المغناطيسية الحديدية: المواد والتطبيقات والأمثلة - جسدي - بدني - 2026

و فرومنتيسم هو ملك أن يعطي بعض المواد المغناطيسية استجابة مكثفة ودائمة. توجد في الطبيعة خمسة عناصر لها هذه الخاصية: الحديد ، والكوبالت ، والنيكل ، والجادولينيوم ، والديسبروسيوم ، وهذه العناصر الأرضية النادرة.

في وجود مجال مغناطيسي خارجي ، مثل الذي ينتج عن مغناطيس طبيعي أو مغناطيس كهربائي ، تستجيب المادة بطريقة مميزة ، وفقًا لتكوينها الداخلي. المقدار الذي يحدد هذه الاستجابة هو النفاذية المغناطيسية.

مغناطيس يشكل جسرا. المصدر: Pixabay

النفاذية المغناطيسية هي كمية بلا أبعاد معطاة من الحاصل بين شدة المجال المغناطيسي المتولد داخل المادة وشدة المجال المغناطيسي المطبق خارجيًا.

عندما تكون هذه الإجابة أكبر بكثير من 1 ، يتم تصنيف المادة على أنها مغناطيسية حديدية. من ناحية أخرى ، إذا لم تكن النفاذية أكبر بكثير من 1 ، فإن الاستجابة المغناطيسية تعتبر أضعف ، فهي مواد مغناطيسية.

في الحديد تكون النفاذية المغناطيسية في حدود 10 ⁴. هذا يعني أن المجال داخل الحديد أكبر بحوالي 10000 مرة من المجال المطبق خارجيًا. مما يعطي فكرة عن مدى قوة الاستجابة المغناطيسية لهذا المعدن.

كيف تنشأ الاستجابة المغناطيسية داخل المواد؟

من المعروف أن المغناطيسية لها تأثير مرتبط بحركة الشحنات الكهربائية. هذا هو بالضبط التيار الكهربائي. من أين إذن تأتي الخصائص المغناطيسية لقضيب المغناطيس الذي تم لصق ملاحظة به على الثلاجة؟

تحتوي مادة المغناطيس وأي مادة أخرى داخل البروتونات والإلكترونات التي لها حركتها الخاصة وتولد تيارات كهربائية بطرق مختلفة.

يفترض نموذج مبسط للغاية أن الإلكترون في مدار دائري حول النواة مكونة من البروتونات والنيوترونات ، وبالتالي تشكل حلقة صغيرة من التيار. ترتبط كل حلقة بحجم متجه يسمى "العزم المغناطيسي المداري" ، والذي يتم تحديد شدته من خلال ناتج التيار والمنطقة التي تحددها الحلقة: مغنطون بور.

بالطبع ، في هذه الحلقة الصغيرة ، يعتمد التيار على شحنة الإلكترون. نظرًا لأن جميع المواد تحتوي على إلكترونات في داخلها ، فكلها لها من حيث المبدأ إمكانية التعبير عن الخصائص المغناطيسية. ومع ذلك ، ليس كل منهم يفعل.

هذا لأن لحظاته المغناطيسية ليست محاذية ، ولكن مرتبة بشكل عشوائي في الداخل ، بحيث تلغي التأثيرات المغناطيسية العيانية.

لا تنتهي القصة هنا. ناتج العزم المغناطيسي لحركة الإلكترون حول النواة ليس هو المصدر الوحيد الممكن للمغناطيسية على هذا المقياس.

للإلكترون نوع من الحركة الدورانية حول محوره. إنه تأثير يترجم إلى زخم زاوي جوهري. هذه الخاصية تسمى دوران الإلكترون.

وبطبيعة الحال ، يرتبط أيضًا بعزم مغناطيسي وهو أقوى بكثير من العزم المداري. في الواقع ، فإن أكبر مساهمة في صافي العزم المغناطيسي للذرة هي من خلال الدوران ، ولكن كلا العزمتين المغناطيسيتين: لحظة الترجمة بالإضافة إلى الزخم الزاوي الداخلي ، يساهمان في إجمالي العزم المغناطيسي للذرة.

هذه اللحظات المغناطيسية هي تلك التي تميل إلى المحاذاة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. ويفعلون ذلك أيضًا مع الحقول التي تم إنشاؤها بواسطة اللحظات المجاورة في المادة.

الآن ، عادةً ما تقترن الإلكترونات في الذرات بالعديد من الإلكترونات. تتشكل أزواج بين الإلكترونات ذات السبين المعاكس ، مما يؤدي إلى إلغاء عزم الدوران المغناطيسي.

الطريقة الوحيدة التي يساهم بها اللف المغزلي في إجمالي العزم المغناطيسية هي إذا كان أحدهما غير مزدوج ، أي أن الذرة بها عدد فردي من الإلكترونات.

ماذا عن العزم المغناطيسي للبروتونات في النواة؟ حسنًا ، لديهم أيضًا لحظة دوران ، لكن لا يُنظر إليها على أنها تساهم بشكل كبير في مغناطيسية الذرة. وذلك لأن عزم الدوران يعتمد عكسياً على الكتلة وكتلة البروتون أكبر بكثير من كتلة الإلكترون.

المجالات المغناطيسية

في الحديد والكوبالت والنيكل ، وهي ثلاثية العناصر ذات الاستجابة المغناطيسية الكبيرة ، فإن صافي عزم الدوران الناتج عن الإلكترونات ليس صفرًا. في هذه المعادن ، الإلكترونات في المدار ثلاثي الأبعاد ، الأبعد منها ، هي التي تساهم في صافي اللحظة المغناطيسية. هذا هو السبب في أن هذه المواد تعتبر مغنطيسية.

ومع ذلك ، فإن هذه اللحظة المغناطيسية الفردية لكل ذرة لا تكفي لتفسير سلوك المواد المغناطيسية.

بقوة داخل المواد المغناطيسية هناك يسمى المناطق المجالات المغناطيسية ، التي التمديد يمكن أن تتراوح بين 10 ^-4 و 10 ^-1 سم والتي تحتوي على المليارات من الذرات. في هذه المناطق ، تصبح لحظات الدوران الصافية للذرات المجاورة مرتبطة بإحكام.

عندما تقترب مادة ذات مجالات مغناطيسية من مغناطيس ، فإن المجالات تتماشى مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تكثيف التأثير المغناطيسي.

ذلك لأن المجالات ، مثل مغناطيس القضبان ، لها أقطاب مغناطيسية ، يشار إليها بالتساوي بين الشمال والجنوب ، مثل الأقطاب مثل تتنافر والأقطاب المتقابلة تجتذب.

مع محاذاة المجالات مع المجال الخارجي ، تصدر المادة أصوات تكسير يمكن سماعها من خلال التضخيم المناسب.

يمكن رؤية هذا التأثير عندما يجذب المغناطيس المسامير الحديدية الناعمة وهذه بدورها تتصرف مثل المغناطيس الذي يجذب الأظافر الأخرى.

المجالات المغناطيسية ليست حدودًا ثابتة داخل المادة. يمكن تعديل حجمها عن طريق تبريد أو تسخين المادة ، وكذلك تعريضها لتأثير المجالات المغناطيسية الخارجية.

ومع ذلك ، فإن نمو المجال ليس بلا حدود. في اللحظة التي لم يعد من الممكن فيها مواءمتها ، يُقال أنه تم الوصول إلى نقطة تشبع المادة. ينعكس هذا التأثير في منحنيات التخلفية أدناه.

يتسبب تسخين المادة في فقدان محاذاة اللحظات المغناطيسية. تختلف درجة الحرارة التي يتم عندها فقدان المغنطة تمامًا اعتمادًا على نوع المادة ، فبالنسبة لقضيب مغناطيسي يتم فقده عادةً عند حوالي 770 درجة مئوية.

بمجرد إزالة المغناطيس ، يتم فقدان مغنطة الأظافر بسبب التحريض الحراري الموجود في جميع الأوقات. لكن هناك مركبات أخرى لها مغنطة دائمة ، لأن لها مجالات محاذاة تلقائيًا.

يمكن ملاحظة المجالات المغناطيسية عندما يتم قطع وتلميع منطقة مسطحة من مادة مغناطيسية غير ممغنطة ، مثل الحديد الناعم. بمجرد الانتهاء من ذلك ، يتم رشه بمسحوق أو برادة حديدية دقيقة.

تحت المجهر ، لوحظ أن الرقائق مجمعة على مناطق تشكيل المعادن بتوجيه محدد جيدًا ، متبعًا المجالات المغناطيسية للمادة.

يرجع الاختلاف في السلوك بين المواد المغناطيسية المختلفة إلى الطريقة التي تتصرف بها المجالات داخلها.

التباطؤ المغناطيسي

التباطؤ المغناطيسي هو خاصية تمتلكها المواد ذات النفاذية المغناطيسية العالية فقط. لا يوجد في المواد المغناطيسية أو غير المغناطيسية.

يمثل تأثير المجال المغناطيسي الخارجي المطبق ، والذي يُشار إليه بالرمز H ، على الحث المغناطيسي B لمعدن مغناطيسي حديدي أثناء دورة المغنطة وإزالة المغناطيسية. يسمى الرسم البياني الموضح بمنحنى التخلفية.

دورة التباطؤ المغناطيسي

في البداية عند النقطة O لا يوجد مجال مطبق H أو استجابة مغناطيسية B ، ولكن مع زيادة شدة H ، يزداد الحث B تدريجياً حتى يصل إلى حجم التشبع B _s عند النقطة A ، وهو أمر متوقع.

الآن تنخفض شدة H تدريجياً حتى تصبح 0 ، وبذلك نصل إلى النقطة C ، ولكن الاستجابة المغناطيسية للمادة لا تختفي ، مع الاحتفاظ بالمغنطة المتبقية المشار إليها بالقيمة B _r. هذا يعني أن العملية لا يمكن عكسها.

من هناك تزداد شدة H ولكن مع عكس القطبية (علامة سالبة) ، بحيث يتم إلغاء المغنطة المتبقية عند النقطة D. يتم الإشارة إلى القيمة الضرورية لـ H على أنها H _c وتسمى المجال القسري.

يزداد حجم H حتى تصل إلى قيمة التشبع عند E مرة أخرى وتنخفض شدة H على الفور حتى تصل إلى 0 ، ولكن يظل هناك مغنطة متبقية بقطبية معاكسة لتلك الموصوفة سابقًا ، عند النقطة F.

الآن يتم عكس قطبية H مرة أخرى ويزداد حجمها حتى يتم إلغاء الاستجابة المغناطيسية للمادة عند النقطة G. بعد المسار GA يتم الحصول على تشبعها مرة أخرى. لكن الشيء المثير للاهتمام هو أنك لم تصل إلى هناك من خلال المسار الأصلي الذي تشير إليه الأسهم الحمراء.

المواد الصلبة واللينة مغناطيسيًا: التطبيقات

يسهل مغنطة الحديد اللين من الفولاذ ، كما أن النقر على المادة يزيد من سهولة محاذاة المجالات.

عندما يكون من السهل جذب مادة ما وإزالتها من المغناطيسية ، يُقال إنها لينة مغناطيسيًا ، وبالطبع إذا حدث العكس فهي مادة صلبة مغناطيسيًا. في الأخير ، تكون المجالات المغناطيسية صغيرة ، بينما في الأولى تكون كبيرة ، لذا يمكن رؤيتها من خلال المجهر ، كما هو مفصل أعلاه.

المنطقة المحاطة بمنحنى التباطؤ هي مقياس للطاقة المطلوبة للمغنطة - إزالة مغناطيسية المادة. يوضح الشكل منحني تباطؤ لمادتين مختلفتين. واحد على اليسار رخو مغناطيسيًا ، بينما الموجود على اليمين صلب.

تحتوي المادة المغناطيسية الناعمة على مجال قسري صغير H _c ومنحنى تباطؤ مرتفع وضيق. إنها مادة مناسبة توضع في قلب محول كهربائي. ومن الأمثلة على ذلك الحديد اللين وسبائك الحديد والسيليكون والحديد والنيكل المفيدة لمعدات الاتصالات

من ناحية أخرى ، يصعب إزالة المغناطيسية من المواد الصلبة مغناطيسيًا بمجرد تمغنطها ، كما هو الحال مع سبائك النيكو (الألومنيوم والنيكل والكوبالت) وسبائك الأرض النادرة التي تُصنع بها مغناطيس دائم.

المراجع

1. إيسبرج ، ر. 1978. فيزياء الكم. ليموزا. 557-577.
2. يونغ ، هيو. 2016. فيزياء جامعة سيرز-زيمانسكي مع الفيزياء الحديثة. 14 إد بيرسون. 943.
3. 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.