ویژگی های مغناطیسی مواد

رفتار آهنرباهای دائمی، نوارهای مغناطیسیِ پشت کارت های بانکی و دیسک های رایانه ای به طور مستقیم به ویژگی های مغناطیسی مواد بستگی دارد. هنگامی که اطلاعاتی روی نوار مغناطیسیِ پشت کارت های بانکی یا یک دیسک رایانه ای ذخیره می شود، آرایه ای از هزاران هزار آهنربای دائمی میکروسکوپی روی نوار مغناطیسیِ پشت کارت یا دیسک ایجاد می شود. در این بخش، برخی ویژگی های مغناطیسی مواد را بررسی می کنیم.

موادی که اتم ها یا مولکول های سازنده آنها خاصیت مغناطیسی داشته باشند، را مواد مغناطیسی می نامند. در واقع می توان گفت کوچک ترین ذرات تشکیل دهنده این مواد (اتم ها یا مولکول ها) مانند دوقطبی مغناطیسی رفتار می کنند. دو قطبی های مغناطیسی را با یک پیکان کوچک نشان دادیم که می توانند جهت های مختلفی داشته باشند و هر کدام از آنها برای یک اتم یا مولکول اند. انواع مواد مغناطیسی به جهت گیری این دو قطبی ها بستگی دارد.

مواد پارامغناطیس

اتمهای مواد پارامغناطیسی خاصیت مغناطیسی دارند، اما دوقطبی های مغناطیسی مربوط به آنها، به صورت کاتوره ای جهت گیری کردند. به همین خاطر میدان مغناطیسی خالصی ایجاد نمی کنند. اما اگر آن را در یک میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار دهیم، مثلا اگر آن را نزدیک یک آهنربای قوی قرار دهیم، دو قطبی های مغناطیسی اتم ها، مانند عقربه آهنربا، جهت می گیرند و مقداری در راستای میدان مغناطیسی منظم می شوند. با دور کردن آهنربا از این مواد، دوباره دوقطبی های آن مثل حالت اولیه به صورت کاتوره ای جهت گیری می کنند.

 بنابراین مواد پارامغناطیسی در حضور میدان های مغناطیسی قوی، خاصیت مغناطیسی ضعیف و موقت پیدا می کنند. اورانیوم، پلاتین، آلومینیوم، سدیم ، اکسیژن و اکسید نیتروژن از جمله مواد پارامغناطیسی اند.

مواد دیامغناطیس

اتم های مواد دیامغناطیسی به صورت ذاتی خاصیت مغناطیسی ندارند. یعنی هیچ کدام از اتم های این مواد، دوقطبی مغناطیسی خالصی ندارند. با وجود این، اگر در میدان مغناطیسی خارجی قرار بگیرند، دو قطبی های مغناطیسی در خلاف جهت میدان ، به آنها القا می شود. اتم هایی مانند مس، نقره، سرب و بیسموت دیامغناطیس هستند.

 مواد فرومغناطیس

در مواد فرومغناطیسی، اتم ها به صورت ذاتی دوقطبی مغناطیسی دارند. برهم کنش های قوی بین دو قطبی های مغناطیسی در این مواد باعث می شود که این دوقطبی ها، حتی در نبود میدان خارجی، در ناحیه هایی که به آن حوزه های مغناطیسی می گویند، هم جهت شوند. درون هر حوزه تقریبا از مرتبه ۱۰^۱۹ اتم وجود دارد که دوقطبی های مغناطیسی وابسته به آنها هم جهت اند. آهن، نیکل کبالت و بسیاری از آلیاژهایی که این عنصرها را دارند، مواد فرومغناطیسی اند.

 مواد فرومغناطیسی را می توان با قرار دادن در یک میدان مغناطیسی، آهنربا کرد. میدان مغناطیسی خارجی باعث می شود که دو قطبی های مغناطیسی هر حوزه تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار گیرند و به جهت میدان متمایل شوند. بنابر این ، حوزه هایی که نسبت به میدان هم جهت هستند رشد می کنند و حجمشان زیاد می شود. از طرف دیگر حوزه هایی که همجهت با میدان نیستند، کم می شود. در این فرایند مرز بین حوزه ها جابجا می شود و ماده خاصیت آهنربایی پیدا می کند. شکل زیر یک ماده فرومغناطیسی را در یک میدان ضعیف (سمت راست) و یک میدان قوی (سمت چپ) نشان می دهد.

حوزه های مغناطیسی برخی از مواد فرومغناطیس، در حضور میدان مغناطیسی خارجی به راحتی تغییر می  کند و ماده به سادگی آهنربا می شود. با حذف میدان خارجی نیز خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهند. به این مواد، مواد فرومغناطیسی نرم می گویند. مواد فرومغناطیسی نرم در ساخت آهنرباهای الکتریکی غیر دائمی مناسبند. چون با قطع جریان الکتریکی و میدان مغناطیسی ایجاد شده، خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهند. این مواد همچنین در ساخت هسته پیچه ها و سیملوله ها استفاده می شود.

 برخی مواد دیگر مانند فولاد (آهن به اضافه ۲ درصد کربن)، آلیاژهای آهن، کبالت و نیکل به سختی آهنربا می شوند. یعنی در حضور میدان مغناطیسی خارجی، حجم حوزه های آن به سختی تغییر می کند و بعد از قطع میدان مغناطیسی نیز تا مدت زیادی به همین حالت می مانند. یعنی خاصیت آهنربایی خود را پس از قطع میدان مغناطیسی خارجی نیز حفظ می کنند و برای ساخت آهنرباهای دائمی مناسبند. به این مواد، مواد فرومغناطیس سخت گفته می شود.

چند نکته مهم

برای خاصیت آهنربایی هر ماده فرومغناطیسی، مقدار اشباع یا بیشینه ای وجود دارد. این وضعیت وقتی به وجود می آید که ماده فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار گیرد. در این حالت درصد بالایی از دوقطبی های مغناطیسی حوزه ها ، همجهت می شوند. به عبارت دیگر، حجم حوزه هایی که با میدان مغناطیسی خارجی همسو هستند، به بیشترین مقدار خود می رسد.

در شکل زیر طرحی از دو قطبی های مغناطیسی برای مقایسه مواد دیامغناطیس، پارامغناطیس و فرومغناطیس رسم شده است.

نقشه مفهومی زیر را به ذهن بسپارید.

البته دو نوع دیگر  از مواد مغناطیسی یعنی پادفرومغناطیس و فری مغناطیس هم هستند که در بحث کتاب درسی ما نمی گنجد.

مثال هایی از ویژگی های مغناطیسی مواد

مثال ۱: دومیله فلزی بلند مطابق شکل روبه رو درون سیملوله ای که دور یک قوطی مقوایی پیچیده شده است قرار دارند. با بستن کلید و عبور جریان از این سیملوله، مشاهده می شود که دو میله از یکدیگر دور می شوند. وقتی کلید باز و جریان در مدار قطع می شود، میله ها به محل اولیه باز می گردند.

الف)چرا با عبور جریان از پیچه، میله ها از یکدیگر دور می شوند؟

ب) با دلیل توضیح دهید که میله های فلزی، از نظر مغناطیسی در کدام دسته قرار می گیرند؟

پاسخ:

 الف) با عبور جریان از سیملوله، میدان مغناطیسی ایجاد می شود و دوقطبی های میله ها در اثر قرار گرفتن در میدان مغناطیسی، در جهت میدان جهت گیری می کنند. و چون هر دو به یک سو ، جهت گیری می کنند، مانند دو آهنربا می شوند که با قطب هم نام به هم نزدیک می شوند. پس همدیگر را دفع می کنند.

ب) با قطع جریان، میدان مغناطیسی حذف می شود و حوزه ها به صورت کاتوره ای جهت گیری می کنند و خاصیت آهنربایی از بین می رود. بنابر این میله ها ، ماده فرومغناطیس نرم هستند.

مثال ۲: شکل الف حوزه های مغناطیسی ماده فرومغناطیسی را درون میدان خارجی   نشان می دهد. شکل ب همان ماده را پس از حذف میدان  نشان می دهد. نوع ماده فرومغناطیسی را با ذکر دلیل تعیین کنید.

پاسخ:

این شکل یک ماده فرومغناطیس نرم را نشان می دهد چون بلا فاصله بعد از حذف میدان، حوزه های مغناطیسی به صورت کاتوره ای جهت گیری کرده اند. بنابر این ماده دیگر خاصیت آهنربایی ندارد.

---

---