مغناطیس چیست؟
یک مثال مناسب از این اثر، ساختن قطبنما با کمک سوزن است. برای بیشتر کاربردهای عملی، از سنگهای طبیعی مغناطیسی استفاده نمیشود، زیرا امروزه، آهنربای ساخته شده به دست بشر را میتوان در شکلهای مختلف، ابعاد و یا حتی شدت آهنربایی متفاوت ساخت.
در حالت کلی دو نوع «آهنربا» وجود دارد. یکی «آهنربای دائم» و دیگری «آهنربای موقت» که که بسته به کاربرد، از هر کدام استفاده میشود. انواع مختلفی از فلزات مثل آهن، نیکل، آلیاژهای نیکل، کروم یا کبالت را میتوان برای ساخت آهنربا به کار برد. بعضی فلزات مثل نیکل و کبالت در حالت طبیعی خاصیت مغناطیسی بسیار ناچیزی دارند.
هنگامی که این فلزات با یکدیگر ترکیب شوند، آلیاژ تشکیل میدهند. این آلیاژها، مثل آلیاژ آهن یا آلومینیوم پراکسید، خاصیت آهنربایی بسیار قوی دارند؛ مانند: آلنیکو، آلنی، آلکومکس.
مواد مغناطیسی در حالت غیر مغناطیسی خود، آرایش مغناطیسی مولکولی ضعیفی دارند. میتوان گفت: آرایش مولکولی مغناطیسی این مواد، آهنرباهایی در جهات مختلف و به صورت تصادفی است که در مجموع اثر یکدیگر را خنثی میکنند. زیرا هر آهنربای مولکولی سعی میکند اثر آهنربای مجاور خود را خنثی کند.
وقتی ماده، مغناطیسی میشود، این آرایش تصادفی مولکولها تغییر میکند و آهنرباهای کوچک مولکولی همجهت میشوند. برآیند این آهنرباهای کوچک یک آهنربای بزرگ میسازد. ایده همجهت شدن آهنربای مولکولی در مواد فرومغناطیس، «تئوری وبر» (Weber Theory) نام دارد و در شکل زیر نشان داده شده است.
حوزههای مغناطیسی
به همین ترتیب، در موادی که خاصیت مغناطیسی ندارند، آهنرباهای کوچک مولکولی، آرایش تصادفی دارند. به طوری که هر آهنربای مولکولی، خاصیت آهنربایی مولکولی مجاور خود را خنثی میکند. به ناحیهای که در آن، آهنرباهای مولکولی در کنار یکدیگر هستند، «حوزه» (Domain) گفته میشود.
هر ماده مغناطیسی، بسته به درجه همجهت بودن حوزههای مغناطیسی درون آن (که به وسیله اوربیتالها و اسپین الکترون اتمها، ایجاد شده)، میدان مغناطیسی تولید میکند. این درجه از همجهت بودن با یک کمیت به نام «مغناطیسکنندگی» (M) شناخته میشود.
در یک ماده غیر مغناطیسی، مقدار مغناطیسکنندگی برابر صفر است (M=۰). اگر یک میدان مغناطیسی به یک ماده غیر مغناطیسی اعمال کنیم تا آن ماده مغناطیسی شود و سپس این میدان را حذف کنیم، همچنان در برخی حوزهها، آهنرباهای الکتریکی، همجهت باقی میمانند. بسته به نوع ماده، این میدانها یا همجهت هستند یا اثر یکدیگر را خنثی میکنند. این خاصیت که ماده میتواند خاصیت مغناطیسی خود را حفظ کند «پایداری مغناطیسی» (Retentivity) نام دارد.
موادی که پایداری مغناطیسی بالایی دارند، معمولا در ساخت آهنربای دائم به کار میروند. از طرف دیگر، از موادی که پایداری مغناطیسی پایینی دارند و به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست میدهند، برای ساخت رله یا سلونوئید استفاده میشود.
خطوط شار (میدان برداری)، با چشم دیده نمیشود. اما اگر روی یک صفحه کاغذ، یک آهنربا قرار دهیم و سپس برادههای آهن بریزیم، این برادهها، به سمت قطب شمال و جنوب آهنربا جذب میشوند. با حرکت دادن قطبنما اطراف آهنربا نیز، میتوان قطبهای شمال و جنوب را ردیابی کرد.
میدانهای مغناطیسی همیشه به صورت خطوط نیرو نشان داده میشود. این میدان در نزدیکی قطبها، بیشترین مقدار خود را دارد. خطوطی که جهت و شدت میدان مغناطیسی را نشان میدهد، «خطوط نیرو» (Lines of Force) یا به صورت کلیتر، شار مغناطیسی نام دارد. شار مغناطیسی با نماد Φ. نشان داده میشود.
هرچند، شار مغناطیسی، از قطب شمال به قطب جنوب جاری نمیشود، زیرا شار مغناطیسی به صورت ایستا در اطراف آهنربا وجود دارد. هنگام رسم خطوط نیرو باید به نکتههای زیر توجه کرد:
خطوط نیرو هرگز یکدیگر را قطع نمیکنند.
خطوط نیرو پیوسته هستند.
خطوط نیرو حلقهای بسته اطراف آهنربا ایجاد میکنند.
خطوط نیرو همیشه از قطب شمال شروع و به قطب جنوب ختم میشوند.
خطوط نیرو با فاصله کم، نشاندهنده میدان مغناطیسی قوی هستند.
خطوط نیرو با فاصله زیاد از هم، نشاندهنده میدان مغناطیسی ضعیف هستند.
نیروهای مغناطیسی مثل نیروهای الکتریکی، یکدیگر را جذب یا دفع میکنند. وقتی دو میدان مغناطیسی در مجاورت هم داشته باشیم یکی از دو حالت زیر اتفاق میافتد:
هنگامی که دو قطب مجاور هم، همنام هستند (دو قطب شمال در کنار هم یا دو قطب جنوب در کنار هم)، میدانهای مغناطیسی یکدیگر را دفع میکنند.
هنگام رسم میدانهای مغناطیسی با قطبنما، میتوان مشاهده کرد که خطوط نیرو، قطب شمال را ترک و به قطب جنوب وارد میشوند. خاصیت مغناطیسی به وسیله حرارت دادن یا چکش زدن به آهنربا از بین میرود، اما شکستن آهنربا به دو قسمت، روی خاصیت مغناطیسی تأثیری ندارد.
مثالی از چگالی شار
مقدار شار موجود در یک آهنربای استوانهای به اندازه ۰.۰۱۳ وبر است. اگر قطر استوانه ۱۲ سانتیمتر باشد، چگالی شار را بیابید.
حل: سطح مقطع شار گذرنده از این آهنربا همان مساحت دایره است، پس:
A=π×r۲=۳.۱۴۲×۰.۰۶۲=۰.۰۱۱۳m۲
B=ΦA=۰.۰۱۳۰.۰۱۱۳=۱.۱۵T