المغناطيس - Magnet

ما هو المغناطيس؟

المغناطيس: هو أي مادة قادرة على جذب الحديد وإنتاج مجال مغناطيسي خارج نفسها، بحلول نهاية القرن التاسع عشر، تم اختبار جميع العناصر المعروفة والعديد من المركبات من أجل المغناطيسية، ووجد أنّ جميعها لها بعض الخصائص المغناطيسية.

كانت الخاصية الأكثر شيوعاً هي خاصية النفاذية المغناطيسية (diamagnetism)، وهو الاسم الذي يطلق على المواد التي تظهر تنافراً ضعيفاً بواسطة قطبي المغناطيس، أظهرت بعض المواد، مثل الكروم، وجود بارامغناطيسية (Para magnetism) قادرة على إحداث مغنطة ضعيفة عند الإقتراب من مغناطيس، تختفي هذه المغنطة عند إزالة المغناطيس، أظهرت ثلاثة عناصر فقط وهي الحديد اولنيكل والكوبالت، خاصية المغناطيسية الحديدية (أي القدرة على البقاء ممغنطاً بشكل دائم).

كيف يعمل المغناطيس؟

الكميات المستخدمة الآن في وصف عمل المغناطيس تم تحديدها وتسميتها بواسطة “William Thomson Lord Kelvin “، يشير الرمز (B) إلى حجم كثافة التدفق المغناطيسي داخل جسم ممغنط، والرمز (H) يشير إلى حجم القوة الممغنطة، أو المجال المغناطيسي الذي ينتجها، يتم تمثيل الاثنين بالمعادلة:

B = μH

حيث يرمز الحرف اليوناني (mu ،μ) إلى نفاذية المادة وهو مقياس لشدة المغنطة التي يمكن إنتاجها بواسطة مجال مغناطيسي معين، الوحدات الحديثة في نظام المعايير الدولية (SI) لـ (B) هي (teslas T) أو (webers) لكل متر مربع (Wb / m²) ووحدة (H) هي أمبير لكل متر (A / m). كانت تسمى الوحدات سابقاً على التوالي، (gauss وoersted)، ووحدة (μ) هي هنري لكل متر.

ظاهرة التباطؤ:

تُظهر جميع المواد المغناطيسية “ظاهرة التباطؤ”، وهي التأخر في الإستجابة للقوى المتغيرة بناءً على فقد الطاقة الناتج عن الإحتكاك الداخلي، إذا تم قياس (B) لقيم مختلفة لـ (H) وتم رسم النتائج على شكل رسم بياني، فإنّ النتيجة هي حلقة، تسمى “الحلقة التخلفية”. يصف الاسم الوضع حيث يختلف فيه المسار الذي تتبعه قيم (B) بينما يتزايد (H) عن المسار المتبع عندما يتناقص (H)، بمساعدة هذا الرسم البياني، يمكننا تحديد الخصائص اللازمة لوصف أداء المادة التي سيتم استخدامها كمغناطيس، (B_S) هي كثافة تدفق التشبع وهي مقياس لمدى قوة المادة التي يمكن مغنطتها، (B_r) هي كثافة التدفق المتبقية وهي المغنطة الدائمة المتبقية بعد إزالة الحقل الممغنط، من الواضح أنّ هذا الأخير هو مقياس الجودة للمغناطيس الدائم. يقاس عادةً بوحدة ويبرز (webers) لكل متر مربع.

من أجل إزالة مغنطة العينة من حالتها المتبقية، من الضروري تطبيق مجال مغناطيسي معكوس، لمعارضة المغنطة في العينة، حجم المجال الضروري لتقليل المغناطيسية إلى الصفر هو (H_c)، وهي القوة القسرية، وتقاس بالأمبير لكل متر، لكي يحتفظ المغناطيس الدائم بمغناطيسيته دون خسارة على مدى فترة طويلة من الزمن، يجب أن تكون (H_c) كبيرة قدر الإمكان، يمكن العثور على مزيج (B_r) الكبير و(H_c) الكبيرة بشكل عام في مادة ذات كثافة تدفق تشبع كبيرة تتطلب مجالاً كبيراً لجذبها، وبالتالي، غالباً ما تتميز مواد المغناطيس الدائم باقتباس القيمة القصوى ل (B) و(H) و(BH)_max))، والتي يمكن للمادة تحقيقها. هذا المنتج (BH)_max)) هو مقياس للحجم الأدنى من مادة المغناطيس الدائم المطلوبة لإنتاج كثافة التدفق المطلوبة في فجوة معينة ويشار إليه أحياناً بإسم “منتج الطاقة”.

المجال المغناطيسي:

اقترح في عام 1907م أنّ المادة المغناطيسية تتكون من عدد كبير من الأحجام الصغيرة تسمى المجالات، كل منها ممغنط حتى التشبع، في عام 1931م تم إثبات وجود مثل هذه المجالات لأول مرة من خلال التجربة المباشرة، يظهر الجسم المغناطيسي الحديدي غير ممغنط عندما يتم توزيع اتجاهات المجال الفردي بشكل عشوائي، يتم فصل كل مجال عن جيرانه بواسطة جدار المجال (domain wall)، في منطقة الجدار، يتحول إتجاه المغنطة من مجال واحد إلى اتجاه جاره.

مراحل عملية المغنطة:

تتكون عملية المغنطة، التي تبدأ من حالة مثالية غير ممغنطة، من ثلاثة مراحل وهي:

1. المجال المغناطيسي المنخفض:

تحدث حركات عكسية لجدران المجال بحيث تنمو المجالات الموجهة في الإتجاه العام لحقل المغنطة على حساب تلك الموجهة بشكل غير موات، تعود الجدران إلى موقعها الأصلي عند إزالة المجال الممغنط، ولا يوجد في هذه المرحلة مغنطة متبقية.

2. المجال المغناطيسي المتوسط:

تحدث حركات أكبر لجدران المجال، وكثير منها لا رجوع فيه، ويزداد حجم المجالات الموجهة بشكل إيجابي بشكل كبير، عند إزالة الحقل، لا تعود جميع الجدران إلى مواقعها الأصلية، ويكون هناك مغنطة متبقية.

3. المجال المغناطيسي العالي:

تحدث حركات كبيرة لجدران المجال بحيث يتم إخراج الكثير من العينة تماماً، تدور اتجاهات المغنطة في المجالات المتبقية تدريجياً مع زيادة المجال، حتى تصبح المغنطة في كل مكان موازية للحقل وتمغنط المادة إلى التشبع. عند إزالة المجال، تظهر جدران المجال مرة أخرى وقد تدور مغناطيسات المجال بعيداً عن اتجاه المجال الأصلي، المغنطة المتبقية لها تكون في أقصى قيمة لها.

العيوب التي تحدث خلال عملية المغنطة:

تعتمد قيم (B_r) و(H_c) و(BH)_max)) على السهولة التي يمكن أن تتحرك بها جدران المجال عبر المادة ويمكن أن تدور مغنطة المجال. تشكل حالات الانقطاع أو العيوب في المادة عقبات أمام حركة جدار المجال، وبالتالي، بمجرد أن يدفع مجال المغنطة الجدار إلى ما بعد الجدار، فلن يتمكن الجدار من العودة إلى موضعه الأصلي ما لم يتم تطبيق حقل معكوس لإعادته مرة أخرى.

وبالتالي، فإنّ تأثير هذه العقبات هو زيادتها لدينا. على العكس من ذلك، في مادة نقية ومتجانسة، حيث يوجد عدد قليل من العيوب و العقبات، سيكون من السهل جذب المادة إلى التشبع بحقول منخفضة نسبياً، وستكون المغنطة المتبقية صغيرة.

إزالة المغناطيسية والتباين المغناطيسي:

بقدر ما يتعلق الأمر بتناوب المجال، هناك عاملان مهمان يجب أخذهما بعين الاعتبار، إزالة المغناطيسية والتباين المغناطيسي (وهو عرض الخصائص المغناطيسية المختلفة عند قياسها على طول المحاور في إتجاهات مختلفة). أولها يتعلق بشكل العينة الممغنطة. يولد أي مغناطيس مجالاً مغناطيسياً في الفضاء المحيط به، اتجاه خطوط القوة في هذا المجال المحدد باتجاه القوة التي يبذلها المجال على قطب مغناطيسي مفرد (إفتراضي)، هو عكس اتجاه المجال المستخدم لمغنطته في الأصل. وبالتالي، يوجد كل مغناطيس في مجال يتم إنشاؤه ذاتياً وله اتجاه يميل إلى إزالة مغناطيسية العينة.

هذه الظاهرة موصوفة بعامل إزالة المغناطيسية، إذا كان من الممكن حصر خطوط القوة المغناطيسية في المغناطيس وعدم السماح لها بالهروب إلى الوسط المحيط، فسيكون تأثير إزالة المغناطيسية غير موجود. وبالتالي، فإنّ مغناطيساً حلقياً (على شكل حلقة)، ممغنط حول محيطه بحيث تكون جميع خطوط القوة عبارة عن حلقات مغلقة داخل المادة، لن يحاول إزالة مغناطيسية نفسه، بالنسبة لمغناطيس القضبان، يمكن التقليل من إزالة المغناطيسية عن طريق إبقائها في أزواج، بحيث يتم وضعها بالتوازي مع القطبين الشمالي والجنوبي المتجاورين مع حافظة حديدية ناعمة موضوعة على كل طرف.