مغناطیس چیست؟ تعریف، انواع، خواص و کاربردهای شگفت‌انگیز!

مغناطیس، پدیده‌ای جذاب و در عین حال بسیار مهم در دنیای پیرامون ماست. این نیرو که ناشی از حرکت بارهای الکتریکی است، هم می‌تواند اجسام را به سمت خود جذب کند و هم آن‌ها را دفع کند. از آهنرباهای ساده‌ای که روی در یخچال می‌چسبانیم تا میدان‌های مغناطیسی عظیم سیارات، مغناطیس در اشکال و ابعاد گوناگون خودنمایی می‌کند.

نکات کلیدی

• مغناطیس نیرویی است که از حرکت بارهای الکتریکی ناشی می‌شود و قابلیت جذب و دفع اجسام را دارد.
• مواد مختلف بر اساس ساختار الکترونی خود، رفتارهای مغناطیسی متفاوتی از خود نشان می‌دهند که شامل انواع دیامغناطیس و فرومغناطیس می‌شود.
• برخی از موجودات زنده قادر به حس کردن میدان‌های مغناطیسی هستند، فرآیندی که به عنوان مغناطیس‌ادراک (magnetoception) شناخته می‌شود و از زیست‌مغناطیس (biomagnetism) بهره می‌برد.

به طور خلاصه، مغناطیس را می‌توان به عنوان پدیده‌ای دافعه و جاذبه تعریف کرد که توسط حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می‌شود. ناحیه اطراف یک بار متحرک، هم دارای میدان الکتریکی و هم میدان مغناطیسی است. بارزترین مثال برای مغناطیس، آهنربای میله‌ای است که جذب میدان مغناطیسی می‌شود و می‌تواند آهنرباهای دیگر را جذب یا دفع کند.

تاریخچه مغناطیس: از سنگ‌های جادویی تا نظریه‌های مدرن

داستان مغناطیس به دوران باستان برمی‌گردد، زمانی که انسان‌ها برای اولین بار با سنگ‌های آهن‌ربا (lodestones)، یعنی مغناطیس‌های طبیعی ساخته شده از ماده معدنی مگنتیت، آشنا شدند. جالب است بدانید که واژه "مغناطیس" از کلمه یونانی "magnetis lithos" به معنای "سنگ مگنزیا" یا همان سنگ آهن‌ربا گرفته شده است.

تالس ملطی، فیلسوف یونانی، حدود سال‌های 625 تا 545 قبل از میلاد به بررسی خواص مغناطیسی پرداخت. در همان زمان، جراح هندی، سوشروتا، از آهن‌رباها در جراحی استفاده می‌کرد. چینی‌ها نیز در قرن چهارم قبل از میلاد درباره مغناطیس نوشتند و در قرن اول میلادی، استفاده از سنگ آهن‌ربا برای جذب سوزن را توصیف کردند. با این حال، استفاده از قطب‌نما برای دریانوردی تا قرن یازدهم در چین و سال 1187 در اروپا رایج نشد.

اگرچه آهن‌رباها از قدیم شناخته شده بودند، اما تا سال 1819، زمانی که هانس کریستین اورستد به طور تصادفی میدان‌های مغناطیسی اطراف سیم‌های برق‌دار را کشف کرد، توضیحی برای عملکرد آن‌ها وجود نداشت. رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس در سال 1873 توسط جیمز کلرک ماکسول توصیف شد و در سال 1905 در نظریه نسبیت خاص اینشتین گنجانده شد.

علت پدیده مغناطیس چیست؟

اما این نیروی نامرئی که به آن مغناطیس می‌گوییم، از کجا نشأت می‌گیرد؟ مغناطیس در واقع ناشی از نیروی الکترومغناطیسی است که یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت محسوب می‌شود. هر بار الکتریکی متحرک (جریان الکتریکی) یک میدان مغناطیسی عمود بر جهت حرکت خود ایجاد می‌کند.

علاوه بر جریان الکتریکی که از سیم عبور می‌کند، مغناطیس توسط گشتاورهای مغناطیسی اسپینی ذرات بنیادی مانند الکترون‌ها نیز ایجاد می‌شود. بنابراین، می‌توان گفت که همه مواد به نوعی خاصیت مغناطیسی دارند، زیرا الکترون‌هایی که به دور هسته اتم می‌چرخند، یک میدان مغناطیسی تولید می‌کنند. در حضور یک میدان الکتریکی، اتم‌ها و مولکول‌ها دوقطبی‌های الکتریکی تشکیل می‌دهند، به این صورت که هسته‌های با بار مثبت کمی در جهت میدان حرکت می‌کنند و الکترون‌های با بار منفی در جهت مخالف.

مواد مغناطیسی: دسته‌بندی و ویژگی‌ها

همه مواد تا حدی خاصیت مغناطیسی دارند، اما رفتار مغناطیسی آن‌ها به آرایش الکترونی اتم‌ها و دما بستگی دارد. آرایش الکترونی می‌تواند باعث شود که گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی کنند (در نتیجه ماده خاصیت مغناطیسی کمتری داشته باشد) یا هم‌راستا شوند (در نتیجه ماده خاصیت مغناطیسی بیشتری داشته باشد). افزایش دما باعث افزایش حرکت حرارتی تصادفی می‌شود، که هم‌راستا شدن الکترون‌ها را دشوارتر می‌کند و معمولاً قدرت آهنربا را کاهش می‌دهد.

مغناطیس را می‌توان بر اساس علت و رفتارش دسته‌بندی کرد. انواع اصلی مغناطیس عبارتند از:

• دیامغناطیس: همه مواد دیامغناطیس هستند، به این معنی که تمایل به دفع شدن توسط یک میدان مغناطیسی دارند. با این حال، انواع دیگر مغناطیس می‌توانند قوی‌تر از دیامغناطیس باشند، بنابراین این ویژگی فقط در موادی مشاهده می‌شود که الکترون جفت‌نشده ندارند. هنگامی که جفت الکترون‌ها وجود دارند، گشتاورهای مغناطیسی "اسپین" آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند. در یک میدان مغناطیسی، مواد دیامغناطیس به طور ضعیفی در جهت مخالف میدان اعمال شده مغناطیسی می‌شوند. نمونه‌هایی از مواد دیامغناطیس شامل طلا، کوارتز، آب، مس و هوا هستند.
• پارامغناطیس: در یک ماده پارامغناطیس، الکترون‌های جفت‌نشده وجود دارند. الکترون‌های جفت‌نشده آزاد هستند تا گشتاورهای مغناطیسی خود را هم‌راستا کنند. در یک میدان مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی هم‌راستا می‌شوند و در جهت میدان اعمال شده مغناطیسی می‌شوند و آن را تقویت می‌کنند. نمونه‌هایی از مواد پارامغناطیس شامل منیزیم، مولیبدن، لیتیوم و تانتالوم هستند.
• فرومغناطیس: مواد فرومغناطیس می‌توانند آهنرباهای دائمی را تشکیل دهند و جذب آهنرباها می‌شوند. یک فرومغناطیس الکترون‌های جفت‌نشده دارد، به علاوه گشتاورهای مغناطیسی الکترون‌ها حتی زمانی که از یک میدان مغناطیسی خارج می‌شوند، تمایل به هم‌راستا ماندن دارند. نمونه‌هایی از مواد فرومغناطیس شامل آهن، کبالت، نیکل، آلیاژهای این فلزات، برخی از آلیاژهای خاکی کمیاب و برخی از آلیاژهای منگنز هستند.
• پادفرومغناطیس: برخلاف فرومغناطیس‌ها، گشتاورهای مغناطیسی ذاتی الکترون‌های ظرفیت در یک پادفرومغناطیس در جهات مخالف (پاد-موازی) قرار دارند. نتیجه این امر، عدم وجود گشتاور مغناطیسی خالص یا میدان مغناطیسی است. پادفرومغناطیس در ترکیبات فلزات واسطه مانند هماتیت، آهن منگنز و اکسید نیکل دیده می‌شود.
• فری‌مغناطیس: مانند فرومغناطیس‌ها، فری‌مغناطیس‌ها پس از حذف از یک میدان مغناطیسی، مغناطیس خود را حفظ می‌کنند، اما جفت‌های همسایه اسپین‌های الکترونی در جهات مخالف قرار دارند. آرایش شبکه‌ای ماده باعث می‌شود که گشتاور مغناطیسی که در یک جهت قرار دارد، قوی‌تر از گشتاور مغناطیسی باشد که در جهت دیگر قرار دارد. فری‌مغناطیس در مگنتیت و سایر فریت‌ها رخ می‌دهد. مان��د فرومغناطیس‌ها، فری‌مغناطیس‌ها جذب آهنرباها می‌شوند.

انواع دیگری از مغناطیس نیز وجود دارند، از جمله سوپرپارامغناطیس، متامغناطیس و شیشه اسپین.

ویژگی‌های آهن‌رباها: دوقطبی‌های همیشگی

آهن‌رباها زمانی شکل می‌گیرند که مواد فرومغناطیسی یا فری‌مغناطیسی در معرض یک میدان الکترومغناطیسی قرار گیرند. آهن‌رباها ویژگی‌های خاصی را از خود نشان می‌دهند:

• یک میدان مغناطیسی آهن‌ربا را احاطه کرده است.
• آهن‌رباها مواد فرومغناطیسی و فری‌مغناطیسی را جذب می‌کنند و می‌توانند آن‌ها را به آهن‌ربا تبدیل کنند.
• هر آهن‌ربا دارای دو قطب است که قطب‌های همنام یکدیگر را دفع و قطب‌های غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. قطب شمال توسط قطب شمال آهن‌رباهای دیگر دفع و جذب قطب جنوب می‌شود. قطب جنوب نیز توسط قطب جنوب آهن‌رباهای دیگر دفع می‌شود، اما جذب قطب شمال آن می‌شود.
• آهن‌رباها همیشه به صورت دوقطبی وجود دارند. به عبارت دیگر، نمی‌��وان یک آهن‌ربا را از وسط نصف کرد تا قطب شمال و جنوب از هم جدا شوند. بریدن یک آهن‌ربا، دو آهن‌ربای کوچک‌تر ایجاد می‌کند که هر کدام دارای قطب شمال و جنوب هستند.
• قطب شمال یک آهن‌ربا به قطب شمال مغناطیسی زمین جذب می‌شود، در حالی که قطب جنوب آهن‌ربا به قطب جنوب مغناطیسی زمین جذب می‌شود. اگر به قطب‌های مغناطیسی سیارات دیگر فکر کنید، این موضوع می‌تواند کمی گیج‌کننده باشد. برای اینکه قطب‌نما کار کند، قطب شمال یک سیاره اساساً قطب جنوب است، گویی که جهان یک آهن‌ربای غول‌پیکر باشد!

مغناطیس در موجودات زنده: حسی پنهان

جالب است بدانید که برخی از موجودات زنده قادر به تشخیص و استفاده از میدان‌های مغناطیسی هستند. این توانایی حس کردن میدان مغناطیسی، مغناطیس‌ادراک (magnetoception) نامیده می‌شود. از جمله موجوداتی که قابلیت مغناطیس‌ادراک دارند می‌توان به باکتری‌ها، نرم‌تنان، بندپایان و پرندگان اشاره کرد. حتی چشم انسان نیز حاوی پروتئینی به نام کریپتوکروم است که ممکن است درجاتی از مغناطیس‌ادراک را در انسان‌ها ممکن سازد.

بسیاری از موجودات از مغناطیس استفاده می‌کنند، فرآیندی که به عنوان زیست‌مغناطیس (biomagnetism) شناخته می‌شود. به عنوان مثال، کیتون‌ها نوعی نرم‌تن هستند که از مگنتیت برای سخت کردن دندان‌های خود استفاده می‌کنند. انسان‌ها نیز مگنتیت را در بافت‌های خود تولید می‌کنند که ممکن است بر عملکرد سیستم ایمنی و عصبی تأثیر بگذارد.

مهم‌ترین نکات درباره مغناطیس

• مغناطیس از نیروی الکترومغناطیسی یک بار الکتریکی متحرک ناشی می‌شود.
• هر آهن‌ربا دارای یک میدان مغناطیسی نامرئی است که آن را احاطه کرده و دو انتها به نام قطب دارد. قطب شمال به سمت میدان مغناطیسی شمال زمین و قطب جنوب به سمت میدان مغناطیسی جنوب زمین اشاره دارد.
• قطب شمال یک آهن‌ربا جذب قطب جنوب هر آهن‌ربای دیگری می‌شود و قطب شمال آهن‌ربای دیگر را دفع می‌کند.
• بریدن یک آهن‌ربا، دو آهن‌ربای جدید ایجاد می‌کند که هر کدام دارای قطب شمال و جنوب هستند.

این مقاله در سایت علمی رایشمند منتشر شده است. خوشحال می‌شویم اگر دیدگاه و نظر خود را درباره این موضوع با ما و دیگر خوانندگان در میان بگذارید.