مواد مغناطیسی و خواص مغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث مواد مغناطیسی‌ ‌و ویژگی های مغناطیسی مواد ‌(‌خواص مغناطیسی‌) مواد بپردازیم. ویژگی های مغناطیسی مواد ‌(‌خواص مغناطیسی‌) موضوعی مشترک در کتاب فیزیک ۲ برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

مواد مغناطیسی

می‌توان گفت که هر رفتار مغناطیسی که از ادوات مختلف می‌بینیم، به طور مستقیم به ویژگی‌های مغناطیسی مواد بستگی دارد. مثلاً رفتار آهنرباهای دائمی، آهنربا‌های الکتریکی، نوارهای مغناطیسی پشت کارت های اعتباری (بانکی)، دیسک‌های سخت (حافظه) کامپیوتر و … هر یک می‌توانند ناشی از نوع خاصی از خواص مغناطیسی مواد باشند.

لازم به ذکر است که هنگام ذخیره اطلاعات روی نوارهای مغناطیسی پشت کارت اعتباری یا یک دیسک سخت (حافظه) کامپیوتر ذخیره می‌شوند، آرایه‌ای از هزاران هزار آهنربای دائمی میکروسکوپی (خیلی کوچک) در آن‌ها ایجاد می‌شود.

به طور کلی، موادی که اتم یا مولکول‌های سازنده‌ آن‌ها دارای خواص مغناطیسی باشند، به مواد مغناطیسی موسوم هستند. به عبارتی می‌توان گفت که کوچکترین ذره‌های تشکیل دهنده این مواد که اتم‌ها یا مولکول‌ها هستند، همانند دو قطبی های مغناطیسی رفتار می‌کنند. بررسی فیزیک دو قطبی‌های مغناطیسی خارج از حوصله و سطح این مقاله (فیزیک یازدهم) است. اما در شکل‌هایی که استفاده می‌کنیم، دوقطبی‌های مغناطیسی را با پیکان‌هایی کوجک نشان می‌دهیم.

هر یک از این پیکان‌ها، به عبارتی دوقطبی‌های مغناطیسی مربوط به یک اتم یا مولکول هستند که می‌توانند جهت‌گیری متفاوتی در فضای ماده داشته باشند. در ادامه به بررسی سه دسته اصلی مواد مغناطیسی می‌پردازیم.

ویژگی های مغناطیسی مواد (‌خواص مغناطیسی‌)

در ادامه این مقاله نگاهی بر سه دسته اصلی مواد مغناطیسی و خواص مغناطیسی مربوط به آن‌ها خواهیم داشت.

• پارامغناطیس
• دیامغناطیس
• فرومغناطیس
  • فرومغناطیس نرم
  • فرومغناطیس سخت

مواد پارامغناطیسی

اتم‌های مواد پارامغناطیس خاصیت مغناطیسی دارند. در واقع دو قطبی‌های مغناطیسی درون مواد پارامغناطیس موجود هستند و از حیث اندازه (مقدار) نیز قابل توجه‌اند. اما همانند شکل زیر دوقطبی های مغناطیسی (پیکان‌های قرمز رنگ) به طور تصادفی و کاتوره‌ای جهت‌گیری کرده‌اند.

لازم به ذکر است که منشاً میدان مغناطیسی همین دو قطبی های مغناطیسی هستند. از آنجایی که در مواد پارامغناطیس‌، دوقطبی‌ها جهت‌گیری خاصی نداشته و به طور تصادفی در فضای ماده قرار گرفته‌اند، برآیند میدان مغناطیسی کل در این مواد تقریباً برابر با صفر است. به عبارت دیگر، به دلیل جهت‌گیری‌های مختلف دوقطبی‌های مغناطیسی، میدان‌های مغناطیسی ناشی از آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند.

اما اگر مواد پارا مغناطیس را درون میدان مغناطیسی خارجی قوی نظیر یک آهنربای قوی قرار دهیم چه می‌شود؟!

در پاسخ به این سوال می‌توان گفت که وقتی مواد پارامغناطیس درون یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، دوقطبی‌های مغناطیسی درون آن‌ها جهت‌گیری خود را عوض کرده و به مقدار مختصری در راستای خطوط میدان مغناطیسی منظم می‌شوند. می‌شود این طور فرض کرد که دوقطبی‌های مغناطیسی همانند عقربه قطب‌نما، در نزدیکی آهنربا رفتار می‌کنند. منظم شدن این دوقطبی‌های مغناطیسی منجر می‌شود که مواد پارامغناطیس‌، خاصیت مغناطیسی پیدا کنند (البته موقت!)

حال با دور کردن ماده پارا مغناطیس از میدان مغناطیسی (از آهنربا)، مشاهده می‌شود که خاصیت مغناطیسی آن از بین می‌رود. در واقع با حذف میدان مغناطیسی خارجی، دوقطبی‌های مغناطیسی درون مواد پارامغناطیس دوباره به صورت کاتوره‌ای و تصادفی جهت‌گیری می‌کنند.

از این امر می‌توان نتیجه گرفت که مواد پارامغناطیسی در حضور میدان های مغناطیسی قوی، خاصیت مغناطیسی ضعیف و موقت پیدا می‌کنند. مثال‌هایی از مواد پارامغناطیس: اورانیم، پلاتین، آلومینیم، سدیم، اکسیژن و اکسید نیتروژن

مواد دیامغناطیسی

موادی نظیر مس، نقره، سرب و بیسموت به طور ذاتی فاقد خاصیت مغناطیسی هستند. در واقع هیچ یک از اتم‌های این مواد، دارای دوقطبی مغناطیسی خالصی نیستند. این مواد در دسته مواد دیامغناطیس جای می‌گیرند.

در صورتی که مواد دیا مغناطیس در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی قوی قرار گیرند، دوقطبی‌های مغناطیسی در خلاف جهت خطوط میدان مغناطیسی خارجی در آن‌ها القا می‌شود. دوقطبی‌های مغناطیسی خلاف جهت خطوط میدان منجر به کاهش یا تضعیف میدان مغناطیسی خارجی می‌شوند.

دلیل جهت‌گیری عکس (خلاف جهت خطوط) را می‌توان در قانون لنز جست‌وجو کرد. چرخش هر الکترون به دور هسته اتم را می‌توان به صورت یک حلقه میکروسکوپی جریان مدل‌سازی کرد. در واقع دوقطبی‌های مغناطیسی ناشی از همین حلقه‌های جریان مدل شده هستند.

هرگاه ماده‌ای در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار گیرد، شار مغناطیسی گذرنده از هر یک از این حلقه‌های میکروسکوپی افزایش می‌یابد و در نتیجه بنابر قانون لنز، در این حلقه‌ها، یک میدان مغناطیسی در خلاف جهت میدان مغناطیس خارجی القا می‌شود. به این ویژگی که در اتم‌های همهٔ مواد در حضور یک میدان مغناطیسی خارجی رخ می دهد، پدیده یا اثر دیامغناطیس گفته می‌شود.

اثر دیامغناطیسی در موادی نظیر بیسموت، جیوه، نقره، سرب، مس و کربن (الماس) بهتر نمایان می شود، زیرا اتم‌های آن‌ها، فاقد دو قطبی‌های مغناطیسی دائمی هستند. از آنجا که اثر دو قطبی های مغناطیسی دائمی در مواد فرومغناطیسی و پارامغناطیسی بسیار بیشتر از اثر دو قطبی های القایی است، اثر دیامغناطیس در این گونه مواد نمود کمتری دارد.

مواد فرومغناطیسی

دسته سومی از مواد مغناطیسی (خاصیت مغناطیسی) وجود دارد که مواد فرو مغناطیس موسوم هستند. اتم‌های این دست از مواد به طور ذاتی دارای دو قطبی های مغناطیسی هستند. آهن، نیکل، کبالت و آلیاژهای آن‌ها مثال‌هایی معروف از مواد فرومغناطیسی هستند.

برهمکنش قوی بین این دوقطبی‌ها، حتی در نبود میدان مغناطیسی خارجی، در ناحیه‌هایی از فضای ماده که به حوزه های مغناطیسی موسوم هستند، هم‌جهت یا همسو شوند. در شکل زیر نمونه‌هایی از حوزه های مغناطیسی را مشاهده می‌فرمایید.

به طور تقریبی در هر حوزه مغناطیسی تعداد اتم‌ها از مرتبه  می‌باشد. پس در هر حوزه مغناطیسی‌، راستای دوقطبی‌های مغناطیسی (پیکان‌های کوچک)، هم‌جهت است. توجه داشته باشید که به دلیل متفاوت بودن جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی هر حوزه با حوزه دیگر، مواد فرومغناطیسی در حالت عادی خاصیت مغناطیسی ندارند. در واقع اگر برای هر حوزه یک بردار برآیند (جمع) دوقطبی‌ مغناطیسی در نظر بگیریم، بردار برآیند دوقطبی مغناطیسی حوزه‌های مختلف، جهت‌گیری متفاوت (کاتوره‌ای) دارند.

با قرار دادن مواد فرومغناطیس در یک میدان مغناطیسی، می‌توان آن‌ها را آهنربا کرد. میدان مغناطیسی خارجی باعث می‌شود که دوقطبی‌های مغناطیسی درون هر حوزه مغناطیسی تحت تاثیر قرار بگیرند و در راستای خطوط میدان متمایل شوند. با این کار حوزه‌هایی که در هم‌جهت با میدان مغناطیسی خارجی هستند بر تعدادشان افزوده می‌شود.

همچنین، سایر حوزه‌ها که جهت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی در آن‌ها در راستای میدان مغناطیسی خارجی نیست، تحت تاثیر قرار گرفته و از تعدادشان کم می‌شود. لازم به ذکر است که قرار دادن ماده فرومغناطیس در میدانت مغناطیسی خارجی، باعث می‌گردد که همانند شکل زیر، مرز حوزه‌ها جابه‌جا شود. در واقع حوز‌هایی که تحت تاثیر میدان مغناطیسی خارجی، هم راستا قرار می‌گیرند، را می‌توان یک حوزه بزرگ در نظر گرفت.

خاصیت مواد فرومغناطیس از مهم‌ و پرکاربردترین مواد مغناطیسی

فرو مغناطیس نرم

مواد فرومغناطیس نرم‌، موادی هستند که در حضور میدان مغناطیسی خارجی، حوزه‌های مغناطیسی آن‌ها به راحتی تغییر جهت داده و با راستای خطوط میدان مغناطیسی هم‌جهت می‌شوند. در نتیجه به سادگی تبدیل به آهنربا می‌شوند. از آنجایی که تغییر راستای حوزه‌های مغناطیسی به راجتی رخ می‌دهد، با حذف میدان مغناطیسی خارجی نیز، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهند.

مواد فرومغناطیس نرم در ساخت پیچه‌ها، سیم‌لوله‌ها و آهنربا‌های الکتریکی (غیر‌دائم) مناسب هستند.

فرو مغناطیس سخت

برخی از مواد فرومغناطیسی نظیر فولاد (آهنم به اضافه ۲درصد فولاد)، آلیاژهای آهن، کبالت، نیکل و … وقتی در حضور میدان مغناطیسی خارجی قرار می‌گیرند، راستای حوزه‌های مغناطیسی در آن‌ها به سختی تغییر می‌کند. به همین جهت به آن‌ها مواد فرو مغناطیس سخت می‌گویند. خاصیت مهمی که این دست از مواد دارند، این است که با حذف میدان مغناطیسی خارجی، سمت‌گیری دوقطبی‌های مغناطیسی حوزه‌ها پس از مدت زمان زیادی، تقریباً بدون تغییر باقی می‌مانند.

به عبارت دیگر، پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی، مواد فرومغناطیسی سخت‌، خواص مغناطیسی خود را تا مدت قابل توجهی حفظ می‌کنند. به همین جهت از مواد فرو مغناطیس سخت برای ساخت آهنربا‌های دائمی استفاده می‌کنند.

برای خاصیت آهنربایی هر ماده فرومغناطیسی، مقدار اشباع یا بیشینه‌ای وجود دارد. این وضعیت هنگامی به وجود می آید که ماده فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار گیرد. این میدان مغناطیسی خارجی قوی باعث می‌شود که درصد بالایی از دوقطبی های مغناطیسی درون حوزه‌ها به موازات یکدیگر هم خط شوند. به عبارت دیگر، حجم حوزه هایی که با میدان مغناطیسی خارجی همسو هستند، به بیشترین مقدار خود می‌رسد.

توجه داشته باشید که به طور کل، شدت همسویی دوقطبی‌های مغناطیسی به شدت میدان مغناطیسی خارجی بستگی دارد.

فعالیت ۳-۷ کتاب فیزیک ۲ (ریاضی و تجربی)

یک لولهٔ آزمایش را تا نزدیکی لبهٔ آن از الکل طبی (اتانول ۹۶ درجه) پر کنید. در لوله را ببندید و آن را به طور افقی قرار دهید. مطابق شکل زیر، یک آهنربای نئودیمیم (آهنربایی بسیار قوی) را بالای حباب هوای درون لوله بگیرد و به آرامی آهنربا را حرکت دهید. دلیل آنچه را مشاهده می کنید در گروه خود به گفت وگو بگذارید.

الکل ماده‌ای دیامغناطیس است.

پاسخ: الکل، ماده‌ای دیامغناطیس است، به همین دلیل در خلاف جهت حرکت آهنربا، حرکت می‌کند. در واقع در آزمایش به نظر می‌رسد که حباب هوا در جهت حرکت آهنربا حرکت می‌کند. اگر این آزمایش را برای مواد پارامغناطیس (نظیر آلومینیوم) تکرار کنیم، مشاهده خواهیم کرد که ماده پارامغناطیس به سمت آهنربای قوی حرکت می‌کند.

پرسش ۳-۹ کتاب فیزیک ۲ ریاضی | ۳-۱۰ تجربی

دو میلهٔ 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 می‌شود که دو میله از یکدیگر دور می‌شوند. وقتی کلید باز و جریان در مدار قطع می‌شود، میله‌ها به محل اولیه باز می‌گردند.

ایجاد خاصیت مغناطیسی در میله‌های فلزی از جنس فرومغناطیس نرم توسط آهنربای الکتریکی

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

پاسخ: از آنجایی که جنس میله‌ها از ماده فرومغناطیس هستند، آهنربا می‌شوند و در نتیجه از  یکدیگر دور می شوند (قطب‌های هم‌نام نزدیک یکدیگر قرار می‌گیرند).

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

پاسخ: با توجه به اینکه وقتی کلید باز می‌شود (قطع جریان الکتریکی)، میله‌ها به محل اولیه باز خود می‌گردند، نتیجه می‌گیریم که میله ها از جنس فرومغناطیس نرم هستند.

امیدواریم که این مقاله مواد مغناطیسی‌، برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان – فیزیک یازدهم (۲)

خازن – فیزیک یازدهم (۲)

اصول لیزر – فیزیک دوازدهم (۳)

امواج الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

چگالی – فیزیک دهم (۱)