مغناطيس


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

ادامه نوشته

پيشينه ي مغناطيس


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 چهار پیش از میلاد در چین گونه‌ای از سنگ (lodestone) آهن را می‌رباید. 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.

ديامغناطيس


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.

پارامغناطيس


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.

فرومغناطيس


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.

القاي الكترومغناطيسي

پدیدهٔ القای الکترومغناطیسی (به انگلیسی: Electromagnetic induction) هنگامی رخ می‌دهد که حول یک سیم پیچ، میدان مغناطیسی را کم یا زیاد کنیم. القای مغناطیسی که با نام القای الکترو مغناطیسی نیز شناخته می‌شود پدیدهای فیزیکی است که با تولید پتانسیل الکتریکی در پهنای یک رسانای برقی نمایان می‌شود.

در سال ۱۸۳۱ میلادی مایکل فارادی و جوزف هانری طی آزمایش‌های دریافتند با دور یا نزدیک کردن آهنربا به پیچه، عقربهٔ مغناطیسی آمپرسنج سری با پیچه تکان می‌خورد و مقداری ناچیز را نشان می‌دهد؛ به عبارت دیگر با تغییر میدان مغناطیسی در سیم پیچ، جریان الکتریکی به وجود می‌آید.


VFPt Solenoid correct2.svg

همچنین با تغییر سطح پیچه و یا تغییر زاویه بین حلقه و راستای میدان معناطیسی نیز می‌توان القای الکترومغناطیسی را مشاهده کرد.

هنگام ساختن آهن‌ربا از سنجاق‌هایی، در واقع سنجاق اولی را اآهن‌ربایی آهن‌ربا کرده‌است که سنجاق دومی را ربوده، همین‌طور سنجاق دوم و سوم و... همه آهن‌ربا شده‌اند. اگر آهن‌ربای قوی‌تری داشته‌باشید می‌توانید زنجیر بلندتری بسازید اگر صفحه‌ای کاغذ یا مقوا، یا شیشه‌ای را مطابق شکل میان اهنربا و نخستین سنجاق گذارید، باز هم می‌توانید زنجیر مغناطیسی بسازید؛ یعنی بی تماس آهن‌ربا با سنجاق، خاصیت مغناطیسی را در سنجاق ایجاد می‌کند. این پدیده -یعنی ایجاد خاصیت مغناطیسی در مادهٔ فرومغناطیسی با آهنربا حتی بی تماس با آن را «القای مغناطیسی» می‌گویند.

قانون القاي الكتومغناطيسي فارادي


قانون القای الکترومغناطیسی فارادی که توسط مایکل فارادی ابداع شده، بیان می‌کند که هرگاه میزان شار مغناطیسی‌ای از یک مدار بسته می‌گذرد تغییر کند، نیروی محرکه‌ای در آن القا می‌شود که بزرگی آن با آهنگ تغییر شار مغناطیسی متناسب است.

این قانون را می‌توان با رابطهٔ زیر بیان کرد:

{\varepsilon} ={- \mathrm{d}{\Phi} \over \mathrm{d}t }

در این رابطه {\varepsilon} نیروی محرکه القایی بر حسب ولت , {\mathrm{d}{\Phi} \over  \mathrm{d}t } آهنگ تغییر شار مغناطیسی بر حسب وبر بر ثانیه‌است.

این قانون را همچنین در حالت چند حلقه هم بیان می‌کنند که می‌شود:

: {\varepsilon} =- \mathbf{N} {\mathrm{d}{\Phi} \over  \mathrm{d}t }

هرگاه شار مغناطیسی که از یک مدار بسته می‌گذرد، تغییر کند، در آن نیروی محرکه الکتریکی القا خواهد شد. که بزرگی آن با آهنگ تغییر شار مغناطیسی متناسب است.

\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}

\oint_C \mathbf{E} \cdot d\mathbf{l} = - \ { d \over dt}   \int_S   \mathbf{B} \cdot d\mathbf{A}

اگر چه این معادله به قانون فارادی شهرت یافته‌است، اما به وسیله فارادی به این صورت نوشته نشده‌است، چه او ریاضی نخوانده بود. در حقیقت در سه جلد کتاب منتشر یافته فارادی درباره الکترومغناطیس، که در توسعه فیزیک و شیمی نقشی بسزا داشت، حتی یک معادله ریاضی وجود نداشت![۱]

یک آذرخش ٬ که مثالی از پدیده‌های الکتریکی است.یک آهنربای میله‌ای

الکترومغناطیس شاخه‌ای از علم فیزیک است که به مطالعهٔ پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می‌پردازد. از طرفی یکی از چهار نیروی بنیادی طبیعت است (سه نیروی دیگر نیروی هسته‌ای قوی، نیروی هسته‌ای ضعیف و گرانش هستند). در نظریهٔ الکترومغناطیس این نیروها به‌وسیلهٔ میدان‌های الکترومغناطیسی توصیف می‌شوند. الکترومغناطیس توصیفگر بیشتر پدیده‌هایی‌ست (به جز گرانش) که در زندگی روزمره اتفاق می‌افتد. الکترومغناطیس همچنین نیرویی‌ست که الکترون‌ها و پروتون‌ها را در داخل اتم‌ها پیش هم نگه می‌دارد. درحقیقت حامل همه‌ٔ نیروهای درون مولکولی٬ نیروی الکترومغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی به دو صورت نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی بروز می‌کند که این دو جنبه‌های مختلف از یک چیز (نیروی الکترومغناطیسی) هستند و از این رو ذاتاً یه یکدیگر مربوط‌اند. تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می‌کند. این اثر به نام القای الکترومغناطیسی شناخته شده است و اساس کار ژنراتورهای الکتریکی، موتورهای القایی و ترانسفورمرها می‌باشد. میدانهای الکتریکی عامل چند پدیدهٔ الکتریکی معمول مانند پتانسیل الکتریکی (مانند ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (مانند جریان برق) و میدانهای مغناطیسی عامل نیروی مربوط با آهنرباها هستند. در الکترودینامیک کوانتومی ٬ نیروی الکترومغناطیسی بین ذرات باردار را می‌توان از طریق روش نمودارهای فاینمن محاسبه کرد که در آن تصور می‌شود که ذرات پیام‌رسان به نام فوتن مجازی بین ذرات باردار مبادله می‌شود.

مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به توسعه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده‌است.