اقرأ في هذا المقال
مقدمة عامة عن المغناطيس
المغناطيس: هو عبارة عن مادة يمكنها ممارسة قوة ملحوظة على مواد أخرى دون الاتصال بها فعليًا، تُعرف هذه القوة باسم القوة المغناطيسية وقد تجذب أو تتنافر، في حين أنّ جميع المواد المعروفة تمارس نوعًا من القوة المغناطيسية، إلّا أنّها صغيرة جدًا في معظم المواد بحيث لا يمكن ملاحظتها بسهولة، مع المواد الأخرى، تكون القوة المغناطيسية أكبر بكثير، ويشار إليها باسم المغناطيس، الأرض نفسها مغناطيس ضخم.
بعض المغناطيسات المعروفة باسم المغناطيس الدائم، تمارس قوة على الأشياء دون أي تأثير خارجي، خام الحديد المغنتيت، المعروف أيضًا باسم حجر المغناطيس، هو مغناطيس دائم طبيعي، يمكن صنع مغناطيسات دائمة أخرى عن طريق تعريض مواد معينة لقوة مغناطيسية، عند إزالة القوة، تحتفظ هذه المواد بخصائصها المغناطيسية.
على الرغم من أنّ الخصائص المغناطيسية قد تتغير بمرور الوقت أو في درجات حرارة مرتفعة، إلّا أنّ هذه المواد تعتبر بشكل عام ممغنطة بشكل دائم، ومن هنا جاء الاسم، تُعرف المغناطيسات الأخرى بالمغناطيسات الكهربائية، يتم تصنيعها عن طريق إحاطة بعض المواد بملف من الأسلاك، عندما يمر تيار كهربائي عبر الملف، فإنّ هذه المواد تمارس قوة مغناطيسية، وعندما يتم إيقاف التيار، تنخفض القوة المغناطيسية لهذه المواد إلى الصفر تقريبًا.
تحتفظ مواد المغناطيس الكهربي بالقليل إن وجدت من الخصائص المغناطيسية دون تدفق التيار الكهربائي في الملف. جميع المغناطيسات لها نقطتان حيث تكون القوة المغناطيسية أكبر، هاتان النقطتان تعرفان بالقطبين، بالنسبة لقضيب مغناطيسي مستطيل أو أسطواني، ستكون هذه الأقطاب على طرفي نقيض.
يُطلق على أحد الأقطاب اسم القطب الشمالي، ويسمّى القطب الآخر بالقطب الجنوبي، يعكس هذا المصطلح أحد أقدم استخدامات المواد المغناطيسية مثل حجر المغناطيس، عندما يتم تعليقه من خيط، فإنّ القطب الشمالي لهذه البوصلات الخام الأولى “يسعى دائمًا” أو يشير إلى الشمال، ساعد هذا البحارة في الحكم على الاتجاه للتوجيه للوصول إلى الأراضي البعيدة والعودة إلى ديارهم.
في تقنيتنا الحالية، تشمل تطبيقات المغناطيس البوصلات والمحركات الكهربائية وأفران الميكروويف وآلات البيع وعدادات الضوء للتصوير وأبواق السيارات وأجهزة التلفزيون ومكبرات الصوت ومسجلات الأشرطة، يستخدم كل من حامل الملاحظات البسيط للثلاجة وجهاز التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي المعقد المغناطيس.
قصة اكتشاف المغناطيس
تمت دراسة حجر المغناطيس الطبيعي الموجود بشكل طبيعي واستخدامه من قبل الإغريق منذ عام 500 قبل الميلاد، قد تكون حضارات أخرى قد عرفته قبل ذلك، إنّ كلمة المغناطيس مشتقة من الاسم اليوناني (magnetis lithos) حجر (Magnesia)، في إشارة إلى المنطقة الواقعة على ساحل بحر إيجة في تركيا الحالية حيث تم العثور على هذه الأحجار المغناطيسية.
يُعتقد عمومًا أنّ أول استخدام لحجر المغنطيس كبوصلة قد حدث في أوروبا في حوالي 1100 إلى 1200 م، يأتي المصطلح من الكلمة الأنجلوسكسونية التي تعني “الحجر الرئيسي”، أو حرفياً “الحجر الذي يقود”، الكلمة الأيسلندية هي ليدر شتاين، وقد استخدمت في كتابات تلك الفترة للإشارة إلى ملاحة السفن.
في عام 1600، أكد العالم الإنجليزي ويليام جيلبرت الملاحظات السابقة المتعلقة بالأقطاب المغناطيسية وخلص إلى أنّ الأرض كانت مغناطيسًا، في عام 1820، اكتشف العالم الهولندي هانز كريستيان أورستد العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، وقام الفيزيائي الفرنسي أندريه أمبير بتوسيع هذا الاكتشاف في عام 1821.
في أوائل القرن العشرين، بدأ العلماء بدراسة مواد مغناطيسية غير تلك التي تعتمد على الحديد والصلب، بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي، أنتج الباحثون أول مغناطيس قوي دائم من سبيكة ألنيكو، تم بنجاح صياغة مغناطيسات خزفية أكثر قوة باستخدام عناصر أرضية نادرة في السبعينيات مع مزيد من التقدم في هذا المجال في الثمانينيات.
تطور المغناطيس
اليوم، يمكن تصنيع المواد المغناطيسية لتلبية العديد من متطلبات الأداء المختلفة اعتمادًا على التطبيق النهائي، وهي مواد أولية، عند صنع المغناطيس، غالبًا ما تكون المواد الخام أكثر أهمية من عملية التصنيع، تختلف المواد المستخدمة في المغناطيس الدائم (المعروفة أحيانًا بالمواد الصلبة، والتي تعكس الاستخدام المبكر لسبائك الفولاذ لهذه المغناطيسات)، عن المواد المستخدمة في المغناطيسات الكهربائية (تُعرف أحيانًا بالمواد اللينة، مما يعكس استخدام الحديد اللين القابل للطرق في هذا التطبيق).
أمّا مواد المغناطيس الدائم تحتوي أحجار المغناطيس الدائمة على المغنتيت، وهو معدن بلوري صلب من حديد الفريت الذي يستمد جاذبيته من تأثير المجال المغناطيسي للأرض عليه، يمكن أيضًا أن تكون سبائك الصلب المختلفة ممغنطة.
جاءت الخطوة الأولى الكبيرة في تطوير مواد مغناطيسية دائمة أكثر فاعلية في ثلاثينيات القرن الماضي مع تطوير مغناطيس ألنيكو، تأخذ هذه المغناطيسات اسمها من الرموز الكيميائية لعناصر الألومنيوم والنيكل والكوبالت المستخدمة في صنع السبيكة، بمجرد تمغنط مغناطيس النيكو، يكون لديه ما بين 5 و17 ضعف القوة المغناطيسية للمغنتيت.
تُصنع المغناطيسات الخزفية الدائمة من مسحوق الباريوم الحديدي أو الفريت السترونشيوم المتكون تحت الحرارة والضغط، ويتم تعزيز قوتها المغناطيسية من خلال محاذاة جزيئات المسحوق مع مجال مغناطيسي قوي أثناء التشكيل، يمكن مقارنة مغناطيس السيراميك بمغناطيس النيكو من حيث القوة المغناطيسية وتتمتع بميزة القدرة على الضغط في أشكال مختلفة دون معالجة كبيرة.
المغناطيس الدائم المرن مصنوع من مسحوق الباريوم الفريت أو الفريت السترونتيوم الممزوج بمادة ملزمة مثل المطاط أو البلاستيك المرن مثل البولي فينيل كلوريد، في السبعينيات، طوّر الباحثون مغناطيسًا دائمًا مصنوعًا من مسحوق الكوبالت السماريوم المصهور تحت الحرارة، تستفيد هذه المغناطيسات من حقيقة أنّ ترتيب مجموعات الذرات، التي تسّمى المجالات المغناطيسية، في البلورات السداسية لهذه المادة تميل إلى المحاذاة المغناطيسية، بسبب هذه المحاذاة الطبيعية، يمكن صنع مغناطيس السماريوم والكوبالت لإنتاج قوى مغناطيسية أقوى 50 مرة من المغنتيت، تستخدم سماعات الرأس الخاصة بأنظمة الاستريو الشخصية الصغيرة مغناطيس السماريوم والكوبالت الدائم.
تتميز مغناطيسات السماريوم والكوبالت أيضًا بقدرتها على العمل في درجات حرارة أعلى من المغناطيسات الدائمة الأخرى دون أن تفقد قوتها المغناطيسية، تم صنع مغناطيس دائم مماثل في الثمانينيات باستخدام مسحوق بورون الحديد النيوديميوم الذي ينتج قوى مغناطيسية أقوى بنحو 75 مرة من المغنتيت، هذه هي أقوى مغناطيس دائم متاح تجاريًا اليوم.
أمّا بالنسبة لمواد المغناطيس الكهربائي، يشيع استخدام الحديد النقي وسبائك الحديد في المغناطيسات الكهربائية، حيثُ يستخدم حديد السيليكون وسبائك الحديد والكوبالت المعالجة بشكل خاص في محولات الطاقة منخفضة التردد، غالبًا ما يستخدم أكسيد الحديد الخاص، المسمّى بأكسيد حديد جاما، في تصنيع الأشرطة المغناطيسية لتسجيل الصوت والبيانات.
تشمل المواد الأخرى لهذا التطبيق أكاسيد الحديد المعدلة بالكوبالت وثاني أكسيد الكروم، المواد مطحونة ناعماً ومغلفة بغشاء بلاستيكي بوليستر رقيق، مواد مغناطيسية أخرى يمكن صنع الموائع المغناطيسية عن طريق تغليف جزيئات مسحوق الباريوم الفريت في طبقة واحدة من جزيئات بلاستيك بوليمر طويل السلسلة، ثم يتم تعليق الجسيمات في سائل مثل الماء أو الزيت، بسبب التغليف البلاستيكي، تنزلق الجزيئات المغناطيسية فوق بعضها البعض تقريبًا بدون احتكاك الجسيمات صغيرة جدًا لدرجة أنّ التحريض الحراري العادي في السائل يمنع الجزيئات من الاستقرار، تستخدم السوائل المغناطيسية في العديد من التطبيقات كمواد مانعة للتسرب أو مواد تشحيم أو مواد تخميد الاهتزاز.
أهمية المغناطيس في المجالات المختلفة
تُعد المغناطيسات ضرورية لتوليد الطاقة الكهربائية وتستخدم في المحركات والمولدات والأجهزة الكهروميكانيكية الموفرة للعمالة وتخزين المعلومات والتسجيل والعديد من التطبيقات المتخصصة، على سبيل المثال، أختام أبواب الثلاجة، تُطبق المجالات المغناطيسية التي ينتجها المغناطيس قوة عن بعد على مغناطيسات أخرى، وجسيمات مشحونة، وتيارات كهربائية، ومواد مغناطيسية.
يمكن تصنيف المغناطيس على أنّه إمّا دائم أو أولي، تتكون المغناطيسات الدائمة من ما يسّمى بالمواد المغناطيسية الصلبة، والتي تحافظ على محاذاة المغنطة في وجود المجالات المحيطة، تستخدم المغناطيسات المثارة تيارات تنشيطية يمكن التحكم فيها لتوليد مجالات مغناطيسية إما في المغناطيسات الكهربائية أو المغناطيسات الهوائية.
تستخدم البوصلة مغناطيسًا لتوجيه إبرتها إلى القطب الشمالي، هذا هو السبب في أنّ المغناطيس له قطب شمالي وجنوبي، أمّا القطارات التي تُرفع مغناطيسيًا، والمعروفة باسم قطارات ماج ليف، تستخدم المغناطيسات الموجودة أسفل السيارات لتطفو فوق المسارات المغناطيسية لأنّ المغناطيسات تتنافر، تستخدم هذه الأنواع من القطارات مغناطيسات فائقة التوصيل ويمكنها السفر لمسافة تصل إلى 300 ميل في الساعة.
تُستخدم قطارات ماج ليف في بلدان مثل اليابان، أيضاً يتم فصل العملات المعدنية وفرزها داخل آلات البيع بالمغناطيس، هذه المغناطيسات تفرز الأقراص المعدنية أو الرخويات من النقود المعدنية الحقيقية، النقود الورقية والشيكات بها غبار مغناطيسي في حبرها، تقوم آلات البيع وعداد العملات بفحص الأموال بحثًا عن جاذبيتها للتأكد من أنّ الأموال حقيقية.
يتم استخدام المغناطيس في العلوم الطبية، حيثُ يستخدم علاج المغناطيس حتى يتم بالتحكم بالشعور بالألم دون أن يتم الحاجة إلى استخدام أي من الأدوية؛ يمكن للمغناطيس أن يعمل على تحفيز الأعصاب، وأن يقوم بزيادة نشاط الدورة الدموية، والذي بدوره يعمل على حمل الأكسجين إلى الأنسجة، استخدم المغناطيس أيضاً لعلاج الآلام بالإضافة للجروح عند الرياضيين، كما يتم استخدامه عند الأطباء ليتم علاج التهابات المفصل، يُستخدَم ما يسمّى بالفراش المغناطيسي لإيصال الجسم إلى حالة من الاسترخاء، وتم استخدام المغناطيس في غرف الطوارئ، ويمكن أن يُستخدَم المغناطيس لعلاج الاكتئاب أيضاً.
