مغناطیس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

این نوشتار درباره مغناطیس است. برای دیدن موادی که میدان مغناطیسی درست می‌کنند آهنربا را ببینید.برای دیدن میدان‌هایی که ناشی از جریان و آهنربا است میدان مغناطیسی را ببینید.

مغناطیس واژه‌ای است که برای نشان دادن پاسخ میکروسکوپی ماده به میدان مغناطیسی بکار می‌رود؛ و فاز مغناطیسی ماده را نسبت به این پاسخ دسته‌بندی می‌نماید. برای نمونه شناخته‌شده‌ترین فاز مغناطیس فرومغناطیس است که در آن ماده میدان پایدار مغناطیسی رادر خود ایجاد می‌کند. نیکل، کروم، آهن، گادولینیوم و آلیاژهایشان ازین دسته‌اند. البته همهٔ مواد پاسخی در برابر میدان مغناطیسی ار خود نشان می‌دهند.برخی مانند پارامغناطیس جذب میدان می‌شوند و برخی دیگر مانند دیامغناطیس از میدان رانده می‌شوند. برخی دیگر هم رفتارهای پیچیده‌تری دارند. اثر میدان بر برخی مواد قابل چشم‌پوشی است که آنها را نامغناطیس می‌نامند. آلومینیوم، مس، آب و گاز‌ها ازین دسته‌اند.

یک ماده می‌تواند چندین فاز (حالت) مغناطیسی را دارا باشد زیرا دما، فشار و شدت میدان بر فاز (یا همان حالت) مغناطیسی تاثیرگذار است.

پیشینه[ویرایش]

نوشتار اصلی پیشینه ی مغناطیس

ارسطو و طالس را می‌توان نخستین کسانی دانست که دربارهٔ مغناطیس گفتگو داشته‌اند. البته در همین زمان (۶۰۰ پیش از میلاد) پزشک بنام هندی سوشروتا، آهنربا رادر جراحی بکار می‌برده‌است.

در نوشته‌ای در سده چهارم پیش از میلاد در چین از نوعی سنگ آهن‌ربا صحبت شده‌است. همچنین در نوشته‌های چینی بین سال‌های ۲۰ تا ۱۰۰ پس از میلاد نیز آمده که این گونه سنگ سوزن را می‌رباید. شن‌کوا دانشمند برجستهٔ چینی (۴۱۰ تا ۴۷۴ خورشیدی) نخستین کسی بود که به ویژگی جهت‌دار بودن میدان در سوی شمال حقیقی/موقت در ستاره‌شناسی پی برد و قطب‌نما را ساخت.

الکساندر نکام دانشمند انگلیسی نخستین اروپایی بود که در سال ۵۶۶ خورشیدی(۱۱۸۷ میلادی)به شرح مغناطیس پرداخت. در ۶۴۸ خ (۱۲۶۹ میلادی) پیر پلرین دمریکورت نخستین مقاله در شرح ویژگی‌های آهنربا را نوشت. اشرف دانشمند یمنی ۱۳ سال پس از آن به بررسی ویژگی‌های آهنربا و قطب‌نما پرداخت.

در ۹۷۹ خ (۱۶۰۰ م) ویلیام گیلبرت نمونه‌ای از کره زمین بنام ترلا ساخت و با آن اثبات کرد که زمین خود سرچشمه نیروی مغناطیس است (پیش ازین باور این بود که سرچشمه نیروی مغناطیسی ستاره قطبی است.)

رابطهٔ الکتریسیته و مغناطیس بوسیلهٔ اورستد دانمارکی در سال ۱۱۹۸ خ با دیدن انحراف قطب‌نما در نزدیکی جریان بطور اتفاقی اثبات شد. آمپر فارادی و گوس این موضوع را پیگیری کردند. ماکسول با معادلات خود رابطه بین مغناطیس الکتریسیته اپتیک را در قالب الکترومغناطیس ارایه داد. انیشتن قانون نسبیت ویژه را در دستگاه مرجع لخت پیشنهاد داد.

الکترومغناطیس همچنان در کنار نظریه‌هایی مانند نظریه گاج، الکترودینامیک کوانتومی، خط فاصله، مدل استاندارد (ذرات بنیادی) به پیشرفتش ادامه می‌دهد.

سرچشمه[ویرایش]

همچنین ببینید: ممان مغناطیسی

در مقیاس کلان رابطه بین ممان زاویه‌ای و مغناطیس بوسیلهٔ اثر انیشتن-دهاس (چرخش با مغناطیسی کردن) و اثر بارنت (مغناطیسی شدن با چرخش) بیان می‌شود.

در مقیاس خرد این رابطه با نسبت ژیرومغناطیس (نسبت ممان مغتاتیسی به ممان زاویه‌ای) بیان می‌شود.

مغناطیس دارای دو سرچشمه‌است:

× جریان الکتریکی (بطور کلی بار الکتریکی) که میدان پدید می‌آورد. (روابط ماکسول را ببینید.)

× بسیاری از ذرات ممان‌های مغناطیسی ذاتی (اسپین) دارند(همانطور که هر ذره‌ای جرم و بار دارد، ممان مغناطیسی هم دارد که می‌تواند صفر باشد.)

در مواد مغناطیسی سرچشمهٔ مغناطیس چرخش اربیتالی زاویه‌ای الکترون به دور هسته و همچنین ممان ذاتی خود الکترون است (ببینید: ممان دوقطبی مغناطیسی الکترون ). سرچشمه‌های دیگری نیز وجود دارند که کم اهمیت‌ترند مانند ممان مغناطیسی هسته که هزار بار کم اثرتر از اثر الکترون است.

الکترون‌ها آرایشی دارند که ممان‌هایشان همدیگر را خنثی می‌کنند بدین گونه که ممان‌های با علامت مخالف باهم جفت می‌شوند (بر اساس اصل طرد پاولی. ببینید: پیکره‌بندی الکترون) یا زیرلایه‌های الکتروتی پر می‌شوند. اگر پیکره‌بندی الکترون به گونه‌ای باشد که لایه‌های الکترونی پر نشوند یا الکترون جفت‌نشده وجود داشته باشد، جهت‌گیری اتفاقی الکترون باز هم اثر مغناطیسی را خنثی می‌کنند.

گرچه که گاهی (بطور ناگهانی یا با کاربرد میدان بیرونی) ممان‌ها همسو شده و میدان مغناطیسی پدیدار می‌گردد.

رفتار مغناطیسی ماده وابسته به ساختار ماده (بویژه پیکره‌بندی الکترون) و دما می‌باشد (در دمای بالاتر همسو شدن ممان‌ها سخت‌تر است).

سرفصل‌ها[ویرایش]

دیامغناطیس[ویرایش]

نوشتار اصلی دیامغناطیس

دیامغناطیس ویژگی است که در آن، ماده پذیرفتاری مغناطیسی منفی (اما کوچک) دارد.دیامغناطیس مخالفت ماده با میدان است و این رفتار در همه مواد هست اما تنها در دیامغناطیس‌های خالص دیده می‌شود زیرا در دیگر مواد ویژگی پارامغناطیس چیرگی دارد. چون در ماده دیامغناطیس الکترون جفت‌نشده نداریم، مغناطیس در اثر اربیتالی پدیدار می‌گردد. بر پایه فیزیک کلاسیک:

هنگامی که ماده‌ای در میدان قرار می‌گیرد، نیروی لرنز بر رویشان اثر می‌گزارد (سوای نیروی جاذبه کولمب). بسته به سوی چرخش الکترون، نیروی لرنز می‌تواند با افزایش نیروی هسته گلبرگی (نیریی که الکترون را به دور هسته می‌چرخاند)الکترون را از هسته دور و یا با کاهش این نیرو الکترون را به هسته نزدیک سازد. این اثر ممان‌های مغناطیسی اوربیتال را اگر موازی میدان باشند کاهش و اگر ناموازی میدان باشند اافزایش می‌دهد (بر پایه قانون لنز). که این باعث ایجاد ممان‌های کوچک بر خلاف میدان می‌شود.

پارامغناطیس[ویرایش]

نوشتار اصلی: پارامغناطیس

پارامغناطیس ویژگی است که در آن، ماده پذیرفتاری مغناطیسی مثبت (اما کوچک) دارد. ماده پارامغناطیس دارای دقیقا بک الکترون جفت‌نشده‌است و در نتیجه الکترون‌های جفت‌نشده (همانند کیلاتهای گادولینیوم) خود را با میدان همسو کرده و آن را تقویت می‌کند.

فرومغناطیس[ویرایش]

نوشتار اصلی: فرومغناطیس

ماده فرومغناطیس مانند پارامغناطیس دارای الکترون جفت‌نشده‌است. ممان‌های مغناطیسی این مواد تمایل به موازی شدن با همدیگر و با میدان دارند. ازینرو هنگامی که میدان بیرونی برچیده شود ماده همچنان مغناطیسی می‌ماند.

هر ماده فرومغناطیسی دمای کوری Tc خود را دارد که در بالاترر از آن ویژگی فرومغنتتیسی‌اش را بدلیل افزایش انرژی گرمایی و بی‌نظمی از دست می‌دهد.

حوزه‌های مغناطیسی[ویرایش]
حوزه‌های مغناتیسی در یک ماده فرومغناتیس.

نوشتار اصلی: حوزه‌های مغناطیسی

تاثیر آهنربا بر حوزه‌ها.

پادفرومغناطیس[ویرایش]

ساختار پادفرومغناتیس

در ماده پادفرومغناطیس بر خلاف فرومغناطیس، تمایل ممان‌های الکترون‌های ظرفیت براین است که در خلاف جهت همدیگر باشند. ممان مغناطیسی خالص درین مواد صفر است(زیرا ممان‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند). این مواد در دماهای کم وجود دارند و با افزایش دما می‌توانند رفتار فرومغناطیسی یا دیامغناطیسی از خود نشان دهند.

فری‌مغناطیس[ویرایش]

ساختار فری‌مغناتیس

نوشتار اصلی فری‌مغناطیس

همانند فرومغناطیس، ماده فری‌مغناطیس هم پس از مغناطیس شدن توانایی نگهداری آن را در نبود میدان دارد. و از سویی دیگر همانند پادفرومغناطیس اسپین جفت‌الکترن‌ها تمایل به جهت‌دار بودن برخلاف سوی همدیگر را دارند.

لویس نیل این باور را که مگنتایت (که نخستین ماده مغناطیسی کشف شده بود) یک فرومغناطیس است را رد وآن را فری‌مغناطیس دانست.

مغناطیس، الکتریسیته، نسبیت ویژه[ویرایش]

میدان و نیرو[ویرایش]

نوشتار اصلی میدان مغناطیسی

دوقطبی‌های مغناطیسی[ویرایش]

نوشتار اصلی دوقطبی‌های مغناطیسی

یکی از سرچشمه‌های طبیعی مغناطیس دوقطبی است که دو قطب شمال و جنوب دارد. پیشینه دوقطبی قطب‌نما است که با استفاده از میدان مغناطیسی زمین موقعیت شمال را در روی کره می‌نمایاند. شمال و جنوب یک دوقطبی همدیگر را میربایند و ازینرو قطب مغناطیسی شمالگان (که در کانادا است) در اصل یک قطب جنوب از یک دوقطبی (زمین) است که قطب شمال آهنربا را میرباید.

هر میدانی انرژی دارد و سیستم‌ها به سویی می‌روند که انزژیشان را بکاهد. هنگامی که به یک دیامغناطیس میدان اعمال می‌کنیم، دوقطبی خود را با میدان ناهمسو می‌کند تا استحکام میدان را بکاهد و هنگامی که به یک فرومغناطیس میدان اعمال می‌کنیم خود را همسو با میدان کرده تا حوزه‌هایش را گسترش دهد.

تک‌قطبی[ویرایش]

نوشتار اصلی تک‌قطبی مغناطیسی

در واقعیت چیزی بنام تک‌قطبی مغناطیسی وجود ندارد. هرگاه یک دوقطبی را (همیشه یک سر دو قطبی شمال و سر دیگر جنوب است) به دونیم کنیم باز هم هر تکه یک دوقطبی خواهد بود وشمال و جنوب درآن بوجود می‌آید. ازینرو تک‌قطبی تنها در فیزیک تئوری وجود دارد. پاول دیراک نخستین کسی بود که تئوری وجود تک‌قطبی را با استفاده از تئوری کوانتم بیان داشت.

یکاهای الکترومغناطیس[ویرایش]

یکاهای SI در الکترومغناطیس[ویرایش]

SI electromagnetism units
نمادالگو:GreenBookRef۲nd نام نام یکا یکا پایهٔ یکا
I جریان الکتریکی آمپر (SI base unit) A A (= W/V = C/s)
Q بار الکتریکی کولمب C A•s
U, ΔV, Δφ; E اختلاف پتانسیل; نیروی محرک الکتریکی ولت V J/C = kg•m۲•s−۳•A−۱
R; Z; X مقاومت الکتریکی; امپدانس; Reactance اهم Ω V/A = kg•m۲•s−۳•A−۲
ρ مقاومت اهم متر Ω•m kg•m۳•s−۳•A−۲
P توان الکتریکی وات W V•A = kg•m۲•s−۳
C ظرفیت فاراد F C/V = kg−۱•m−۲•A۲•s۴
E استحکام میدان الکتریکی ولت بر متر V/m N/C = kg•m•A−۱•s−۳
D میدان جابجایی الکتریکی کولمب بر متر مربع C/m۲ A•s•m−۲
ε ثابت گذردهی خلأ فاراد بر متر F/m kg−۱•m−۳•A۲•s۴
χe ضریب حساسیت الکتریکی (بی‌بعد) - -
G; Y; B Conductance; ادمیتانس; سوسپتانس زیمنس S Ω−۱ = kg−۱•m−۲•s۳•A۲
κ, γ, σ رسانایی زیمنس بر متر S/m kg−۱•m−۳•s۳•A۲
B Magnetic flux density, Magnetic induction تسلا T Wb/m۲ = kg•s−۲•A−۱ = N•A−۱•m−۱
Φ شار مغناطیسی وبر Wb V•s = kg•m۲•s−۲•A−۱
H استحکام میدان مغناطیسی آمپر بر متر A/m A•m−۱
L, M القاوری هنری H Wb/A = V•s/A = kg•m۲•s−۲•A−۲
μ Permeability هنری بر متر H/m kg•m•s−۲•A−۲
χ پذیرفتاری مغناطیسی (بی‌بعد) - -

مغناطیس و جانداران[ویرایش]

برخی اندامگان می‌توانند میدان مغناطیسی را شناسایی کنند که به این پدیده مغناطیس‌گیرایی گفته می‌شود. مغنازیست به شاخه‌ای از پزشکی گفته می‌شود که به پژوهش درین زمینه می‌پردازد. به میدان تولیدی بوسیله اندامگان را بیومغناطیس گویند.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

پیوند به بیرون[ویرایش]

جستجو در ویکی‌انبار در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ مغناطیس موجود است.