- المواد ذات النفاذية المغناطيسية واستجابتها
- ما هو أصل الاستجابة المغناطيسية في المادة؟
- المغناطيسية في المادة
- التطبيقات: التصوير المغناطيسي للدماغ ومعالجة المياه
- المراجع
إن النفاذية المغناطيسية هي إحدى الإجابات وهي المسألة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. يتميز بأنه عكس أو عكس هذا المجال المغناطيسي وعادة ، ما لم تكن الاستجابة المغناطيسية الوحيدة للمادة ، فإن شدتها هي الأضعف على الإطلاق.
عندما يكون التأثير البغيض هو التأثير الوحيد الذي تقدمه المادة إلى المغناطيس ، فإن المادة تعتبر نفاذية مغناطيسية. إذا سادت تأثيرات مغناطيسية أخرى ، اعتمادًا على ماهيتها ، فسيتم اعتبارها مغناطيسية أو مغناطيسية حديدية.
قطعة من البزموت مادة مغناطيسية. المصدر: Pixabay.
يُنسب إلى Sebald Brugmans في 1778 مع الإشارة الأولى إلى التنافر بين أي من أقطاب المغناطيس وقطعة من المواد ، خاصةً في عناصر مثل البزموت والأنتيمون.
في وقت لاحق ، في عام 1845 ، درس مايكل فاراداي هذا التأثير عن كثب واستنتج أنه خاصية متأصلة في كل المادة.
المواد ذات النفاذية المغناطيسية واستجابتها
يختلف السلوك المغناطيسي للبزموت والأنتيمون ، وغيرهما مثل الذهب والنحاس والهيليوم ومواد مثل الماء والخشب ، بشكل كبير عن الجذب المغناطيسي القوي المعروف جيدًا الذي تمارسه المغناطيسات على الحديد والنيكل أو كوبالت.
على الرغم من كونه استجابة منخفضة الكثافة عمومًا ، في مواجهة مجال مغناطيسي خارجي شديد الشدة ، فإن أي مادة مغناطيسية ، حتى المواد العضوية الحية ، قادرة على تجربة مغنطة معاكسة ملحوظة للغاية.
من خلال توليد مجالات مغناطيسية بقوة 16 تسلا (تعتبر بالفعل 1 تسلا قوية جدًا) ، تمكن الباحثون في مختبر نيميغن للمغناطيسات عالية المجال في أمستردام بهولندا من رفع الفراولة والبيتزا والضفادع مغناطيسيًا في التسعينيات.
من الممكن أيضًا رفع مغناطيس صغير بين أصابع الشخص ، وذلك بفضل النفاذية المغناطيسية والمجال المغناطيسي القوي بدرجة كافية. في حد ذاته ، يمارس المجال المغناطيسي قوة مغناطيسية قادرة على جذب مغناطيس صغير بالقوة ويمكنك محاولة جعل هذه القوة تعوض الوزن ، لكن المغناطيس الصغير لا يظل ثابتًا للغاية.
بمجرد أن يتعرض لأقل إزاحة ، فإن القوة التي يمارسها المغناطيس الكبير تجذبه بسرعة. ومع ذلك ، عندما تأتي أصابع الإنسان بين المغناطيس ، فإن المغناطيس الصغير يستقر ويصعد بين إبهام الشخص والسبابة. يعود السحر إلى تأثير التنافر الناجم عن ضعف مغناطيسية الأصابع.
ما هو أصل الاستجابة المغناطيسية في المادة؟
يكمن أصل النفاذية المغناطيسية ، وهي الاستجابة الأساسية لأي مادة لعمل مجال مغناطيسي خارجي ، في حقيقة أن الذرات تتكون من جسيمات دون ذرية لها شحنة كهربائية.
هذه الجسيمات ليست ثابتة وحركتها مسؤولة عن إنتاج مجال مغناطيسي. بالطبع ، المادة مليئة بها ، ويمكنك دائمًا توقع نوع من الاستجابة المغناطيسية في أي مادة ، وليس فقط مركبات الحديد.
الإلكترون مسؤول بشكل أساسي عن الخصائص المغناطيسية للمادة. في نموذج بسيط للغاية ، يمكن افتراض أن هذا الجسيم يدور حول النواة الذرية بحركة دائرية منتظمة. هذا يكفي لكي يتصرف الإلكترون مثل حلقة صغيرة من التيار قادرة على توليد مجال مغناطيسي.
المغنطة الناتجة عن هذا التأثير تسمى مغنطة مدارية. لكن للإلكترون مساهمة إضافية في مغناطيسية الذرة: الزخم الزاوي الداخلي.
التشبيه لوصف أصل الزخم الزاوي الجوهري هو افتراض أن للإلكترون حركة دورانية حول محوره ، وهي خاصية تسمى الدوران.
كونها حركة وكونها جسيمًا مشحونًا ، يساهم الدوران أيضًا في ما يسمى مغنطة السبين.
كلتا المساهمتين تؤدي إلى مغنطة صافية أو ناتجة ، ولكن الأهم هو بالضبط ذلك بسبب الدوران. على الرغم من أن البروتونات في النواة ، على الرغم من وجود شحنة كهربائية ودوران ، إلا أنها لا تساهم بشكل كبير في مغنطة الذرة.
في المواد المغناطيسية ، يكون المغناطيس الناتج صفرًا ، لأن مساهمات كل من العزم المداري وتلك الخاصة بلحظة الدوران تلغي. الأول بسبب قانون لينز والثاني ، لأن الإلكترونات في المدارات تنشأ في أزواج مع دوران معاكس وتمتلئ الأصداف بعدد زوجي من الإلكترونات.
المغناطيسية في المادة
ينشأ التأثير المغنطيسي عندما يتأثر المغناطيس المداري بمجال مغناطيسي خارجي. يُشار إلى المغنطة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة M وهي ناقل.
بغض النظر عن المكان الذي يتم فيه توجيه المجال ، فإن الاستجابة المغناطيسية ستكون دائمًا مثيرة للاشمئزاز بفضل قانون لينز ، الذي ينص على أن التيار المستحث يعارض أي تغيير في التدفق المغناطيسي عبر الحلقة.
ولكن إذا كانت المادة تحتوي على نوع من المغنطة الدائمة ، فستكون الاستجابة جاذبية ، مثل حالة المغناطيسية المغناطيسية والمغناطيسية الحديدية.
لتحديد ووصف الآثار، والنظر في حقل مغناطيسي خارجي H ، تطبيق على المواد الخواص (خصائصه هي نفسها في أي نقطة في الفضاء)، ضمن فيه مغنطة M ينشأ. كما نتيجة لذلك، داخل الحث المغناطيسي التي تم إنشاؤها B ، نتيجة التفاعل الذي يحدث بين H و M.
كل هذه الكميات متجهة. يتناسب B و M مع H ، كونهما نفاذية المادة μ والقابلية المغناطيسية ، ثوابت التناسب ذات الصلة ، والتي تشير إلى الاستجابة الخاصة للمادة للتأثير المغناطيسي الخارجي:
ب = μ ح
سيكون مغنطة المادة أيضًا متناسبة مع H:
م = χ ح
المعادلات أعلاه صالحة في نظام cgs. كل من B و H و M لهما نفس الأبعاد ، على الرغم من اختلاف الوحدات. بالنسبة لـ B ، يتم استخدام gauss في هذا النظام وبالنسبة لـ H يتم استخدام oersted. سبب القيام بذلك هو التفريق بين المجال المطبق خارجيًا والحقل المتولد داخل المادة.
في النظام الدولي ، وهو النظام الشائع الاستخدام ، تأخذ المعادلة الأولى مظهرًا مختلفًا نوعًا ما:
B = μ أو μ r H
μ o هي النفاذية المغناطيسية للفضاء الفارغ والتي تعادل 4π × 10-7 Tm / A (Teslameter / Ampere) و μ r هي النفاذية النسبية للوسط فيما يتعلق بالفراغ ، وهو بلا أبعاد.
من حيث القابلية المغناطيسية χ ، وهي أنسب خاصية لوصف الخواص المغناطيسية للمادة ، تتم كتابة هذه المعادلة على النحو التالي:
B = (1 + χ) μ أو H
مع μ r = 1 +
في النظام الدولي ، يأتي B في Tesla (T) ، بينما يتم التعبير عن H في Ampere / meter ، وهي وحدة كان يُعتقد في السابق أنها تسمى Lenz ، ولكنها تُركت حتى الآن من حيث الوحدات الأساسية.
في تلك المواد التي تكون فيها χ سالبة ، فإنها تعتبر نفاذية مغناطيسية. وهي معلمة جيدة لوصف هذه المواد ، حيث يمكن اعتبار χ فيها قيمة ثابتة مستقلة عن درجة الحرارة. هذا ليس هو الحال بالنسبة للمواد التي لديها المزيد من الاستجابات المغناطيسية.
عادة χ بترتيب من -10 -6 إلى -10 -5. تتميز الموصلات الفائقة بوجود χ = -1 وبالتالي يتم إلغاء المجال المغناطيسي الداخلي تمامًا (تأثير Meisner).
إنها المواد النقطية المغناطيسية المثالية ، حيث يتوقف ضعف المغناطيسية عن كونها استجابة ضعيفة ، وتصبح قوية بما يكفي لرفع الأشياء ، كما هو موضح في البداية.
التطبيقات: التصوير المغناطيسي للدماغ ومعالجة المياه
تتكون الكائنات الحية من الماء والمواد العضوية ، والتي تكون استجابتها للمغناطيسية ضعيفة بشكل عام. ومع ذلك ، فإن النفاذية المغناطيسية ، كما قلنا ، هي جزء جوهري من المادة ، بما في ذلك المادة العضوية.
تدور تيارات كهربائية صغيرة داخل الإنسان والحيوان مما لا شك فيه أن تأثيرًا مغناطيسيًا. في هذه اللحظة بالذات ، بينما يتابع القارئ هذه الكلمات بعينيه ، تدور تيارات كهربائية صغيرة في دماغه تسمح له بالوصول إلى المعلومات وتفسيرها.
يمكن اكتشاف المغنطة الضعيفة التي تحدث في الدماغ. تُعرف هذه التقنية باسم تخطيط الدماغ المغناطيسي ، والذي يستخدم كاشفات تسمى SQUIDs (أجهزة التداخل الكمومي فائقة التوصيل) للكشف عن الحقول المغناطيسية الصغيرة جدًا ، بترتيب 10-15 T.
الحبار قادرة على تحديد مصادر نشاط الدماغ بدقة كبيرة. البرنامج مسؤول عن جمع البيانات التي تم الحصول عليها وتحويلها إلى خريطة مفصلة لنشاط الدماغ.
يمكن أن تؤثر المجالات المغناطيسية الخارجية على الدماغ بطريقة ما. كم الثمن؟ أظهرت بعض الأبحاث الحديثة أن مجالًا مغناطيسيًا شديدًا إلى حد ما ، حوالي 1 تيرابايت ، قادر على التأثير على الفص الجداري ، ومقاطعة جزء من نشاط الدماغ للحظات قصيرة.
من ناحية أخرى ، غادر آخرون ، حيث قضى المتطوعون 40 ساعة داخل مغناطيس ينتج 4 تيرابايت من الشدة ، دون التعرض لأي آثار سلبية يمكن ملاحظتها. أشارت جامعة أوهايو على الأقل إلى أنه حتى الآن لا يوجد خطر في البقاء ضمن مجالات 8 T.
بعض الكائنات الحية مثل البكتيريا قادرة على دمج بلورات صغيرة من أكسيد الحديد الأسود واستخدامها لتوجيه نفسها داخل المجال المغناطيسي للأرض. تم العثور على المغنتيت أيضًا في الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا مثل النحل والطيور ، الذين قد يستخدمونه لنفس الغرض.
هل توجد معادن مغناطيسية في جسم الإنسان؟ نعم ، تم العثور على المغنتيت في دماغ الإنسان ، على الرغم من عدم معرفة الغرض منه. يمكن للمرء أن يتكهن بأن هذه مهارة مهملة.
فيما يتعلق بمعالجة المياه ، فهي تستند إلى حقيقة أن الرواسب هي في الأساس مواد مغناطيسية. يمكن استخدام المجالات المغناطيسية القوية لإزالة رواسب كربونات الكالسيوم والجبس والملح والمواد الأخرى التي تسبب صلابة في الماء وتتراكم في الأنابيب والحاويات.
إنه نظام له العديد من المزايا للحفاظ على البيئة والحفاظ على الأنابيب في حالة عمل جيدة لفترة طويلة وبتكلفة منخفضة.
المراجع
- إيسبرج ، ر. 1978. فيزياء الكم. ليموزا. 557-577.
- يونغ ، هيو. 2016. فيزياء جامعة سيرز-زيمانسكي مع الفيزياء الحديثة. 14 إد بيرسون. 942
- زاباتا ، ف. (2003). دراسة المعادن المرتبطة ببئر نفط Guafita 8x التابع لحقل Guafita (Apure State) باستخدام حساسية Mossbauer المغناطيسية وقياسات التحليل الطيفي. أطروحة الدرجة. جامعة فنزويلا المركزية.