شاید بدانید که آهنرباها برخی فلزات خاص را جذب میکنند و دارای قطبهای شمال و جنوب هستند. قطبهای مخالف یکدیگر را جذب میکنند، در حالی که قطبهای مشابه یکدیگر را دفع میکنند. میدانهای مغناطیسی و الکتریکی با هم مرتبط هستند و مغناطیس، به همراه جاذبه و نیروهای هستهای قوی و ضعیف، یکی از چهار نیروی بنیادی در جهان است.
اما هیچکدام از این حقایق به سوال اصلی پاسخ نمیدهند: دقیقاً چه چیزی باعث میشود یک آهنربا به فلزات خاصی بچسبد؟ یا چرا آهنربا به برخی فلزات نمیچسبد؟ چرا بسته به موقعیت، آهنرباها یکدیگر را جذب یا دفع میکنند؟ و چه چیزی باعث میشود که آهنرباهای نئودیمیوم (neodymium magnets) نسبت به آهنرباهای سرامیکی که در دوران کودکی با آنها بازی میکردیم، خیلی قویتر باشند؟
برای فهمیدن پاسخ این سوالات، بد نیست که یک تعریف پایهای از آهنربا داشته باشیم. آهنرباها اجسامی هستند که میدانهای مغناطیسی تولید میکنند و فلزاتی مانند آهن، نیکل و کبالت را جذب میکنند. خطوط نیروی میدان مغناطیسی از قطب شمال آهنربا خارج شده و وارد قطب جنوب آن میشوند. آهنرباهای دائمی یا سخت همیشه میدان مغناطیسی خود را تولید میکنند. آهنرباهای موقت یا نرم در حضور میدان مغناطیسی دیگر، میدانهای مغناطیسی تولید میکنند و برای مدت کوتاهی بعد از خروج از میدان نیز این خاصیت را دارند. آهنرباهای الکتریکی تنها زمانی میدان مغناطیسی تولید میکنند که جریان برق از سیمپیچهای آنها عبور کند.
از آنجایی که الکترونها و پروتونها، خود، آهنرباهای کوچکی هستند، همه مواد به نوعی ویژگی مغناطیسی دارند. اما در بیشتر مواد، نحوه چرخش یا اسپین الکترونها در جهتهای مخالف، ویژگیهای مغناطیسی یک اتم را خنثی میکند. فلزات، رایجترین انتخابها برای ساخت آهنرباها هستند. اگرچه برخی آهنرباها از فلزات ساده ساخته میشوند، ولی ترکیب فلزات (آلیاژها) آهنرباهایی با قدرتهای مختلف تولید میکند. برای مثال:
- آهنرباهای سرامیکی یا فرّیتها (ferrites): اینها همانهایی هستند که در آهنرباهای یخچال و آزمایشهای علمی مدارس ابتدایی استفاده میشوند. آنها حاوی اکسید آهن و فلزات دیگر در یک ترکیب سرامیکی هستند. یک نوع آهنربای سرامیکی به نام لودستون (lodestone) یا مگنتیت (magnetite) اولین ماده مغناطیسی کشفشده بود و به طور طبیعی یافت میشود. اگرچه این آهنرباها مدتهاست که وجود دارند، اما تولید تجاری آنها از سال 1952 آغاز شد. آهنرباهای سرامیکی معمولاً میدان مغناطیسی ضعیفتری نسبت به انواع دیگر دارند.
- آهنرباهای آلیاژی یا آلنیکو (Alnico magnets): این آهنرباها که در دهه 1930 توسعه یافتند، از آلومینیوم، نیکل و کبالت ساخته میشوند. این آهنرباها قویتر از آهنرباهای سرامیکی هستند، اما هنوز به قدرت آهنرباهای نئودیمیوم نمیرسند.
- آهنرباهای نئودیمیوم: این آهنرباها حاوی آهن، بور و عنصر نادر نئودیمیوم هستند و به عنوان قویترین آهنرباهای تجاری موجود شناخته میشوند. این آهنرباها برای اولین بار در دهه 1980 پس از انتشار تحقیقات دانشمندان در آزمایشگاههای تحقیقاتی جنرال موتورز و شرکت آهنهای ویژه سومیتومو (Sumitomo Special Metals Company) معرفی شدند.
- آهنرباهای ساماریوم کبالت (Samarium cobalt magnets) : این آهنرباها که در دهه 1960 توسط دانشمندان دانشگاه دیتون توسعه یافتند، ترکیبی از کبالت و عنصر نادر ساماریوم هستند. در چند سال گذشته، دانشمندان همچنین پلیمرهای مغناطیسی یا آهنرباهای پلاستیکی را کشف کردهاند. برخی از این پلیمرها انعطافپذیر و قابل قالبگیری هستند. با این حال، برخی از آنها فقط در دماهای بسیار پایین کار میکنند و برخی دیگر فقط مواد بسیار سبک مانند برادههای آهن را جذب میکنند.
اصول اولیه ساخت آهنربا
امروزه بسیاری از دستگاههای الکترونیکی برای فعالیت به آهنرباها نیاز دارند. این نیاز به آهنرباها نسبتاً جدید است، به این دلیل که بیشتر دستگاههای مدرن به آهنرباهایی نیاز دارند که قویتر از آهنرباهای طبیعی باشند. لودستون (Lodestone)، یک نوع مگنتیت، قویترین آهنربای طبیعی است که میتواند اشیای کوچک مانند گیره کاغذ یا منگنه را جذب کند.
تا قرن دوازدهم، مردم کشف کرده بودند که میتوانند با استفاده از لودستون، قطعات آهن را مغناطیسی کنند و به این ترتیب قطبنماها را بسازند. با کشیدن مکرر لودستون روی یک سوزن آهنی، سوزن، مغناطیسی میشد و زمانی که در حالت معلق قرار میگرفت، خود به خود در جهت شمال-جنوب قرار میگرفت. در نهایت، دانشمند ویلیام گیلبرت (William Gilbert) توضیح داد که این همراستایی سوزنهای مغناطیسی به دلیل رفتار زمین به عنوان یک آهنربای عظیم دارای قطبهای شمال و جنوب است.
سوزن قطبنما به هیچ وجه به اندازه بسیاری از آهنرباهای دائمی امروزی قوی نیست، اما فرآیند فیزیکی که سوزنهای قطبنما و قطعات آلیاژ نئودیمیوم را مغناطیسی میکند، اساساً مشابه است. این فرآیند به منطقههایی میکروسکوپی به نام محدوده یا دامنههای مغناطیسی (magnetic domains) بستگی دارد که بخشی از ساختار فیزیکی مواد فرومغناطیس (ferromagnetic materials) مانند آهن، کبالت و نیکل هستند. هر دامنه در واقع یک آهنربای ریز با قطب شمال و جنوب است. در یک ماده مغناطیسینشدهی فرومغناطیسی، قطبهای شمال دامنهها به طور تصادفی در جهتهای مختلف قرار دارند و میدانهای مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی میکنند، بنابراین ماده هیچ میدان مغناطیسی خالصی تولید نمیکند.
در آهنرباها، در سوی مقابل، بیشتر یا همه دامنهها در یک جهت قرار میگیرند. به جای اینکه یکدیگر را خنثی کنند، میدانهای مغناطیسی میکروسکوپی ترکیب میشوند و یک میدان مغناطیسی بزرگتر ایجاد میکنند. هرچه دامنههای بیشتری در یک جهت قرار بگیرند، میدان کلی قویتر خواهد بود. میدان مغناطیسی هر دامنه از قطب شمال آن به قطب جنوب دامنه بعدی کشیده میشود.
این موضوع توضیح میدهد که چرا وقتی یک آهنربا را نصف میکنید، دو آهنربای کوچکتر با قطب شمال و جنوب خواهید داشت. این امر همچنین توضیح میدهد که چرا قطبهای مخالف یکدیگر را جذب میکنند؛ خطوط میدان از قطب شمال یک آهنربا خارج شده و به طور طبیعی وارد قطب جنوب آهنربای دیگری میشوند و در واقع یک آهنربای بزرگتر تشکیل میدهند. قطبهای مشابه یکدیگر را دفع میکنند، زیرا خطوط نیروی آنها در جهتهای مخالف حرکت میکنند و به جای اینکه به هم پیوسته شوند، با یکدیگر برخورد میکنند.
اصول ساخت آهنربا با جزئیات بیشتر
برای ساخت یک آهنربای دائمی، تنها کافی است که دامنههای مغناطیسی یک قطعه فلز را به همسو شدن در یک جهت واحد هدایت کنید. این اتفاق زمانی میافتد که یک سوزن را با یک آهنربا مالش دهید؛ قرار گرفتن در معرض میدان مغناطیسی باعث میشود که دامنهها همخط شوند. سایر روشها برای همراستا کردن دامنههای مغناطیسی شامل موارد زیر است:
- قرار دادن فلز در یک میدان مغناطیسی قوی به جهت شمال- جنوب.
- نگه داشتن فلز در جهت شمال- جنوب و ضربه زدن مکرر به آن با چکش، تا دامنهها به طور ضعیف هماهنگ شوند.
- عبور دادن جریان الکتریکی از فلز.
دو مورد از این روشها جزو نظریههای علمی در مورد چگونگی تشکیل مگنتیت در طبیعت هستند. برخی از دانشمندان حدس میزنند که مگنتیت هنگام برخورد با صاعقه، مغناطیسی میشود. نظریه دیگری میگوید که قطعات مگنتیت در زمان شکلگیری اولیه زمین، به آهنربا تبدیل شدهاند. دامنههای مغناطیسی در حالی که اکسید آهن، مذاب و انعطافپذیر بوده است با میدان مغناطیسی زمین همراستا شدهاند.
امروزه معمولترین روش برای ساخت آهنرباها، قرار دادن فلز در یک میدان مغناطیسی است. میدان مغناطیسی به مواد گشتاور (torque) وارد میکند و باعث میشود که دامنهها همخط شوند. در این فرایند تأخیر جزئی وجود دارد که به آن پسماند مغناطیسی یا هیسترزیس (hysteresis) میگویند؛ یعنی کمی زمان میبرد تا دامنهها شروع به حرکت کنند. در واقع اتفاقی که میافتد این است:
- دامنههای مغناطیسی میچرخند تا بتوانند در امتداد خطوط شمال- جنوب میدان مغناطیسی همراستا شوند.
- دامنههایی که از قبل به سمت شمال- جنوب بودند، بزرگتر میشوند زیرا دامنههای ناهمسوی اطراف آنها کوچکتر میشوند.
- دیوارههای دامنه یا مرزهای بین دامنههای همسایه، برای جا باز کردن برای رشد دامنهها، جا به جا میشوند. در یک میدان مغناطیسی قوی، برخی از دیوارهها کاملاً ناپدید میشوند.
استحکام آهنربای حاصل، به مقدار نیروی اعمالشده برای حرکت دادن دامنهها بستگی دارد. ماندگاری یا پایایی (retentivity) آن به میزان دشواری همراستا کردن دامنهها به هم بستگی دارد. موادی که مغناطیسیشدن آنها دشوار است، معمولاً برای مدت طولانیتری خاصیت آهنربایی خود را حفظ میکنند، در حالی که موادی که به راحتی مغناطیسی میشوند، اغلب به حالت غیر مغناطیسی اولیه خود باز میگردند.
میتوانید با قرار دادن آهنربا در معرض یک میدان مغناطیسی که در جهت مخالف قرار دارد، استحکام آن را کاهش دهید یا آن را کاملاً غیر مغناطیسی کنید. همچنین میتوانید با گرم کردن یک ماده، تا بالاتر از نقطه کوری (Curie point) آن، یا دمایی که در آن خواص مغناطیسی یک جسم تغییر میکند، آن را غیرمغناطیسی کنید. گرما ماده را تغییر شکل میدهد و ذرات مغناطیسی را برانگیخته میکند و باعث میشود دامنهها از همراستایی خارج شوند.
حمل و نقل آهنرباهای بزرگ
آهنرباهای بزرگ و قدرتمند کاربردهای صنعتی متعددی، از نوشتن دادهها تا القای جریان در سیمها، دارند. اما حمل و نقل و نصب آهنرباهای بزرگ میتواند دشوار و خطرناک باشد. آهنرباها نهتنها میتوانند به سایر اقلام در حین حمل و نقل آسیب برسانند، بلکه نصب آنها پس از رسیدن به مقصد نیز میتواند دشوار یا غیرممکن باشد. علاوه بر این، آهنرباها تمایل به جمعآوری خرده ذرات فرومغناطیسی دارند که حذف آنها دشوار است و حتی میتواند خطرناک باشد. به همین دلیل، تأسیسات استفادهکننده از آهنرباهای بسیار بزرگ، اغلب دارای تجهیزات داخلی هستند که به آنها اجازه میدهد مواد فرومغناطیسی را در همان مکان به آهنربا تبدیل کنند. اغلب، آن دستگاه خود یک آهنربای الکتریکی است (یعنی با وصلشدن به برق به آهنربا تبدیل میشود-م).
چرا آهنرباها (به برخی از فلزات) میچسبند؟
اگر مقاله “نحوه کار آهنرباهای الکتریکی” را خوانده باشید، میدانید که جریان الکتریکی عبوری از یک سیم، یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند. بارهای الکتریکی متحرک نیز مسئول میدان مغناطیسی در آهنرباهای دائمی هستند. اما میدان یک آهنربا از جریان بزرگ عبوری از یک سیم ناشی نمیشود – بلکه از حرکت الکترونها ناشی میشود.
بسیاری از مردم تصور میکنند که الکترونها ذرات کوچکی هستند که درست مانند سیارات به دور یک خورشید، به دور هسته یک اتم میچرخند. همانطور که فیزیکدانان کوانتومی در حال حاضر توضیح میدهند، حرکت الکترونها کمی پیچیدهتر از این است. اساساً، الکترونها اوربتالها یا مدارهای پوستهمانند یک اتم را پر میکنند، جایی که هم به عنوان ذره و هم به عنوان موج رفتار میکنند. الکترونها دارای بار و جرم هستند، و همچنین دارای خاصیتی هستند که فیزیکدانان آن را اسپین یا چرخش در جهت بالا یا پایین توصیف میکنند.
به طور کلی، الکترونها اوربیتالهای اتم را به صورت جفت (pairs) پر میکنند. اگر اسپین یکی از الکترونهای یک جفت، به سمت بالا باشد، دیگری به سمت پایین است. غیرممکن است که اسپین هر دو الکترون یک جفت در یک جهت باشند. این بخشی از اصل مکانیک کوانتومی به نام اصل طرد پائولی (Pauli Exclusion Principle) است.
اگرچه الکترونهای یک اتم در فاصله خیلی دور حرکت نمیکنند، حرکت آنها برای ایجاد یک میدان مغناطیسی کوچک کافی است. از آنجایی که اسپین الکترونهای جفت شده در جهتهای مخالف هستند، میدانهای مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی میکنند. از سوی دیگر، اتمهای عناصر فرومغناطیسی دارای چندین الکترون جفتنشده هستند که دارای اسپین یکسانی هستند. به عنوان مثال، آهن دارای چهار الکترون جفتنشده با اسپین یکسان است. از آنجایی که آنها میدانهای مخالفی برای خنثی کردن اثرات خود ندارند، این الکترونها دارای ممان مغناطیسی مداری (orbital magnetic moment) هستند. ممان مغناطیسی یک بردار است و دارای اندازه و جهت است. این هم به میدان مغناطیسی و هم گشتاور وارد شده توسط میدان مربوط میشود. ممان مغناطیسی کل یک آهنربا از ممانهای همه اتمهای آن ناشی میشود.
در فلزاتی مانند آهن، ممان مغناطیسی مداری اتمهای مجاور را تشویق میکند تا در امتداد خطوط میدان شمال- جنوب واحدی تراز شوند. آهن و سایر مواد فرومغناطیسی ساختار بلوری دارند. همانطور که آنها از حالت مذاب سرد میشوند، گروههایی از اتمها با اسپین مداری موازی در ساختار بلوری در یک راستا قرار میگیرند. این امر باعث تشکیل دامنههای مغناطیسی میشود که در بخش قبلی مورد بحث قرار گرفت.
ممکن است متوجه شده باشید که موادی که آهنرباهای خوبی میسازند همان موادی هستند که آهنرباها آنها را جذب میکنند. دلیل این امر این است که آهنرباها موادی را جذب میکنند که دارای الکترونهای جفتنشدهای هستند که اسپینشان در یک جهت هستند. به عبارت دیگر، عاملی که یک فلز را به آهنربا تبدیل میکند، آن فلز را نیز به آهنربا جذب میکند. بسیاری از عناصر دیگر دیامغناطیسی (diamagnetic) هستند – یعنی اتمهای جفتنشده آنها میدانی ایجاد میکنند که به طور ضعیفی یک آهنربا را دفع میکند. برخی از مواد نیز اصلاً با آهنربا واکنش نمیدهند.
این توضیح و فیزیک کوانتومی زیربنای آن بسیار پیچیده است، و بدون آنها ایده جاذبه مغناطیسی میتواند مرموز باشد. بنابراین جای تعجب نیست که مردم در طول تاریخ با دیدهی تردید به مواد مغناطیسی نگاه کردهاند.
اندازهگیریهای مربوط به آهنرباها
برای اندازهگیری ویژگی های مربوط به آهنرباها، میتوانید میدانهای مغناطیسی را با استفاده از ابزارهایی مانند گوسمتر (gauss meters) اندازهگیری کنید و آنها را با استفاده از معادلات متعدد توصیف و توضیح دهید. در اینجا به برخی از اصول اولیه میپردازیم:
- خطوط نیروی مغناطیسی یا شار (flux)، بر حسب وبر (Weber) اندازهگیری میشود. در سیستمهای الکترومغناطیسی، شار به جریان (current) مربوط میشود.
- قدرت یک میدان یا چگالی شار، بر حسب تسلا (T) یا گاوس (G) اندازهگیری میشود. یک تسلا برابر با 10000 گاوس است. همچنین میتوانید شدت میدان را بر حسب وبر بر متر مربع اندازهگیری کنید. در معادلات، نماد B نشاندهنده میدان مغناطیسی است.
- اندازه یا بزرگی میدان بر حسب آمپر بر متر یا اُرستد (Oersted) اندازهگیری میشود. نماد H آن را در معادلات نشان میدهد.
افسانهها درباره آهنربا
هر بار که از رایانه استفاده میکنید، از آهنربا استفاده میکنید. اگر خانه شما زنگ در دارد، احتمالاً از یک آهنربای الکتریکی برای به صدا درآوردن یک صداساز استفاده میکند. آهنرباها همچنین اجزای حیاتی در تلویزیونهایCRT، بلندگوها، میکروفونها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی، دزدگیرها، نوارهای کاست، قطبنماها و سرعتسنجهای خودرو هستند.
علاوه بر کاربردهای عملی، آهنرباها خواص شگفتانگیز متعددی دارند. آنها میتوانند جریان را در سیم القاء کنند و گشتاور را برای موتورهای الکتریکی تأمین کنند. قطارهای مغناطیسی (Maglev train) از نیروی رانش مغناطیسی برای حرکت با سرعت بالا استفاده میکنند و مایعات مغناطیسی به پر کردن سوخت موتورهای موشک کمک میکنند.
میدان مغناطیسی زمین، معروف به مگنتوسفر (magnetosphere)، از آن در برابر باد خورشیدی محافظت میکند. به گزارش مجله Wired، برخی از افراد حتی آهنرباهای نئودیمیوم کوچک را در انگشتان خود کاشت میکنند تا بتوانند میدانهای الکترومغناطیسی را تشخیص دهند.
دستگاههای تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) از میدانهای مغناطیسی برای امکانپذیر شدن بررسی اندامهای داخلی بیماران توسط پزشکان استفاده میکنند. پزشکان همچنین از میدانهای الکترومغناطیسی پالسی برای درمان استخوانهای شکستهای که به درستی بهبود نیافتهاند، استفاده میکنند. این روش که توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده در دهه 1980 تأیید شد، میتواند استخوانهایی را که به درمانهای دیگر پاسخ ندادهاند، ترمیم کند. پالسهای مشابه انرژی الکترومغناطیسی ممکن است به جلوگیری از کاهش استخوان و عضله در فضانوردانی که برای مدت طولانی در محیطهای بیوزنی هستند، کمک کند.
آهنرباها همچنین میتوانند از سلامت حیوانات محافظت کنند. گاوها مستعد ابتلا به بیماری به نام رتیکولوپریکاردیت آسیبزا (traumatic reticulopericarditis) هستند که ناشی از بلعیدن اجسام فلزی است. اجسام بلعیده شده میتوانند معده گاو را سوراخ کنند و به دیافراگم یا قلب آن آسیب برسانند. آهنرباها برای جلوگیری از این بیماری ضروری هستند.
یک روش شامل عبور آهنربا از روی غذای گاوها برای حذف اجسام فلزی وجود دارد. روش دیگر تغذیه گاوها با آهنربا است. آهنرباهای آلومینیوم نیکل کبالت بلند و باریک، معروف به آهنرباهای گاو، میتوانند قطعات فلزی را جذب کنند و از آسیب رساندن آنها به معده گاو جلوگیری کنند.
از سوی دیگر، انسانها هرگز نباید آهنربا بخورند، زیرا میتوانند از طریق دیوارههای روده انسان به هم بچسبند، جریان خون را مسدود کنند و بافت را از بین ببرند. در انسانها، آهنرباهای بلعیده شده اغلب نیاز به جراحی برای خارج کردن دارند.
برخی از افراد از استفاده از مغناطیسدرمانی برای درمان طیف گستردهای از بیماریها و شرایط حمایت میکنند. به گفته پزشکان، کفیهای مغناطیسی، دستبندها، گردنبندها، پدهای تشک و بالشها میتوانند همه چیز را از آرتروز تا سرطان درمان یا تسکین دهند. برخی از طرفداران همچنین پیشنهاد میکنند که مصرف آب آشامیدنی مغناطیسیشده میتواند بیماریهای مختلف را درمان یا پیشگیری کند.
طرفداران، چندین توضیح برای نحوه عملکرد این روش ارائه میدهند. یکی از آنها این است که آهنربا آهن موجود در هموگلوبین خون را جذب میکند و جریان خون را به یک ناحیه خاص بهبود میبخشد. توضیح دیگر این است که میدان مغناطیسی به نوعی ساختار سلولهای اطراف را تغییر میدهد.
با این حال، مطالعات علمی تأیید نکردهاند که استفاده از آهنرباهای ثابت، تأثیری بر درد یا بیماری دارد. کارآزماییهای بالینی نشان میدهند که فواید مثبت نسبتدادهشده به آهنرباها ممکن است در واقع ناشی از گذر زمان، بالشتک اضافی در کفیهای مغناطیسی یا اثر دارونما باشد. علاوه بر این، آب آشامیدنی معمولاً حاوی عناصری نیست که بتوانند مغناطیسی شوند، که ایده آب آشامیدنی مغناطیسی را زیر سوال میبرد.