هر آنچه باید در مورد طرز کار آهنرباها بدانیم

واقعیت این است که همه‌ی ما چیزهایی در مورد آهنربا و خاصیت مغناطیسی مواد می‌دانیم. ما می‌دانیم که آهنربا برخی فلزات را به سمت خود می‌کشد و هر آهنربا دو قطب دارد: قطب شمال و قطب جنوب؛ و این را هم می دانیم که قطب‌های غیرهمنام یکدیگر را جذب و قطب‌های همنام همدیگر را دفع می‌کنند. میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی به یکدیگر مرتبط‌اند و خاصیت مغناطیسی همراه با نیروی گرانش و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف یکی از چهار نیروی اصلی در جهان است.

با این حال هیچ‌کدام از این اطلاعاتی که ما داریم توان و امکا پاسخگویی به شماری از سوالات مهم ما را ندارند. پرسش این است که دقیقا چه چیزی باعث می‌شود تا یک آهنربا فقط به برخی فلزات بچسبد؟ چرا این جسم به همه‌ی فلزات نمی چسبند؟ چرا قطب‌های هم‌نام یکدیگر را دفع و غیر همنام یکدیگر را جذب می کنند؟ چه چیزی باعث می‌شود آهنرباهای نئودیمیوم بسیار قوی از آهنرباهای سرامیکی باشند که در دوران کودکیمان با آن بازی می‌کردیم؟

مقاله‌های مرتبط:

شاید تعریف ساده از آهنربا برای این‌ که جواب این پرسش‌ها را بهتر درک کنیم به ما کمک کند. آهنرباها اشیایی هستند که باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شوند و فلزاتی چون آهن، نیکل و کبالت را به خود جذب می‌کنند. خطوط نیروی میدان مغناطیسی از قطب جنوب وارد و از قطب شمال آهنربا خارج می‌شوند. آهنرباهای دائمی یا سخت همیشه یک میدان مغناطیسی مختص خودشان ایجاد می‌کنند. آهنرباهای موقت یا نرم وقتی در حضور یک میدان مغناطیسی دیگر باشند میدانی مغناطیسی تولید می‌کنند و وقتی از آن میدان خارج شوند، برای مدت کوتاهی یک میدان مغناطیسی برای خود خواهند داشت. در آهنرباهای مصنوعی یا الکتریکی، میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی تولید می‌شود و در صورت قطع این جریان الکتریکی میدان مغناطیسی هم از بین می‌رود.

آهنربا

تا همین اواخر، تمام آهنرباها از عناصر فلزی یا آلیاژها ساخته می‌شدند. این مواد آهنرباهایی با قدرت متفاوت تولید می‌کردند. به‌عنوان مثال به چند مورد اشاره می‌کنیم:

  • آهنرباهای سرامیکی مثل آهنرباهایی که در یخچال به کار می‌روند یا آهنرباهایی که برای آزمایشات مدارس استفاده می‌شوند، دارای اکسید آهن در یک ترکیب سرامیکی‌اند. اکثر آهنرباهای سرامیکی چندان قوی نیستند.
  • آهنرباهای آلنیکو از آلومینیوم، نیکل و کبالت ساخته شده‌اند. این‌ آهنرباها قوی از آهنرباهای سرامیکی هستند اما نه به اندازه‌ی آن‌ آهنرباهایی که عناصری به نام عناصر خاکی کمیاب را در خود دارند!
  • آهنرباهای نئودیمیوم دارای آهن، بور و عنصر خاکی کمیاب نئودیمیوم هستند.
  • آهنرباهای ساماریوم کبالت از ادغام کبالت و عنصر خاکی کمیاب ساماریوم بوجود می‌آیند. در پنج سال گذشته دانشمندان پلیمرهای مغناطیسی یا آهنرباهای پلاستیکی را کشف کردند. برخی از این‌ها انعطاف‌پذیرند و می‌توان به آن‌ها شکل داد. هرچند برخی از این‌ها تنها در دمای بسیار پایین عمل می‌کنند و برخی دیگر تنها مواد خیلی سبک مثل براده‌ی آهن را بلند می‌کنند.

با کمی تلاش می‌توان موادی را به آهنربا تبدیل کرد. در بخش بعدی خواهیم دید که چگونه این اتفاق می‌افتد.

ایجاد آهنربا: اصول اولیه

بسیاری از وسایل الکترونیکی که امروزه در اختیار ما قرار دارند، برای عملکرد درست خود به آهنربا نیاز دارند. این تکیه به آهنربا تقریبا در دوره‌های اخیر رایج شده است و دلیل اصلی این‌که وسایل امروزی به این آهنرباها نیاز دارند، این است که آهنرباهای فوق از آهنرباهای موجود در طبیعت یا به اصطلاح همان آهنرباهای طبیعی قوی‌ترند. آهنرباهای طبیعی قوی‌ترین آهنرباهایی هستند که به‌صورت طبیعی وجود دارند. این آهنرباها می توانند اشیای کوچک مثل گیره‌های کاغذ را جذب کنند.

در طول قرن یازدهم، مردم کشف کردند که می‌توانند از آهنرباهای طبیعی استفاده کنند و از آن طریق به قطعات آهن خاصیت آهنربایی دهند و یک قطب‌نما بسازند. آنها متوجه شدند وقتی آهنربای طبیعی را مکررا به‌صورت یک‌طرفه روی سوزن مالش دهند، می‌توانند به سوزن خاصیت آهنربایی دهند؛ به‌طوری که این سوزن در حالت معلق در یک جهت شمال‌جنوب قرار بگیرد. نهایتا ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی توضیح داد که قرار گرفتن سوزن آهنربا شده در جهت شمال‌جنوب، از کره‌ی زمین ناشی می‌شود که خود مثل یک آهنربای بزرگ بوده و دارای قطب شمال و جنوب است.

باید توجه کنیم که این قطب‌نمای سوزنی به اندازه‌ی آهنرباهای دائمی که امروزه وجود دارند قوی نیستند. اما روند فیزیکی که به این قطب‌نمای سوزنی خاصیت آهنربایی می‌بخشد و همچنین تکه‌های آلیاژ نئودیمیوم اساسا یکسان‌اند. این قطب‌نما به نواحی میکروسکوپی به نام دامنه‌های مغناطیسی متکی است و این دامنه‌ها بخشی از ساختار فیزیکی مواد فرومغناطیسی چون آهن، کبالت و نیکل هستند. هر دامنه در اصل یک آهنربای مستقل و بسیار کوچک با قطب شمال و جنوب است. در یک ماده‌ی فرومغناطیسی که دارای خاصیت آهنربایی نشده است، هر یک از قطب‌های شمال در جهات تصادفی و نامرتب قرار دارند. دامنه‌های مغناطیسی که در جهات مخالف یکدیگر هستند یکدیگر را خنثی می‌کنند بنابراین چنین موادی یک میدان مغناطیسی خالص را ایجاد نمی‌کنند.

خطوط میدان مغناطیسی

اما در آهنرباها اکثر یا تمام دامنه‌های مغناطیسی در یک جهت هستند؛ یعنی به‌جای این‌که یکدیگر را خنثی کنند، میدان‌های مغناطیسی میکروسکوپی ادغام شده و یک میدان مغناطیسی بزرگ‌تر را ایجاد می‌کند. میدان مغناطیسی هر دامنه از قطب شمال آن دامنه تا قطب جنوب دامنه‌ی بالایی‌ آن امتداد می‌یابد.

این روند روشن می‌کند که چرا نصف کردن یک آهنربا، به ما دو آهنربای دارای قطب شمال و جنوب می‌دهد و همچنین این موضوع نیز برای ما روشن می‌شود که چرا قطب‌های غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. علت این است که خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال یک آهنربا خارج شده و طبیعتا وارد قطب جنوب دیگری می‌شود و یک آهنربای بزرگتری ایجاد می‌کند. قطب‌های همنام نیز یکدیگر را دفع می‌کنند؛ چرا که خط نیروی میدان مغناطیسی‌شان در جهات مخالف حرکت می‌کنند و به‌جای این‌که در کنار هم حرکت کنند با یکدیگر برخورد می‌کنند.

ایجاد آهنربا: جزییات

 تمام کاری که برای ساخت یک آهنربا باید انجام دهید این است که کاری کنید تا دامنه‌های مغناطیسی یک تکه فلز همه در یک جهت باشند. وقتی یک آهنربا را روی یک سوزن مالش می‌دهید دقیقا همین اتفاق می‌افتد؛ یعنی قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی باعث می‌شود که دامنه‌های مغناطیسی هم‌سو شوند. راه‌های دیگری که برای هم‌سو کردن دامنه‌های مغناطیسی یک تکه فلز وجود دارد به این صورت‌اند:

  • برای آن تکه فلز یک میدان مغناطیسی در جهت شمال‌جنوب ایجاد کنید.
  • آن فلز را را در جهت شمال‌جنوب نگه دارید و چندین بار با یک چکش روی آن بکوبید.
  • یک جریان الکتریسیته را از آن عبور دهید.

دومورد از این روش‌ها (مورد یک و سه) درمیان تئوری‌های علمی درمورد چگونگی شکل‌گیری آهنرباهای طبیعی در طبیعت نیز وجود دارند. برخی دانشمندان معتقدند که صاعقه به مگنتیت‌ برخورد کرد و باعث شد حالت مغناطیسی پیدا کند. اما بعضی دیگر اعتقاد دارند که وقتی زمین شکل گرفت تکه‌هایی از مگنتیت تبدیل به آهنرباهایی شدند. درآن زمان که اکسید آهن ذوب و انعطاف‌پذیر می‌شد، دامنه‌ها با میدان مغناطیسی زمین هم‌سو شدند.

رایج‌ترین شیوه‌ای که امروزه برای ساخت آهنربا وجود دارد، بدین شکل است که یک فلز را در میدان مغناطیسی قرار دهیم. این میدان، با وارد کردن گشتاور نیرو بر مواد، باعث می‌شود که دامنه‌های مغناطیسی هم‌سو شوند. فاصله‌ی زمانی اندکی بین استفاده از میدان مغناطیسی و تغییر در دامنه‌ها وجود دارد؛ یعنی کمی طول می‌کشد تا دامنه‌ها شروع به حرکت کردن و هم‌سو شدن کنند که به این پدیده پسماند می‌گویند. در این‌جا بیان می‌کنیم دقیقا چه اتفاقی می‌افتد:

  • دامنه‌های مغناطیسی شروع به چرخیدن می‌کنند و این اتفاق به آنان این امکان را می‌دهد که در امتداد خطوط شمال‌جنوب میدان مغناطیسی ردیف شوند.
  • ‌دامنه‌هایی که در جهت شمال‌جنوب ردیف شده‌اند بزرگتر و در عین حال دامنه‌های اطراف آن‌ها کوچکتر می‌شوند.
  • ‌دیواره‌های میدان یا مرز‌های بین دامنه‌های همسایه گسترش می‌یابند تا فضای کافی برای رشد دامنه وجود داشته باشد. در میدان‌های مغناطیسی خیلی قوی بعضی دیواره‌ها کاملا ناپدید می‌شوند.

قدرت آهنربای به‌وجود آمده به میزان نیرویی که استفاده شده تا دامنه‌ها را حرکت دهد، بستگی دارد. دوام یا خاصیت نگهداری مغناطیس آن نیز به درجه‌ی سختی روند هم‌سو کردن دامنه‌ها بستگی دارد. موادی که مغناطیسی کردنشان سخت است، عموما آن خاصیت مغناطیسی را برای مدت طولانی‌تری خواهند داشت؛ این در حالی است که موادی که به راحتی مغناطیسی می‌شوند، غالبا به حالت غیر مغناطیسی اولیه خود باز خواهند گشت.

با قرار دادن یک آهنربا در میدان مغناطیسی که دارای جهات مخالف و غیر همسو است، می‌توان قدرت مغناطیسی آن را کاهش داد یا حالت مغناطیسی آن را کاملا گرفت یا اصطلاحا آن را مغناطیس‌زدایی کرد. همچنین می‌توان با قرار دادن آهنربا در معرض گرمای بالاتر از نقطه‌ی کوری آن یا همان دمایی که باعث می‌شود آهنربا خاصیت مغناطیسی‌اش را از دست دهد، آن را مغناطیس‌زدایی کرد. گرما شکل مواد را عوض می‌کند و ذرات مغناطیسی را تحریک کرده باعث می‌شود دامنه‌ها از حالت هم‌سو بودن خارج شوند.

حالا وقت آن است که برویم به سراغ این موضوع که چرا آهنرباها و مواد مغناطیسی شده فقط برخی فلزات خاص را جذب می‌کنند.

چرا آهنرباها تنها به برخی فلزات می‌چسبند؟

اگر در مورد عملکرد آهنرباهایی مصنوعی چیزهایی خوانده باشید احتمالا می‌دانید که جریان الکتریکی که در طول یک سیم در جریان است یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و این‌که حرکت بارهای الکتریکی باعث میدان مغناطیسی در آهنرباهای دائمی می‌شوند؛ اما میدان آهنرباها از یک جریان بزرگ موجود در یک سیم ناشی نمی‌شود بلکه این حرکت الکترون‌هاست که باعث این میدان می‌شوند.

بسیاری از مردم تصور می‌کنند که الکترون‌ها ذرات بسیار کوچکی هستند که دور هسته‌ی اتم می‌چرخند؛ درست همانطور که سیارات به دور خورشید گردش می‌کنند. با این حال حرکت الکترون‌ها کمی پیچیده‌تر از این است. اساسا، الکترون‌ها اوربیتال‌های یک اتم را پر می‌کنند و این الکترون‌ها هم ویژگی‌های ذره‌ای و هم ویژگی‌هایی موجی دارند. الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی و جرم‌ هستند و حرکتی چرخشی به دور خود دارند؛ حرکتی به سمت بالا یا پایین که فیزیکدانان آن را اسپین می‌نامند.

اوربیتال و میدان مغناطیسی

به طور کلی، الکترون‌ها به صورت جفت، اوربیتال‌های تم را پر می‌کنند. اگر یکی از این دو الکترون به سمت بالا بچرخد دیگری به سمت پایین می‌چرخد. برای الکترون‌ها غیر ممکن است که هردویشان در یک جهت بچرخند. این اصل را قاعده پاولی یا اصل طرد پاولی می‌نامند.

اگرچه الکترون‌های یک اتم چندان زیاد از یکدیگر دور نمی‌شوند؛ اما حرکتشان آن‌قدر هست که یک میدان مغناطیسی کوچک ایجاد کنند. از آن‌جایی که الکترون‌های جفت در جهات مخالف می‌چرخند، میدان‌های مغناطیسی آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ ولی اتم‌های عناصر فرومغناطیس دارای چند الکترون هستند و به حالت جفت نیز قرار ندارند و چرخششان به یک جهت است. به‌عنوان مثال، آهن چهار الکترون جفت‌نشده دارد که در یک جهت می‌چرخند. از آن‌جا که هیچ میدان مغناطیسی مخالفی برای این‌ها وجود ندارد تا تاثیرشان را خنثی کند، این الکترون‌ها دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی هستند. گشتاور دوقطبی مغناطیسی یک مدار و دارای بزرگی و جهت مختص خود است. این گشتاور هم به قدرت میدان مغناطیسی و هم به گشتاور نیرویی که آن میدان وارد می‌کند مرتبط است. کل گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی یک آهنربا از گشتاور نیروی تمام اتم‌هایش ناشی می‌شود.

در فلزاتی چون آهن، این گشتاور دوقطبی مغناطیسی باعث می‌شود که اتم‌های نزدیک به هم درامتداد خطوط میدان مغناطیسی شمال‌جنوب یکسان هم‌سو شوند. آهن و دیگر مواد فرومغناطیس، کریستالی هستند. وقتی این مواد از حالت مذاب خودشان خنک می‌شوند، گروهی از اتم‌ها با چرخش مداری یکسان درون ساختار کریستال به صف می‌شوند و این باعث ایجاد دامنه‌های مغناطیسی که در بخش قبلی در مورد آن بحث کردیم می‌شود.

شاید دقت کرده باشید موادی که تبدیل به آهنرباهای بهتری می‌شوند، همان موادی هستند که آهنرباها جذبشان می‌کنند. به عبارت دیگر، همان ویژگی که یک ماده را به آهنربا تبدیل می‌کند باعث جذب مواد به آهنربا نیز می‌شود. عناصر دیگر دیامغناطیس هستند یعنی اتم‌های جفت‌نشده آنان میدانی ایجاد می‌کنند که به‌نحو ضعیفی یک آهنربا را دفع می‌کنند. یک سری از مواد هم نسبت به آهنربا اصلا واکنشی نشان نمی‌دهند.

magnet

بعد از این توضیحات در بخش بعدی نگاهی خواهیم انداخت به نیروهایی که به آهنرباها نسبت داده شده و همچنین آن‌چه که آهنرباها می‌توانند انجام دهند و آن‌چه که قادر به انجام آن نیستند.

افسانه‌هایی در مورد آهنرباها

هر زمان که از کامپیوتر استفاده می‌کنید یعنی دارید از آهنرباها استفاده می‌کنید. هارد دیسک برای ذخیره‌ی داده‌ها به آهنرباها متکی است و برخی مانیتورها برای نمایش تصاویر روی صفحه‌شان از آهنرباها بهره می‌گیرند. حتی در زنگ در خانه‌تان از آهنربای مصنوعی استفاده شده است. آهنرباها در اسپیکر‌ها، میکروفون‌ها، ژنراتورها، تلویزیون‌های سی‌آر‌تی، موتورهای الکتریکی، نوارکاست‌ها، قطب‌نماها و در کیلومترشمار اتومبیل‌ها نقش حیاتی ایفا می‌کنند.

علاوه بر این استفاده‌ی گسترده‌، آهنرباها ویژگی‌ها و خواص فوق‌العاده‌ی بی‌شماری هم دارند. آن‌ها می‌توانند جریان الکتریکی موجود در یک سیم را کاهش دهند. آهنربایی که به‌اندازه کافی قوی باشد، می‌تواند اشیای کوچک یا حتی حیوانات کوچک را از زمین بلند کند. قطارهای مگلو با بهره‌گیری از نیروی الکترومغناطیسی می‌توانند با سرعت بسیار بالایی (تا بیش از ۵۰۰ کیلومتر در ساعت) حرکت کنند. سیال‌های مغناطیسی کمک می‌کنند که موتور موشک‌ها را با سوخت پر کنیم. میدان مغناطیسی زمین که آن را مگنتوسفر می‌نامند، از زمین در برابر طوفان‌های خورشیدی محافظت می‌کند.

آهنرباها در پزشکی نیز کاربرد دارند. دستگاه‌های MRI از میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند تا برای پزشکان این امکان را فراهم کنند که اعضای درونی بدن بیمار را بررسی کنند. همچنین پزشکان از میدان‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند تا استخوان های شکسته‌ای که به خوبی جوش نخورده‌اند را درمان کنند.

آهنرباها می‌توانند از سلامت حیوانات نیز محافظت کنند. گاوها در معرض بیماری به نام بیماری جسم خارجی قرار دارند که از بلعیدن اشیای فلزی ناشی می‌شود. بلعیدن اشیا می‌تواند معده‌ی گاو را سوراخ کند و به دیافراگم و قلبش نیز صدمه وارد نماید. آهنرباها برای جلوگیری از این شرایط بسیار سودمندند. یک راه حل این است که یک آهنربا را از غذای گاو عبور دهیم تا اگر شی فلزی در غذا وجود داشت توسط آهنربا جذب شود. راه حل دیگر این است که آهنربا به گاوها بخورانیم. آهنرباهای آلکینو باریک و بلند که به عنوان آهنربای گاوی شناخته می‌شود می‌تواند تکه‌های فلزی را جذب کنند و باعث جلوگیری از آسیب رساندن آنان به معده گاو شوند. این آهنرباهای خورده شده می‌توانند باعث جلوگیری از آسیب دیدن گاو شوند اما باز هم بهتر است که غذای گاوها را در جایی عاری از اشیای فلزی قرار دهیم و مراقب ایمنی غذای آنها باشیم. قورت دادن آهنربا به گاو‌ها آسیبی نمی‌رساند؛ اما این پدیده برای انسان‌ها صدق نمی‌کند. اگر انسان‌ها آهنرباهایی را قورت دهند، در دیواره‌های روده‌شان به یکدیگر می‌چسبند و جلوی جریان خون را می‌گیرند و باعث مرگ بافت‌ها می‌شوند. خارج کردن آهنرباها در انسان‌ها به عمل جراحی نیاز دارد.

magnet

برخی مردم از استفاده از مغناطیس درمانی برای درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها حمایت می‌کنند. بر اساس نظر پزشکان، دستبند‌ها، گردنبندها، تشک‌ها و بالشت‌های مغناطیسی می‌توانند بسیاری از بیماری‌ها را از آرتروز گرفته تا سرطان درمان کرده یا بهبود بخشند. برخی نیز می گویند که مصرف آب آشامیدنی مغناطیسی شده می‌تواند بسیاری از بیماری‌ها را درمان یا از آنان پیشگیری کند. آمریکایی‌ها تقریبا هر ساله پانصد میلیون دلار صرف مغناطیس درمانی می‌کنند و مردم سرتاسر جهان حدود ۵ میلیارد دلار را به این امر اختصاص می‌دهند.

حامیان این موارد توضیحاتی در مورد این‌که چگونه این امر اتفاق می‌افتد ارائه می‌کنند. یکی از این توضیحات است که آهنربا آهن موجود در هموگلوبین خون را جذب می‌کند و بدین ترتیب باعث بهبود گردش خون به نواحی خاصی از بدن می‌شوند. توضیح دیگر این است که میدان مغناطیسی به‌نحوی باعث تغییر ساختار سلول‌های اطراف می‌شود. هرچند که یافته‌های علمی تایید نکرده‌اند که استفاده از آهنرباهای ایستا تاثیری بر درد یا بیماری داشته است. به‌علاوه آب آشامیدنی عموما عناصری ندارد که بتوان آن‌ها را مغناطیسی کرد و این باعث می‌شود در مورد آب آشامیدنی مغناطیس شده تردید کنیم.

برخی دیگر پیشنهاد می‌کنند که از آهن‌باها برای کاهش سختی آب در منازل استفاده کنیم. طبق آن‌چیزی که برخی تولیدکنندگان می‌گویند آهنرباهای بزرگ می‌توانند سطح سختی آب را با حذف مواد معدنی فرومغناطیس کاهش دهند. هرچند که مواد معنی که باعث سختی آب می‌شوند عموما فرومغناطیس نیستند!

به‌طور کلی اگرچه آهنرباها دردهای شدید را بهبود نمی‌بخشند و باعث درمان سرطان نمی‌شوند ولی مطالعه و تحقیق در موردشان هنوز هم جذابیت خاص خودش را دارد!

منبع: زومیت