و مغنطة هي كمية متجهة تصف الدولة المغناطيسية للمادة ويعرف بأنه كمية من لحظات المغناطيسي ثنائي القطب لكل وحدة حجم. يمكن اعتبار مادة مغناطيسية - الحديد أو النيكل على سبيل المثال - مكونة من العديد من المغناطيسات الصغيرة التي تسمى ثنائيات الأقطاب.
عادةً ما يتم توزيع هذه ثنائيات الأقطاب ، والتي بدورها لها أقطاب مغناطيسية شمالية وجنوبية ، بدرجة معينة من الفوضى داخل حجم المادة. يكون الاضطراب أقل في المواد ذات الخصائص المغناطيسية القوية مثل الحديد وأكبر في المواد الأخرى ذات المغناطيسية الأقل وضوحًا.
الشكل 1. يتم ترتيب ثنائيات الأقطاب المغناطيسية بشكل عشوائي داخل مادة ما. المصدر: F. Zapata.
ومع ذلك ، من خلال وضع المادة في منتصف مجال مغناطيسي خارجي ، مثل ذلك المنتج داخل ملف لولبي ، يتم توجيه ثنائيات الأقطاب وفقًا للحقل وتكون المادة قادرة على التصرف مثل المغناطيس (الشكل 2).
الشكل 2. وضع مادة مثل قطعة من الحديد على سبيل المثال ، داخل ملف لولبي يمر من خلاله تيار I ، فإن المجال المغناطيسي لهذا يحاذي ثنائيات الأقطاب في المادة. المصدر: F. Zapata.
دع M يكون متجه المغنطة ، والذي يتم تعريفه على النحو التالي:
الآن ، شدة المغناطيسية في المادة ، نتاج الانغماس في المجال الخارجي H ، تتناسب مع هذا ، لذلك:
M ∝ H
يعتمد ثابت التناسب على المادة ، ويطلق عليه القابلية المغناطيسية ويُشار إليه بـ χ:
م = χ. ح
وحدات M في النظام الدولي هي أمبير / متر ، مثل وحدات H ، وبالتالي فإن χ بلا أبعاد.
العزم المغناطيسي المداري والدوراني
تنشأ المغناطيسية من تحريك الشحنات الكهربائية ، لذلك لتحديد مغناطيسية الذرة ، يجب أن نأخذ في الاعتبار حركات الجسيمات المشحونة التي تتكون منها.
الشكل 3. حركة الإلكترون حول النواة تساهم في المغناطيسية مع العزم المغناطيسي المداري. المصدر: F. Zapata.
بدءًا من الإلكترون ، والذي يعتبر أنه يدور حول النواة الذرية ، فهو يشبه حلقة صغيرة (دائرة مغلقة أو حلقة تيار مغلقة). تساهم هذه الحركة في مغناطيسية الذرة بفضل متجه العزم المغناطيسي المداري m ، والذي يكون حجمه:
حيث I هي شدة التيار و A هي المنطقة المحيطة بالحلقة. لذلك ، وحدات m في النظام الدولي (SI) هي أمبير x متر مربع.
المتجه m عمودي على مستوى الحلقة ، كما هو مبين في الشكل 3 ، ويتم توجيهه كما هو موضح بقاعدة الإبهام الأيمن.
يتم توجيه الإبهام في اتجاه التيار ويتم لف الأصابع الأربعة المتبقية حول الحلقة ، مشيرة إلى الأعلى. هذه الدائرة الصغيرة تعادل قضيب مغناطيسي ، كما هو موضح في الشكل 3.
تدور لحظة مغناطيسية
بصرف النظر عن العزم المغناطيسي المداري ، يتصرف الإلكترون كما لو كان يدور على نفسه. لا يحدث الأمر بهذه الطريقة بالضبط ، لكن التأثير الناتج هو نفسه ، لذا فهذه مساهمة أخرى يجب أخذها في الاعتبار من أجل صافي العزم المغناطيسي للذرة.
في الواقع ، تكون عزم الدوران المغناطيسي أكثر كثافة من العزم المداري وهي مسؤولة بشكل أساسي عن صافي مغناطيسية المادة.
الشكل 4. عزم الدوران المغناطيسي هو الذي يساهم بشكل كبير في صافي مغنطة المادة. المصدر: F. Zapata.
محاذاة لحظات الدوران في وجود مجال مغناطيسي خارجي وتخلق تأثيرًا متتاليًا ، يتماشى على التوالي مع اللحظات المجاورة.
لا تظهر كل المواد خصائص مغناطيسية. هذا لأن الإلكترونات ذات السبين المعاكس تشكل أزواجًا وتلغي لحظات الدوران المغناطيسية الخاصة بكل منها.
فقط في حالة عدم ازدواج أي منها ، توجد مساهمة في إجمالي العزم المغناطيسي. لذلك ، فقط الذرات التي تحتوي على عدد فردي من الإلكترونات لديها فرصة أن تكون مغناطيسية.
تساهم البروتونات الموجودة في نواة الذرة أيضًا مساهمة صغيرة في إجمالي العزم المغناطيسي للذرة ، لأن لها أيضًا دورانًا وبالتالي عزمًا مغناطيسيًا مرتبطًا بها.
لكن هذا يعتمد بشكل عكسي على الكتلة ، و كتلة البروتون أكبر بكثير من كتلة الإلكترون.
أمثلة
داخل الملف ، الذي يمر من خلاله تيار كهربائي ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي منتظم.
وكما هو موضح في الشكل 2 ، عند وضع مادة هناك ، فإن اللحظات المغناطيسية لهذا تتماشى مع مجال الملف. التأثير الصافي هو إنتاج مجال مغناطيسي أقوى.
المحولات ، الأجهزة التي تزيد أو تنقص الفولتية البديلة ، هي أمثلة جيدة. وهي تتكون من ملفين ، الابتدائي والثانوي ، ملفوفان على قلب حديدي ناعم.
الشكل 5. في قلب المحولات يحدث مغنطة صافية. المصدر: ويكيميديا كومنز.
يتم تمرير تيار متغير من خلال الملف الأساسي الذي يعدل بالتناوب خطوط المجال المغناطيسي داخل القلب ، مما يؤدي بدوره إلى إحداث تيار في الملف الثانوي.
تردد التذبذب هو نفسه ، لكن الحجم مختلف. بهذه الطريقة ، يمكن الحصول على جهد أعلى أو أقل.
بدلاً من لف الملفات إلى قلب صلب صلب ، يفضل وضع حشوة من الصفائح المعدنية المغطاة بالورنيش.
يرجع السبب إلى وجود تيارات إيدي داخل القلب ، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها بشكل مفرط ، ولكن التيارات المستحثة في الألواح أقل ، وبالتالي يتم تقليل تسخين الجهاز.
شواحن لاسلكية
يمكن شحن الهاتف الخلوي أو فرشاة الأسنان الكهربائية بالحث المغناطيسي ، وهو ما يعرف بالشحن اللاسلكي أو الشحن الاستقرائي.
إنه يعمل بالطريقة التالية: هناك قاعدة أو محطة شحن بها ملف لولبي أو ملف رئيسي ، يتم من خلاله تمرير تيار متغير. يتم توصيل ملف (ثانوي) آخر بمقبض الفرشاة.
يؤدي التيار في الملف الأساسي بدوره إلى إحداث تيار في ملف المقبض عند وضع الفرشاة في محطة الشحن ، وهذا يهتم بشحن البطارية الموجودة أيضًا في المقبض.
يزداد حجم التيار المستحث عندما يتم وضع لب مادة مغناطيسية حديدية ، والتي قد تكون حديد ، في الملف الرئيسي.
بالنسبة للملف الأساسي لاكتشاف قرب الملف الثانوي ، يصدر النظام إشارة متقطعة. بمجرد تلقي الاستجابة ، يتم تنشيط الآلية الموصوفة ويبدأ التيار في التسبب دون الحاجة إلى الكابلات.
السوائل الحديدية
تطبيق آخر مثير للاهتمام للخصائص المغناطيسية للمادة هو السوائل الممغنطة. تتكون هذه الجسيمات المغناطيسية الصغيرة لمركب الفريت ، معلق في وسط سائل ، يمكن أن يكون عضويًا أو حتى ماء.
يتم تغليف الجسيمات بمادة تمنع تكتلها ، وبالتالي تبقى موزعة في السائل.
الفكرة هي أن قابلية تدفق السائل تتحد مع مغناطيسية جزيئات الفريت ، والتي في حد ذاتها ليست مغناطيسية بقوة ، ولكنها تكتسب مغنطة في وجود مجال خارجي ، كما هو موضح أعلاه.
المغنطة المكتسبة تختفي بمجرد سحب المجال الخارجي.
تم تطوير الموائع الحديدية في الأصل بواسطة ناسا لتعبئة الوقود داخل مركبة فضائية بدون جاذبية ، مما يعطي دفعة بمساعدة مجال مغناطيسي.
حاليًا ، للسوائل الممغنطة العديد من التطبيقات ، بعضها لا يزال في المرحلة التجريبية ، مثل:
- تقليل الاحتكاك على كاتم الصوت للسماعات وسماعات الرأس (تجنب الصدى).
- السماح بفصل المواد بكثافة مختلفة.
- بمثابة أختام على أعمدة الأقراص الصلبة وصد الأوساخ.
- كعلاج للسرطان (في المرحلة التجريبية). يتم حقن الموائع الحديدية في الخلايا السرطانية ويتم تطبيق مجال مغناطيسي ينتج تيارات كهربائية صغيرة. فالحرارة المتولدة عن هذه الهجمات تهاجم الخلايا الخبيثة وتدمرها.
المراجع
- المجلة البرازيلية للفيزياء. الموائع الحديدية: الخصائص والتطبيقات. تم الاسترجاع من: sbfisica.org.br
- فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 6. الكهرومغناطيسية. حرره دوغلاس فيغيروا (USB). 215-221.
- جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. 6 إد برنتيس هول. 560-562.
- كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج. 233.
- شيبمان ، ج. 2009. مقدمة في العلوم الفيزيائية. سينجاج ليرنينج. 206-208.