تصادفی دارند. به طوری که هر آهنربای مولکولی، خاصیت آهنربایی مولکولی مجاور خود را خنثی می‌کند. به ناحیه‌ای که در آن، آهنرباهای مولکولی در کنار یکدیگر هستند، «حوزه» (Domain) گفته می‌شود.

هر ماده مغناطیسی، بسته به درجه هم‌جهت بودن حوزه‌های مغناطیسی درون آن (که به وسیله اوربیتال‌ها و اسپین الکترون اتم‌ها، ایجاد شده)، میدان مغناطیسی تولید می‌کند. این درجه از هم‌جهت بودن با یک کمیت به نام «مغناطیس‌کنندگی» (M) شناخته می‌شود.

در یک ماده غیر مغناطیسی، مقدار مغناطیس‌کنندگی برابر صفر است ($$M=0$$). اگر یک میدان مغناطیسی به یک ماده غیر مغناطیسی اعمال کنیم تا آن ماده مغناطیسی شود و سپس این میدان را حذف کنیم، همچنان در برخی حوزه‌ها، آهنرباهای الکتریکی، هم‌جهت باقی می‌مانند. بسته به نوع ماده، این میدان‌ها یا هم‌جهت هستند یا اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. این خاصیت که ماده می‌تواند خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کند «پایداری مغناطیسی» (Retentivity) نام دارد.

موادی که پایداری مغناطیسی بالایی دارند، معمولا در ساخت آهنربای دائم به کار می‌روند. از طرف دیگر،‌ از موادی که پایداری مغناطیسی پایینی دارند و به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند، برای ساخت رله یا سلونوئید استفاده می‌شود.

شار مغناطیسی

همه آهنرباها، مستقل از شکل خود، دو ناحیه دارند. این دو ناحیه، قطب‌های آهنربا را تشکیل می‌دهد. خاصیت مغناطیسی، هم در داخل آهنربا و هم بیرون آن وجود دارد. این خاصیت، مثل یک زنجیره معین و خطوطی نامرئی با شکل مشخص است. این خطوط، «خطوط شار» (Line of flux) نام دارد.

فیلم آموزش فیزیک عمومی 2 – حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

خطوط شار (میدان برداری)، با چشم دیده نمی‌شود. اما اگر روی یک صفحه کاغذ، یک آهنربا قرار دهیم و سپس براده‌های آهن بریزیم، این براده‌ها، به سمت قطب شمال و جنوب آهنربا جذب می‌شوند. با حرکت دادن قطب‌نما اطراف آهنربا نیز، می‌توان قطب‌های شمال و جنوب را ردیابی کرد.

میدان‌های مغناطیسی همیشه به صورت خطوط نیرو نشان داده می‌شود. این میدان در نزدیکی قطب‌ها، بیشترین مقدار خود را دارد.  خطوطی که جهت و شدت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد، «خطوط نیرو» (Lines of Force) یا به صورت کلی‌تر، شار مغناطیسی نام دارد. شار مغناطیسی با نماد $$\Phi$$ نشان داده می‌شود.

خطوط نیرو اطراف یک آهنربای میله‌ای

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است،‌ میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا بیشترین مقدار خود را دارد، زیرا چگالی خطوط در این ناحیه‌ها بیشتر است. جهت شار مغناطیسی همیشه از قطب شمال (N) به سمت قطب جنوب (S) است. این خطوط میدان مغناطیسی، حلقه‌های بسته‌ای تشکیل می‌دهند که قطب شمال آهنربا را ترک می‌کند و به قطب جنوب آن وارد می‌شود.

هرچند، شار مغناطیسی، از قطب شمال به قطب جنوب جاری نمی‌شود زیرا شار مغناطیسی به صورت ایستا در اطراف آهنربا وجود دارد. هنگام رسم خطوط نیرو باید به نکته‌های زیر توجه کرد:

• خطوط نیرو هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
• خطوط نیرو پیوسته هستند.
• خطوط نیرو حلقه‌ای بسته اطراف آهنربا ایجاد می‌کنند.
• خطوط نیرو همیشه از قطب شمال شروع و به قطب جنوب ختم می‌شوند.
• خطوط نیرو با فاصله کم، نشان‌دهنده میدان مغناطیسی قوی هستند.
• خطوط نیرو با فاصله زیاد از هم، نشان‌دهنده میدان مغناطیسی ضعیف‌ ‌هستند.

نیروهای مغناطیسی مثل نیروهای الکتریکی، یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند. وقتی دو میدان مغناطیسی در مجاورت هم داشته باشیم یکی از دو حالت زیر اتفاق می‌افتد:

• هنگامی که دو قطب مجاور هم، همنام هستند (دو قطب شمال در کنار هم یا دو قطب جنوب در کنار هم)، میدان‌های مغناطیسی یکدیگر را دفع می‌کنند.
• هنگامی که دو قطب مجاور هم، ناهمنام هستند (قطب شمال و جنوب در کنار هم)، میدان‌های مغناطیسی یکدیگر را جذب می‌کنند.

میدان‌های مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های همنام و ناهمنام

هنگام رسم میدان‌های مغناطیسی با قطب‌نما، می‌توان مشاهده کرد که خطوط نیرو،‌ قطب شمال را ترک و به قطب جنوب وارد می‌شوند. خاصیت مغناطیسی به وسیله حرارت دادن یا چکش زدن به آهنربا از بین می‌رود اما شکستن آهنربا به دو قسمت، روی خاصیت مغناطیسی تأثیری ندارد.

قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارد. مثلا اگر یک آهنربای میله‌ای را نصف کنیم، باز هم دو قطبی خواهیم داشت.

در واقع، بدون توجه به این که چند بار آهنربا تقسیم شده است، باز هم در هر آهنربا، یک قطب شمال و یک قطب جنوب داریم. حتی اتم های منفرد، خود، مانند آهنرباهای کوچکی عمل می­‌کنند. این همان بازتاب معادلات ماکسول است که می‌­گوید بار الکتریکی مثبت و منفی جدا شده وجود دارد، اما تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد.

چگالی شار مغناطیسی

خطوط نیرو یا شار مغناطیسی ($$\Phi$$) به افتخار «ویلهلم ادوارد وبر» (Edward Weber) با واحد وبر (Wb) شناخته می‌شود. تعداد خطوط گذرنده از یک ناحیه مشخص، «چگالی شار مغناطیسی» نام دارد. چگالی شار به صورت حاصل تقسیم شار مغناطیسی ($$\Phi$$) به سطح شار عبوری (‌A) تعریف می‌شود. واحد چگالی شار مغناطیسی (B) وبر به متر مربع (Wb/m²) است. به افتخار نیکولا تسلا این واحد به نام تسلا (T) نیز شناخته می‌شود. بنابراین: 1T=1Wb/m².

فیلم آموزش الکترومغناطیس 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

مثالی از چگالی شار

مقدار شار موجود در یک آهنربای استوانه‌ای به اندازه 0.013 وبر است. اگر قطر استوانه ۱۲ سانتی‌متر باشد، چگالی شار را بیابید.

حل: سطح مقطع شار گذرنده از این آهنربا همان مساحت دایره است، پس:

$$A=\pi \times r^2 =3.142 \times 0.06^2=0.0113 m^2$$

شار مغناطیسی برابر ۰.۰۱۳ وبر است بنابراین چگالی شار عبارت است از:

$$B=\frac{\Phi}{A}=\frac{0.013}{0.0113}=1.15T$$