الخصائص المغناطيسية للمادة هي فئة من الظواهر الفيزيائية التي تتوسطها الحقول. تولد التيارات الكهربائية واللحظات المغناطيسية للجسيمات الأولية حقلاً يعمل على التيارات الأخرى. تحدث التأثيرات الأكثر شيوعًا في المواد المغناطيسية ، والتي تنجذب بقوة بواسطة الحقول المغناطيسية ويمكن أن تصبح ممغنطة بشكل دائم ، مما يؤدي إلى إنشاء الحقول المشحونة نفسها.
فقط عدد قليل من المواد المغناطيسية. لتحديد مستوى تطور هذه الظاهرة في مادة معينة ، هناك تصنيف للمواد وفقًا للخصائص المغناطيسية. الأكثر شيوعًا هي الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها. البادئة ferro- تشير إلى الحديد لأن المغناطيسية الدائمة لوحظت لأول مرة في الحديد الفارغ ، وهو شكل من أشكال خام الحديد الطبيعي يسمى الخصائص المغناطيسية للمادة ، Fe3O4.
المواد البارامغناطيسية
على الرغم منالمغناطيسية الحديدية هي المسؤولة عن معظم تأثيرات المغناطيسية التي نواجهها في الحياة اليومية ، وتتأثر جميع المواد الأخرى بالمجال إلى حد ما ، وكذلك بعض الأنواع الأخرى من المغناطيسية. تنجذب المواد البارامغنطيسية مثل الألمنيوم والأكسجين بشكل ضعيف إلى مجال مغناطيسي مطبق. المواد ذات النفاذية المغناطيسية مثل النحاس والكربون تتنافر بشكل ضعيف.
بينما المواد المضادة للمغناطيسية مثل الكروم والنظارات الدورانية لها علاقة أكثر تعقيدًا بالمجال المغناطيسي. عادة ما تكون قوة المغناطيس على المواد المغناطيسية والمغناطيسية والمضادة للمغناطيسية ضعيفة جدًا بحيث لا يمكن الشعور بها ولا يمكن اكتشافها إلا بواسطة أدوات المختبر ، لذلك لا يتم تضمين هذه المواد في قائمة المواد التي لها خصائص مغناطيسية.
الشروط
تعتمد الحالة المغناطيسية (أو المرحلة) للمادة على درجة الحرارة والمتغيرات الأخرى مثل الضغط والمجال المغناطيسي المطبق. يمكن للمادة أن تظهر أكثر من شكل من أشكال المغناطيسية مع تغير هذه المتغيرات.
التاريخ
تم اكتشاف الخصائص المغناطيسية لمادة ما لأول مرة في العالم القديم عندما لاحظ الناس أن المغناطيسات ، وهي قطع معدنية ممغنطة بشكل طبيعي ، يمكن أن تجذب الحديد. تأتي كلمة "مغناطيس" من المصطلح اليوناني Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos ، "حجر المغنيسيوم ، حجر القدم".
في اليونان القديمة ، عزا أرسطو أول ما يمكن تسميته مناقشة علمية حول الخصائص المغناطيسية للمواد ،الفيلسوف طاليس ميليتس الذي عاش من 625 قبل الميلاد. ه. قبل 545 ق ه. يصف النص الطبي الهندي القديم Sushruta Samhita استخدام أكسيد الحديد الأسود لإزالة الأسهم الموجودة في جسم الإنسان.
الصين القديمة
في الصين القديمة ، تم العثور على أول مرجع أدبي للخصائص الكهربائية والمغناطيسية للمواد في كتاب من القرن الرابع قبل الميلاد سمي على اسم مؤلفه ، حكيم وادي الأشباح. أول ذكر لجذب الإبرة كان في عمل القرن الأول Lunheng (الطلبات المتوازنة): "المغناطيس يجذب الإبرة."
كان العالم الصيني شين كو من القرن الحادي عشر هو أول شخص يصف - في Dream Pool Essay - بوصلة مغناطيسية بإبرة وقد حسنت دقة الملاحة من خلال الأساليب الفلكية. مفهوم الشمال الحقيقي. بحلول القرن الثاني عشر ، كان من المعروف أن الصينيين يستخدمون البوصلة المغناطيسية في الملاحة. لقد صنعوا الملعقة الإرشادية من الحجر بحيث يشير مقبض الملعقة دائمًا إلى الجنوب.
العصور الوسطى
الكسندر نيكام ، بحلول عام 1187 ، كان الأول في أوروبا لوصف البوصلة واستخدامها في الملاحة. قام هذا الباحث لأول مرة في أوروبا بتثبيت خصائص المواد المغناطيسية بدقة. في عام 1269 ، كتب بيتر بيريجرين دي ماريكورت Epistola de Magnete ، أول أطروحة باقية تصف خصائص المغناطيس. في عام 1282 م وصف الفيزيائي والفلكي والجغرافي اليمني خواص البوصلات والمواد ذات الخصائص المغناطيسية الخاصة.
عصر النهضة
في عام 1600 ، نشر ويليام جيلبرت"الجسد المغناطيسي" و "التيلوريوم المغناطيسي" ("على المغناطيس والأجسام المغناطيسية ، وأيضًا على مغناطيس الأرض العظيم"). في هذه الورقة ، يصف العديد من تجاربه مع نموذج الأرض الخاص به ، المسمى terrella ، والذي أجرى معه بحثًا عن خصائص المواد المغناطيسية.
من تجاربه ، توصل إلى استنتاج مفاده أن الأرض نفسها مغناطيسية وهذا هو سبب توجيه البوصلات إلى الشمال (في وقت سابق ، اعتقد البعض أنه نجم القطب (Polaris) أو جزيرة مغناطيسية كبيرة في الشمال القطب الذي يجذب البوصلة).
وقت جديد
ظهر فهم العلاقة بين الكهرباء والمواد ذات الخصائص المغناطيسية الخاصة في عام 1819 في عمل هانز كريستيان أورستد ، الأستاذ في جامعة كوبنهاغن ، الذي اكتشف عن طريق الوخز بإبرة بوصلة بالقرب من سلك كهربائيًا يمكن للتيار أن يخلق مجالًا مغناطيسيًا. تُعرف هذه التجربة التاريخية باسم تجربة Oersted. اتبعت العديد من التجارب الأخرى مع André-Marie Ampère ، الذي اكتشف في عام 1820 أن مجالًا مغناطيسيًا يدور في مسار مغلق مرتبط بتيار يتدفق حول محيط المسار.
شارك كارل فريدريش جاوس في دراسة المغناطيسية. توصل جان بابتيست بيوت وفيليكس سافارت في عام 1820 إلى قانون Biot-Savart ، الذي يعطي المعادلة المطلوبة. مايكل فاراداي ، الذي اكتشف في عام 1831 أن تدفقًا مغناطيسيًا متغيرًا بمرور الوقت عبر حلقة من الأسلاك يسبب جهدًا. ووجد علماء آخرون المزيد من الروابط بين المغناطيسية والكهرباء
القرن العشرين ولديناالوقت
قام جيمس كليرك ماكسويل بتجميع وتوسيع هذا الفهم لمعادلات ماكسويل من خلال توحيد الكهرباء والمغناطيسية والبصريات في مجال الكهرومغناطيسية. في عام 1905 ، استخدم أينشتاين هذه القوانين لتحفيز نظريته عن النسبية الخاصة من خلال اشتراط أن تكون القوانين صحيحة في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي.
استمرت الكهرومغناطيسية في التطور في القرن الحادي والعشرين ، حيث تم دمجها في النظريات الأساسية لنظرية المقياس ، والديناميكا الكهربية الكمومية ، ونظرية الكهروضعيفة ، وأخيراً النموذج القياسي. في الوقت الحاضر ، يدرس العلماء بالفعل الخصائص المغناطيسية للمواد ذات البنية النانوية بالقوة والرئيسية. لكن أعظم وأروع الاكتشافات في هذا المجال ربما لا تزال أمامنا.
جوهر
تعود الخصائص المغناطيسية للمواد بشكل أساسي إلى اللحظات المغناطيسية للإلكترونات المدارية لذراتها. عادة ما تكون اللحظات المغناطيسية للنواة الذرية أصغر بآلاف المرات من تلك الخاصة بالإلكترونات ، وبالتالي فهي مهملة في سياق مغنطة المواد. ومع ذلك ، فإن اللحظات المغناطيسية النووية مهمة جدًا في سياقات أخرى ، لا سيما في الرنين المغناطيسي النووي (NMR) والتصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
عادة ، يتم ترتيب العدد الهائل من الإلكترونات في مادة ما بحيث يتم إبطال اللحظات المغناطيسية (المدارية والداخلية). إلى حد ما ، هذا يرجع إلى حقيقة أن الإلكترونات تتحد في أزواج مع لحظات مغناطيسية جوهرية معاكسة كنتيجة لمبدأ باولي (انظر تكوين الإلكترون) وتتحد في أجزاء فرعية مملوءة بدون حركة مدارية صافية.
بفي كلتا الحالتين ، تستخدم الإلكترونات في الغالب الدوائر التي يتم فيها إلغاء العزم المغناطيسي لكل إلكترون بواسطة اللحظة المعاكسة للإلكترون الآخر. علاوة على ذلك ، حتى عندما يكون تكوين الإلكترون على هذا النحو بحيث توجد إلكترونات غير متزاوجة و / أو أغلفة فرعية غير مملوءة ، فغالبًا ما تساهم الإلكترونات المختلفة في مادة صلبة بلحظات مغناطيسية تشير إلى اتجاهات مختلفة وعشوائية ، بحيث لا تكون المادة موجودة ممغنطة
في بعض الأحيان ، إما تلقائيًا أو بسبب مجال مغناطيسي خارجي مطبق ، فإن كل لحظة مغناطيسية للإلكترونات ستصطف في المتوسط. يمكن للمادة الصحيحة بعد ذلك إنشاء مجال مغناطيسي قوي.
يعتمد السلوك المغناطيسي للمادة على هيكلها ، لا سيما على تكوينها الإلكتروني ، للأسباب المذكورة أعلاه ، وكذلك على درجة الحرارة. في درجات الحرارة العالية ، تجعل الحركة الحرارية العشوائية من الصعب على الإلكترونات المحاذاة.
ديامغناطيسية
تم العثور على نفاذية المغناطيسية في جميع المواد وهي ميل المادة لمقاومة المجال المغناطيسي المطبق وبالتالي صد المجال المغناطيسي. ومع ذلك ، في مادة ذات خصائص بارامغناطيسية (أي تميل إلى تقوية مجال مغناطيسي خارجي) ، يهيمن السلوك البارامغناطيسي. وهكذا ، على الرغم من الحدوث العالمي ، لا يلاحظ السلوك المغنطيسي إلا في مادة مغناطيسية بحتة. لا توجد إلكترونات غير مزاوجة في مادة مغناطيسية ، لذلك لا يمكن للحظات المغناطيسية الجوهرية للإلكترونات أن تخلقأي تأثير حجم.
يرجى ملاحظة أن هذا الوصف يهدف إلى المساعدة على الاكتشاف فقط. توضح نظرية Bohr-Van Leeuwen أن نفاذية المغناطيسية مستحيلة وفقًا للفيزياء الكلاسيكية ، وأن الفهم الصحيح يتطلب وصفًا ميكانيكيًا كميًا.
لاحظ أن جميع المواد تمر بهذه الاستجابة المدارية. ومع ذلك ، في المواد المغناطيسية والفيرومغناطيسية ، يتم قمع التأثير النحاسي بواسطة تأثيرات أقوى بكثير تسببها الإلكترونات غير المزدوجة.
هناك إلكترونات غير متزاوجة في مادة بارامغناطيسية ؛ أي مدارات ذرية أو جزيئية بها إلكترون واحد بالضبط. بينما يتطلب مبدأ استبعاد باولي أن يكون للإلكترونات المقترنة لحظات مغناطيسية خاصة بها ("تدور") تشير في اتجاهين متعاكسين ، مما يؤدي إلى إلغاء الحقول المغناطيسية ، يمكن للإلكترون غير المزدوج محاذاة عزمه المغناطيسي في أي من الاتجاهين. عندما يتم تطبيق حقل خارجي ، فإن هذه اللحظات تميل إلى المحاذاة في نفس اتجاه الحقل المطبق ، مما يقويها.
مغناطيسات حديدية
يحتوي المغناطيس الحديدي ، باعتباره مادة مغنطيسية ، على إلكترونات غير مقترنة. ومع ذلك ، بالإضافة إلى ميل اللحظة المغناطيسية الجوهرية للإلكترونات لتكون موازية للحقل المطبق ، يوجد أيضًا في هذه المواد ميل لهذه اللحظات المغناطيسية لتوجيه نفسها بالتوازي مع بعضها البعض من أجل الحفاظ على حالة الاختزال. طاقة. وبالتالي ، حتى في حالة عدم وجود مجال تطبيقياللحظات المغناطيسية للإلكترونات في المادة تتوازى تلقائيًا مع بعضها البعض.
كل مادة مغنطيسية حديدية لها درجة حرارة فردية خاصة بها ، تسمى درجة حرارة كوري ، أو نقطة كوري ، وفوقها تفقد خصائصها المغناطيسية الحديدية. هذا لأن الميل الحراري للاضطراب يطغى على انخفاض الطاقة بسبب الترتيب المغناطيسي.
تحدث المغناطيسية الحديدية فقط في عدد قليل من المواد ؛ ينتشر الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها وبعض السبائك الأرضية النادرة.
اللحظات المغناطيسية للذرات في مادة مغناطيسية تجعلها تتصرف مثل مغناطيس دائم صغير. تلتصق ببعضها البعض وتتحد في مناطق صغيرة ذات محاذاة موحدة إلى حد ما تسمى المجالات المغناطيسية أو مجالات Weiss. يمكن ملاحظة المجالات المغناطيسية باستخدام مجهر القوة المغناطيسية للكشف عن حدود المجال المغناطيسي التي تشبه الخطوط البيضاء في الرسم التخطيطي. هناك العديد من التجارب العلمية التي يمكنها إظهار المجالات المغناطيسية بشكل مادي.
دور المجالات
عندما يحتوي المجال على عدد كبير جدًا من الجزيئات ، يصبح غير مستقر وينقسم إلى مجالين محاذيين في اتجاهين متعاكسين للالتصاق ببعضهما البعض بشكل أكثر ثباتًا ، كما هو موضح على اليمين.
عند تعرضها لمجال مغناطيسي ، تتحرك حدود المجال بحيث تنمو المجالات المحاذاة مغناطيسيًا وتهيمن على الهيكل (المنطقة الصفراء المنقطة) ، كما هو موضح على اليسار. عند إزالة المجال الممغنط ، قد لا تعود المجالات إلى حالة غير ممغنطة. هذا يؤدي إلىلأن المادة المغناطيسية ممغنطة ، وتشكل مغناطيسًا دائمًا.
عندما كانت المغنطة قوية بدرجة كافية بحيث يتداخل المجال المهيمن مع جميع المجالات الأخرى ، مما يؤدي إلى تكوين مجال منفصل واحد فقط ، كانت المادة مشبعة مغناطيسيًا. عندما يتم تسخين مادة مغناطيسية ممغنطة إلى درجة حرارة نقطة كوري ، تختلط الجزيئات إلى النقطة التي تفقد فيها المجالات المغناطيسية التنظيم وتتوقف الخصائص المغناطيسية التي تسببها. عندما يتم تبريد المادة ، تعود بنية محاذاة المجال هذه تلقائيًا ، بشكل مشابه تقريبًا لكيفية تجميد السائل في مادة صلبة بلورية.
مضادات المغناطيسية
في مغناطيس مضاد ، على عكس المغناطيس الحديدي ، تميل اللحظات المغناطيسية الجوهرية لإلكترونات التكافؤ المجاورة إلى الإشارة في اتجاهين متعاكسين. عندما يتم ترتيب جميع الذرات في مادة بحيث يكون كل جار مضادًا للتوازي ، تكون المادة مغناطيسية مضادة. تحتوي المغناطيسات المضادة على عزم مغناطيسي صافٍ قدره صفر ، مما يعني أنها لا تخلق مجالًا.
المغناطيسات الحديدية أندر من أنواع السلوك الأخرى وغالبًا ما يتم ملاحظتها في درجات حرارة منخفضة. عند درجات حرارة مختلفة ، تُظهر المغناطيسات المغناطيسية خصائص مغناطيسية ومغناطيسية حديدية.
في بعض المواد ، تفضل الإلكترونات المجاورة الإشارة في اتجاهين متعاكسين ، لكن لا يوجد ترتيب هندسي يكون فيه كل زوج من الجيران غير محاذي. انها تسمى تدور الزجاج ومثال على الإحباط الهندسي.
الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية
مثل المغناطيسية الحديدية ، تحتفظ المغناطيسات المغناطيسية بمغناطيستها في حالة عدم وجود مجال. ومع ذلك ، مثل المغناطيسات الحديدية المضادة ، تميل أزواج الإلكترونات المتجاورة إلى الإشارة في اتجاهين متعاكسين. لا تتعارض هاتان الخاصيتان مع بعضهما البعض ، لأنه في الترتيب الهندسي الأمثل ، تكون اللحظة المغناطيسية من شريحة فرعية من الإلكترونات تشير في نفس الاتجاه أكبر من تلك الموجودة في الشبكة الفرعية التي تشير في الاتجاه المعاكس.
معظم حديدي مغناطيسي. تعتبر الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية اليوم لا يمكن إنكارها. أول مادة مغناطيسية تم اكتشافها ، أكسيد الحديد الأسود ، هي مادة حديديّة وكان يُعتقد في الأصل أنها مغناطيس حديدي. ومع ذلك ، دحض لويس نيل ذلك باكتشافه المغناطيسية الحديدية.
عندما يكون المغناطيس الحديدي أو المغناطيس الحديدي صغيرًا بدرجة كافية ، فإنه يعمل بمثابة دوران مغناطيسي فردي يخضع للحركة البراونية. استجابتها للمجال المغناطيسي تشبه نوعياً تلك الخاصة بالمغناطيس ، ولكن أكثر من ذلك بكثير.
مغناطيسات كهربائية
المغناطيس الكهربائي هو مغناطيس يتم فيه إنشاء مجال مغناطيسي بواسطة تيار كهربائي. يختفي المجال المغناطيسي عند إيقاف التيار. تتكون المغناطيسات الكهربائية عادةً من عدد كبير من لفات الأسلاك المتقاربة التي تخلق مجالًا مغناطيسيًا. غالبًا ما يتم لف ملفات الأسلاك حول قلب مغناطيسي مصنوع من مادة مغناطيسية أو مغناطيسية حديدية.مادة مثل الحديد يركز القلب المغناطيسي على التدفق المغناطيسي ويخلق مغناطيسًا أقوى.
الميزة الرئيسية للمغناطيس الكهربائي على المغناطيس الدائم هي أنه يمكن تغيير المجال المغناطيسي بسرعة من خلال التحكم في كمية التيار الكهربائي في الملف. ومع ذلك ، على عكس المغناطيس الدائم ، الذي لا يتطلب طاقة ، يتطلب المغناطيس الكهربائي إمدادًا مستمرًا بالتيار للحفاظ على المجال المغناطيسي.
تستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع كمكونات للأجهزة الكهربائية الأخرى مثل المحركات والمولدات والمرحلات والملفات اللولبية ومكبرات الصوت ومحركات الأقراص الثابتة وآلات التصوير بالرنين المغناطيسي والأدوات العلمية ومعدات الفصل المغناطيسي. تُستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا في الصناعة لإمساك وتحريك الأجسام الحديدية الثقيلة مثل الخردة المعدنية والصلب. تم اكتشاف الكهرومغناطيسية في عام 1820. في نفس الوقت تم نشر التصنيف الأول للمواد حسب الخصائص المغناطيسية.
