مغناطیس
مِغناطیس (magnetism)
پدیده‌های مرتبط با میدان مغناطیســی. میدان‌های مغناطیسی بر اثر حرکت ذرات باردار تولید می‌شوند. در آهن‌رباهای الکتریکی، الکترون‌ها در پیچه یا سیم متصل به باتری به حرکت در می‌آیند و در آهن‌رباهای دایمی، الکترون‌های چرخان در اتم‌ها، تولید میدان می‌کنند.
پذيرفتاري (پذیرفتاری[۱]). مواد از لحاظ آمادگی برای آهن‌ربا‌شدن براثر میدان مغناطیسی با هم تفاوت دارند. موادی که به آهنربای قوی بدل می‌شوند، مثل آهن، کبالت، و نیکل، مواد فِرومغناطیس[۲] نامیده می‌شوند. این امر به‌سبب تشکیل نواحی معروف به حوزه[۳] در آن‌هاست که در آن، اتم‌ها، به‌سبب الکترون‌های چرخانشان مغناطیس‌های ضعیفی‌اند که هم‌جهت می‌شوند و ناحیه‌هایی با خاصیت مغناطیسی قوی‌تر پدید می‌آورند. اگر مواد مغناطیسی تا دمای کوری[۴] گرم شوند، خاصیت مغناطیسی‌شان را از دست می‌دهند. بیشتر مواد دیگر که به طور ضعیف به طرف آهن‌رباهای قوی کشیده می‌شوند، مواد پارامغناطیس[۵]اند. خاصیت مغناطیسی اتم‌های این مواد به‌قدری کم است که تشکیل حوزه نمی‌دهند. آهنربا مواد دیامغناطیس[۶] را به‌صورت ضعیف دفع می‌کند، زیرا الکترون‌های اتم‌های این مواد درخلاف جهت نیروی مغناطیس واردشده عمل می‌کنند. مواد پادفِرومغناطیس[۷] پذیرفتاری بسیار کمی دارند که با افزایش دما افزایش می‌یابد. پدیده‌ای مشابه در موادی مانند فِریت‌ها را فِرومغناطیس می‌گویند.
کاربرد مغناطیس. علاوه بر کاربرد عام در دینام‌ها، موتورهای برقی، و دستگاه‌های قطع و وصل، در فناوری پیشرفته نیز بسیار حایز اهمیت است. مغناطیس در شتاب‌دهنده‌های ذرات برای پژوهش‌های هسته‌ای، حافظه‌های اطلاعاتی رایانه‌ها، ضبط‌های نواری، و در زمزاییک[۸] نیز کاربرد دارد.
تاریخچه. خاصیت آشنای آهنربا، که قدرت جذب مواد آهنی است، از زمان تالس[۹] شناخته بود. نام مگنت (آهنربا) از نام شهر ماگنِسیا[۱۰]، منیزای فعلی، در آسیای صغیر گرفته شده است که برای اولین‌بار مادۀ طبیعی مغناطیسی در مجاورت آن پیدا شد. این مادۀ معدنی، که مگنتیت[۱۱] یا آهنربای طبیعی نامیده شد، محتوی مقدار درخور توجهی اکسیدهای آهن است. پیش از ساخت و کاربرد قطب‌نمای مصنوعی از این ماده به‌منزلۀ قطب‌نمای اولیه استفاده می‌کردند. ویلیام گیلبرت[۱۲]، دانشمند دورۀ ملکه الیزابت و پدر نظریۀ مغناطیس، خواص معروف آهنربا را شرح داد و زمین را هم نوعی آهنربا دانست. در ۱۸۲۰، هانس اورستد[۱۳] پدیدۀ الکترومغناطیس را کشف کرد. ویژگی میدان مغناطیسی یا نواحی جذب و دفع مغناطیسی در اطراف هر آهنربا را مایکل فارادی[۱۴] بررسی کرد. فارادی به‌جای آن‌که قطب‌های مغناطیسی جذب‌کننده و دفع‌کنندۀ 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 کم‌وبیش از خاصیت مغناطیسی برخوردارند. خاصیت مغناطیسی، هرقدر هم خفیف باشد، با استقرار ماده در میدان شدید مغناطیسی مشاهده‌شدنی است. بسیاری از مواد دارای خاصیت پارامغناطیسی‌اند و درحالی که محورهای مغناطیسی‌شان به موازات نیروی مغناطیس‌کننده است، به آهنربا تبدیل می‌شوند. شمار اندکی از مواد، ازجمله بیسموت، خاصیت دیامغناطیسی دارند. این مواد درحالی به آهنربا تبدیل می‌شوند که محورشان زاویه‌ای ۱۸۰ درجه با نیروی مغناطیس‌کننده بسازد. آهن، نیکل، کبالت، و بعضی آلیاژهای این فلزات همگی فِرومغناطیس‌اند، ولی اندازۀ آهنربا شدنشان به نیروی مغناطیس‌کننده و پیشینۀ مغناطیسی‌شان بستگی دارد. به‌علاوه، اگر نیروی مغناطیس‌کننده افزایش یابد، خاصیت آهن‌ربایی به حد اشباع می‌رسد؛ حدی که در آن شدت قطب، بیشینه خواهد شد.
آهنربای مولکولی. هنگامی که آهن‌ربایی را می‌شکنیم و آن را به دو قسمت می‌کنیم، به دو نیمه آهنربا نخواهیم رسید که یکی‌شان قطب شمال و دیگری قطب جنوب باشد. در محل شکستگی آهنربا، دو قطب جدید پدید می‌آید. بنابر نظر ویلهلم وِبِر[۱۵]، هر آهنربای متشکل از ذرات مغناطیسی یا حوزه‌های مغناطیده‌ای است که امروزه ابعادشان را در حد مولکول می‌دانیم. بنا به نظر جِی آلفرد ایوینگ[۱۶]، از آن‌جا که عمل مغناطش، بدون ایجاد هیچ تغییری در ویژگی‌های شیمیایی و وزن نمونه، فقط در آن خواص مغناطیسی پدید می‌آورد، مواد آهن‌رباشونده را می‌توان متشکل از آهن‌رباهایی مولکولی دانست. بنابر این نظریه، هر تکه آهن معمولی از آهن‌رباهایی مولکولی تشکیل می‌شود که به‌صورت کاملاً تصادفی آرایش یافته‌اند. این آرایش درهم آهنرباها منجر به خنثی‌شدن خواص مغناطیسی و بی‌اثر‌بودن آن در خارج از جسم می‌شود. هنگامی که آهن در میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، بی‌نظمی آرایش از بین می‌رود و محور آهن‌رباهای مولکولی با میدان خارجی موازی می‌شود. در این حالت، دو سر تکه‌آهن تبدیل به قطب‌های آزاد می‌شود و در نواحی میانی آن، به‌سبب خنثی‌شدن متقابل قطب‌های ناهمنام، آثار مغناطیسی ضعیفی پدید می‌آید. ظهور قطب‌های جدید در آهن‌رباهای شکسته را این نظریه توضیح می‌دهد، و به کمک آن دانسته می‌شود که حالت اشباع زمانی پدید می‌آید که همۀ آهن‌رباهای مولکولی به‌صورتی منظم جهت‌گیری کنند. به این‌ترتیب، ناپدیدشدن خواص مغناطیسی با برگشت نسبی به وضعیت بی‌نظمی مولکول‌ها توضیح داده می‌شود.
نظريۀ مگنتون (نظریۀ مگنتون[۱۷]). پیِر وایس[۱۸] در اوایل قرن ۲۰ وجود مگنتون را به‌مثابۀ ذره‌ای بنیادی و دارای خاصیت مغناطیسی مطرح ساخت. این ذره مشابه با الکترون، ذرۀ بنیادی بار الکتریکی، در نظر گرفته می‌شود. فیزیک‌دانانی ازجمله آلبرت اینشتین، دِهاس[۱۹]، و نیلس بور[۲۰] به بسط این نظر پرداختند. جریان الکتریکیِ در حال گذر از پیچه‌ای دایره‌ای، میدانی مغناطیسی شبیه به میدان آهن‌ربایی میله‌ای تولید می‌کند که در امتداد محور پیچه قرار داشته باشد. نظریۀ الکتریکی ماده خواص مغناطیسی اجسام را به حرکت مداری الکترون‌ها در اتم‌ها نسبت می‌دهد. در نظریۀ کوانتومی[۲۱] اتم، که نخستین‌بار بور آن را مطرح کرد، از نظریۀ مگنتون حمایت شد و متعاقب آن، اوتو اشترن[۲۲] و والتر گرلاخ[۲۳] شواهد تجربی مستقیمی از وجود گشتاور مغناطیسی مدارهای الکترون را به‌دست آوردند (۱۹۲۱).
- ↑ susceptibility
- ↑ ferromagnetic
- ↑ domain
- ↑ Curie temperature
- ↑ paramagnetic
- ↑ diamagnetic
- ↑ antiferromagnetic
- ↑ cryogenics
- ↑ Thales
- ↑ (Magnesia (Manisa
- ↑ magnetite
- ↑ William Gilbert
- ↑ Hans Oersted
- ↑ Michael Faraday
- ↑ Wilhelm Weber
- ↑ J Alfred Ewing
- ↑ magneton theory
- ↑ Pierre Weiss
- ↑ de Haas
- ↑ Niels Bohr
- ↑ quantum theory
- ↑ Otto Stern
- ↑ Walther Gerlach