ظاهرة المغناطيسية الحديدية - Ferromagnetism

ما هي ظاهرة المغناطيسية الحديدية؟

المغناطيسية الحديدية: هي ظاهرة فيزيائية تجذب فيها بعض المواد غير المشحونة كهربائياً بمواد أخرى بقوة. توجد مادتان موجودتان في الطبيعة، هما حجر المغناطيس أو أكسيد الحديد (Fe₃O₄) والحديد، لهما القدرة على اكتساب مثل هذه القوى الجاذبة، وغالباً ما يطلق عليهما اسم “المغناطيس الحديدي الطبيعي”.

تم اكتشافها منذ أكثر من (2000) عام، وأجريت جميع الدراسات العلمية المبكرة للمغناطيسية على هذه المواد. اليوم، تُستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في مجموعة متنوعة من الأجهزة الضرورية للحياة اليومية، مثل المحركات والمولدات الكهربائية والمحولات والهواتف ومكبرات الصوت.

شرح المغناطيسية الحديدية:

المغناطيسية الحديدية هي نوع من المغناطيسية المرتبطة بالحديد والكوبالت والنيكل وبعض السبائك أو المركبات التي تحتوي على واحد أو أكثر من هذه العناصر. كما أنّه يوجد في الجادولينيوم وبعض العناصر الأرضية النادرة الأخرى.

على عكس المواد الأخرى، فإنّ المواد المغناطيسية الحديدية تكون ممغنطة بسهولة، وفي المجالات المغناطيسية القوية تقترب المغنطة من حد معين يسمى “التشبع“. عندما يتم تطبيق حقل ثمّ إزالته، فإنّ المغنطة لا تعود إلى قيمتها الأصلية، يشار إلى هذه الظاهرة باسم “التباطؤ“.

عند تسخينها إلى درجة حرارة معينة تسمى نقطة كوري، والتي تختلف لكل مادة، تفقد المواد المغناطيسية خصائصها المميزة وتتوقف عن أن تكون مغناطيسية. ومع ذلك، فإنّها تصبح مغناطيسية مرة أخرى عند التبريد.

تحدث المغناطيسية في المواد المغناطيسية بسبب أنماط المحاذاة للذرات المكونة لها، والتي تعمل كمغناطيسات كهربائية أوليّة. يتم تفسير المغناطيسية الحديدية من خلال مفهوم أنّ بعض أنواع الذرات تمتلك عزماً مغناطيسياً، أي أنّ مثل هذه الذرة نفسها عبارة عن مغناطيس كهربائي أولي ناتج عن حركة الإلكترونات حول نواتها ومن خلال دوران إلكتروناتها على محاورها.

تحت نقطة كوري، الذرات التي تتصرف كمغناطيسات صغيرة في المواد المغناطيسية تصطف نفسها تلقائياً. تصبح موجهة في نفس الاتجاه، بحيث تعزز مجالاتها المغناطيسية بعضها البعض.

ما هي أسباب حدوث المغناطيسية الحديدية؟

في مادة مغناطيسية حديدية في الحالة غير الممغنطة، تتم محاذاة ثنائيات الأقطاب الذرية في مناطق صغيرة تسمى المجالات في نفس الاتجاه. تظهر المجالات لحظة مغناطيسية صافية حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي.

ومع ذلك، فإنّ اللحظات المغناطيسية للنطاقات المجاورة موجهة في اتجاهين متعاكسين يلغيان، وبالتالي فإنّ صافي العزم المغناطيسي للمادة يساوي صفراً. عند تطبيق المجال المغناطيسي الخارجي، تصطف هذه المجالات جميعها في اتجاه المجال المطبق. بهذه الطريقة، تكون المادة ممغنطة بقوة في اتجاه موازٍ لمجال المغنطة.

المواد المغناطيسية – Ferromagnetic Materials:

المواد المغناطيسية الحديدية هي المواد التي يحدث لها مغنطة تلقائية على المستوى الذري، حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي يؤثر عليها. عندما نضعها في مجال مغناطيسي خارجي، فإنّ المواد المغناطيسية الحديدية تصبح ممغنطة بقوة في اتجاه هذا المجال المغناطيسي المؤثر عليها.

المواد المغناطيسية تنجذب بقوة إلى المغناطيس. ستحتفظ  المواد المغناطيسية الحديدية أو الفيرومغناطيسية بمغناطيستها لبعض الزمن حتى بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي عنها. هذه الحالة تسمى “التباطؤ المغناطيسي”.

أمثلة على المواد المغناطيسية:

معظم المواد المغناطيسية هي معادن. الأمثلة الشائعة للمواد المغناطيسية هي الحديد، الكوبالت، النيكل. بالإضافة إلى ذلك، تُصنف السبائك المعدنية ومغناطيسات الأرض النادرة أيضاً على أنّها مواد مغناطيسية حديدية.

المغنتيت (Magnetite)، عبارة عن مادة مغنطيسية حديدية تتكون من أكسدة الحديد إلى أكسيد. لديها درجة حرارة كوري تبلغ (580) درجة مئوية. في وقت سابق، تمّ التعرف عليه على أنّه مادة مغناطيسية. المغنتيت لديه أعظم مغناطيسية بين جميع المعادن الطبيعية على الأرض.

خصائص المواد المغناطيسية:

• تحتوي ذرات المواد المغناطيسية على عزم ثنائي القطب دائم موجود في المجالات.

• يتم توجيه ثنائيات الأقطاب الذرية في المواد المغناطيسية في نفس اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي.

• إنّ العزم المغناطيسي ثنائي القطب كبير وهو في اتجاه المجال المغناطيسي.

• شدة المغنطة (M) كبيرة جداً وموجبة وتتنوع خطياً مع مجال المغنطة (H). ومن ثمّ فإنّ التشبع يعتمد على طبيعة المادة.

• القابلية المغناطيسية كبيرة جداً وموجبة. القابلية المغناطيسية (X_m = M / H)، حيث (M) هي شدة المغنطة و(H) هي قوة المجال المغناطيسي المطبق.

• ستكون كثافة التدفق المغناطيسي للمادة كبيرة جداً وموجبة. تصبح خطوط المجال المغناطيسي كثيفة للغاية داخل المواد المغناطيسية. كثافة التدفق المغناطيسي (B = 0 (H + M))، حيث (0) هي السماحية المغناطيسية للفضاء الحر، (H) هي قوة المجال المغناطيسي المطبق و(M) هي كثافة المغنطة.

• النفاذية النسبية هي أيضاً كبيرة جداً وتتنوع خطياً مع مجال المغنطة، ويكون الحقل داخل المادة أقوى بكثير من المجال الممغنط. إنّهم يميلون إلى سحب عدد كبير من خطوط القوة بواسطة المادة. النفاذية النسبية للمادة (r = 1 + m).

• ينجذب المجال بشدة للمواد المغناطيسية الحديدية. لذلك في الحقل غير المنتظم، يميلون إلى التمسك بالقطبين حيث يكون المجال أقوى.

• إذا تمّ وضع مسحوق مغناطيسي حديدي في زجاج ساعة موضوع على قطبين متباعدين بشكل كافٍ فإنّ المسحوق يتراكم على الجانبين ويظهر انخفاضاً في المنتصف لأنّ الحقل أقوى عند القطبين.

• عندما يتم إسالة مادة مغناطيسية حديدية، فإنّها تفقد الخصائص المغناطيسية الحديدية بسبب ارتفاع درجة الحرارة.

التخلفية – Hysteresis:

عند إزالة المجال المغناطيسي الخارجي، لا يتم إزالة المغناطيسية بشكل كامل من المادة المغناطيسية. لإعادة المادة إلى الصفر ممغنطة، يجب تطبيق مجال مغناطيسي في الاتجاه المعاكس. تسمى خاصية المواد المغناطيسية التي تحتفظ بالمغنطة بعد إزالة المجال الخارجي “بالتباطؤ”.

مغنطة المادة المقاسة من حيث كثافة التدفق المغناطيسي (B) عند رسمها مقابل شدة المجال المغناطيسي الخارجي المطبق (H) سوف تتبع حلقة. وهذا ما يسمى “بالحلقة التخلفية”. القدرة على البقاء هي كثافة التدفق المغناطيسي التي تبقى عند تقليل قوة المغنطة إلى الصفر. الإكراه (Coercivity) هو مجال المغناطيس العكسي للقوة الذي يجب تطبيقه لإزالة مغناطيسية المادة تماماً.

درجة حرارة كوري – Curie Temperature:

تعتمد الخاصية المغناطيسية الحديدية على درجة الحرارة. عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية، تصبح المواد المغناطيسية الحديدية شبه مغناطيسية. تسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا التحول بدرجة حرارة كوري (Curie Temperature). يتم الإشارة إليه بواسطة الرمز (T_C).

درجة حرارة كوري هي أيضاً خاصية جوهرية وهي معلمة تشخيصية يمكن استخدامها لتحديد المعادن. ومع ذلك، فهي ليست مضمونة لأنّ المعادن المغناطيسية المختلفة، من حيث المبدأ، يمكن أن يكون لها نفس درجة حرارة كوري.

استخدامات المواد المغناطيسية:

هناك تطبيقات واسعة للمواد المغناطيسية في الصناعة. تستخدم على نطاق واسع في الأجهزة مثل المحرك الكهربائي والمولدات والمحولات والهاتف ومكبرات الصوت والشريط المغناطيسي في الجزء الخلفي من بطاقات الائتمان.