مغناطیس سلطان میدانها…

مغناطيس و الكتريسيته تاريخي طولاني و درازي دارند. الكتريسيته و مغناطيس ابتدا در قرن هشتم قبل از ميلاد مورد توجه يونانيان باستان قرار گرفتند. مهمترين عاملي كه موجب جذب و توجه مردم به الكتريسيته ومغناطيس شد، دو ماده طبيعي كهربا و كاني مگنتيت(سنگ مغناطيس) بود. كهربا، شيره برخي از درختاني است كه چوب نرمي دارند؛ هنگامي كه اين شيره از درخت بيرون مي آيد، پس از مدتي سفت مي شود. اين جامد سفت كه رنگي بين قهوه اي و زرد دارد، كهرباست. و اگر كهربا را به پارچه اي بماليم، باردار شده و مي تواند تكه هاي برگ يا كاغذ را جذب كند.

  سنگ مغناطيس، همان اكسيد آهن است؛ كه براده هاي آهن را جذب مي كند. سنگ هاي مغناطيسي مي توانند يكديگر را جذب كنند. و علت اين نامگذاري آنست كه اين سنگ در منطقه اي به نام “مگنزيا” يا  “مغناطيس” براي نخستين بار كشف شد. كه به ماهيت اين سنگ، مغناطيس گفته مي شود. اگر يك تكه از اين سنگ ها را بر روي آب شناور كنيم، جهت آن در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرد. همين خاصيت سنگ مغناطيسي سبب شد كه در قرون گذشته دريانوردان از آن بعنوان جهت ياب استفاده كنند.

دموكريتوس، كه يكي از فلاسفه بزرگ باستان و بنيانگذار تئوري اتمي است، معتقد است كه ميان سنگ مغناطيسي جرياني از ذرات بسيار ريز به نام اتم وجود دارد. و در اين جريان هنگامي كه اتم به آهن يا سنگ مغناطيسي ديگر برخورد مي كند، در برگشت به سوي سنگ مناطيس، سبب مي شود كه آهن را به دنبال خود بكشاند. ويليام گيلبرت يكي از نخستين دانشمنداني است كه در زمينه مغناطيس دست به آزمايش ها و بررسي هاي اساسي كرد. او مشاهده كرد كه براده هاي آهن در اطراف سنگ مغناطيس در راستاي منظمي قرار مي گيرند. و همچنين سنگ مغناطيس در حالت آويزان يا حتي سوزن هاي آهني در حالت شناور در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرند. او چنين پنداشت كه علت اين امر آنست كه زمين يك سنگ مغناطيس بسيار بزرگيست كه اينگونه عمل مي كند. او براي اثبات نظريه خود، يك سنگ مغناطيس را به صورت يك كره بزرگ در آورد و سپس در اطراف و بر روي سطح اين كره، سنگ هاي مغناطيسي كوچك و براده هاي آهني قرار داد و مشاهده كرد كه اين براده ها در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرند.

  قبل از اينكه به بحث در مورد خطوط و ميدان مغناطيسي آهنربا و زمين بپردازيم، لازم است كه به قطب هاي مغناطيسي و خاصيت آن اشاره اي كنيم.

  در آهنربا يا همان سنگ مغناطيسي، دو ناحيه وجود دارد كه نسبت به ساير نقاط ديگر آهنربا، خاصيت جذب براده هاي آهن بيشتر و راستاي اين براده ها به سمت اين نواحي است. كه به اين دو ناحيه، قطب هاي مغناطيسي مي گويند. اگر آهنربا را شناور قرار دهيم، قطبي كه به سمت شمال است را قطب شمال يا شمال ياب، و قطب مقابل آن را قطب جنوب يا جنوب ياب مي گويند. پس هر ماده مغناطيسي از دو قطب شمال وجنوب تشكيل شده است. در مغناطيس مانند الكتريسيته، قطب هاي ناهمنام يكديگر را جذب و قطب هاي همنام يكديگر را دفع مي كنند. پس در خاصيت مغناطيسي، نيروي دفع وجذب نيز وجود دارد. آزمايش ها نشان مي دهد كه اگر در اطراف يك آهنربا، قطب نما يا سنگ هاي مغناطيسي كوچك قرار دهيم، نيروي حاصله از مغناطيس بر قطب هاي آن ها اثر گذاشته، به طوري كه قطب شمال قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا و بلعكس قرار مي گيرد. و اين نشان مي دهد، كه در نقاط اطراف آهنربا، نيرويي وجود دارد كه بر قطب هاي قطب نما وارد مي شود و آن را در راستاي مشخصي قرار مي دهد. كه به مجموعه اي از اين نيروها يا نقاط، ميدان مغناطيسي مي گويند. ميدان مغناطيسي اطراف آهنربا را توسط خطوطي نشان مي دهند كه اين خطوط قطب جنوب(S) را  به قطب شمال(N) وصل مي كند. و جهت اين

خطوط از شمال(N) به جنوب(S) است. خطوط ميدان مغناطيسي ويژگي هايي دارند كه عبارتند از:

1)      خطوط همانطور كه قبلا گفته شد راستاو جهتشان از شمال به جنوب است.

2)      خطوط يكديگر را قطع نمي كنند.

3)      تراكم خطوط در نزديكي قطب ها بيشتر از نواحي ديگر است و اين نشان دهنده آن است كه نيروي مغناطيسي در اين نواحي زياد است.

4)      برآيند نيروهاي مماس بر خطوط ميدان در يك نقطه برابر با نيروي مغناطيسي در آن نقطه است.

  اكنون به سراغ علت تاثير نيروي مغناطيسي بر براده هاي آهن مي رويم. مي دانيم كه الكترون در ساختار تمام اجسام وجود دارد كه الكترون ها  داراي دو قطب مغناطيسي مي باشند. بنابراين مي توان نتيجه گرفت كه تمام اجسام از ذراتي تشكيل شده اند كه داراي دو قطب مغناطيسي هستند كه به اين ذرات، دو قطبي مغناطيسي مي گويند و به موادي كه داراي دوقطبي مغناطيسي هستند، مواد مغناطيسي مي گويند. البته لزومي ندارد كه بگوييم اين دوقطبي ها همان الكترون ها هستند بلكه اين دوقطبي ها ذرات بنيادي مغناطيس هستند همانطور كه از الكترون بعنوان بار بنيادي در الكتريسيته ياد مي كنيم. اين دوقطبي هاي مغناطيسي مانند يك آهنربا عمل مي كنند و در اطراف خود ميدان مغناطيسي توليد مي كنند. آهن نيز داراي اين دوقطبي هاي مغناطيسي است اما در آهن دو قطبي هاي مغناطيسي به گونه اي رفتار مي كنند، كه خاصيت مغناطيسي يكديگر را خنثي مي كنند. و هنگامي كه در يك ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، بر اين دوقطبي ها نيروي مغناطيسي وارد مي شود، به طوري كه قطب شمال تمام اين دوقطبي ها در جهت خطوط ميدان قرار مي گيرند. و آهن ساختار ساختماني منظمي پيدا مي كند و به يك آهنربا تبديل مي شود. كه از آن مي توان بعنوان يك قطب نما استفاده كرد. اگر اين آهنربا را به دوقسمت تقسيم كنيم، اين آهنربا باز هم خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي كند، زيرا دوقطبي هاي مغناطيسي در يك جهت قرار دارند و اين دو قطبي ها عامل ايجاد خاصيت مغناطيسي در آهنربا هستند.

  سوالي كه پيش مي آيد اين است كه آيا فقط آهن تحت تاثير ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد؟ براي پاسخ به اين سوال برمي گرديم به مواد مغناطيسي كه از دو قطبي هاي مغناطيسي تشكيل شده اند در مواد مغناطيسي، حركت و رفتار دوقطبي ها به گونه اي است كه اثر ميدان مغناطيسي يكديگر را خنثي مي كنند. مواد مغناطيسي از نظر رفتار دوقطبي هاي مغناطيسي به سه دسته تقسيم مي كنند:

الف) مواد پارامغناطيس ب) مواد ديامغناطيس  پ) مواد فرومغناطيس

الف) مواد پارامغناطيس: موادي هستند كه حركت و جنبش دوقطبي هايشان راحت و آسان تر است. هنگامي كه اين مواد را در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، بر دوقطبي هاي آن نيرو وارد شده و تعداد زيادي از آن ها در خطوط ميدان به طوري كه قطب هاي شمال در جهت خطوط قرار مي گيرند. و اين امر سبب مي شود كه اين مواد به يك آهنرباي قوي تبديل شود. اما چون حركت وجنبش اين دو قطبي ها سريع است، با برداشتن اين مواد از ميدان مغناطيسي، اين دوقطبي ها به سرعت از مسير خطوط خارج و به حالت كاتوره اي قبلي برمي گردند و اين مواد در خارج از خطوط ميدان به سرعت خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي دهند. مانند آلومينيوم.

ب) مواد ديامغناطيس  : مواد ديامغناطيس موادي هستند كه اگر در ميدان مغناطيسي قرار بگيرند از آهنربا دفع مي شوند. در اين مواد برآيند گشتاور دو قطبي مغناطيسي صفر است و در واقع فاقد دوقطبي ذاتي هستند و هنگامي كه در ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند،  گشتاور دو قطبي در آن ها القا مي شود اما جهت اين دوقطبي هاي القا شده بر خلاف جهت ميدان مغناطيسي خارجي مي باشد و اين امر باعث مي شود كه ماده ديامغناطيس از ميدان مغناطيسي دفع شود. البته اين خاصيت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامي اين خاصيت در مواد ظاهر مي شود كه خاصيت پارامغناطيسي آن ها ضعيف باشد.مانند: بيسموت.

پ) مواد فرومغناطيس : اين مواد مانند مواد پارامغناطيس است اما با اين تفاوت كه در اين مواد مجموعه اي از دوقطبي هاي مغناطيسي در يك جهت و راستا قرار دارند كه اين مجموعه ها در راستا و جهت هاي متفاوتي قرار دارند به طوري كه اثر ميدان يكديگر را خنثي مي كنند. كه به اين مجموعه از دوقطبي هاي مغناطيسي كه در يك استا قرار دارند، حوزه مغناطيسي مي گويند. هنگامي كه اين مواد در ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، بر حوزه هاي مغناطيسي نيرو وارد مي شود و آن ها را در جهت ميدان قرار مي دهند. خاصيت مغناطيسي اين مواد به سرعت تغيير مسير اين حوزه ها و قرار گرفتن در جهت ميدان بستگي دارد. كه از اين لحاظ مواد فرومغناطيس را به دو دسته تقسيم مي كنند:

1)      مواد  فرومغناطيس نرم: در اين مواد سرعت تغيير حوزه ها بسيار آسان و سريع است و به همين خاطر در ميدان مغناطيسي اين حوزه ها به سرعت در جهت خطوط ميدان قرار مي گيرند و خاصيت مغناطيسي بسيار قوي بدست مي آورند. اما همينكه اين مواد را از ميدان دور كنيم، جهت اين حوزه ها به سرعت تغيير و به حالت كاتوره اي قبلي بر مي گردند. مانند آهن

2)      مواد فرومغناطيسي سخت: در اين مواد سرعت تغيير حوزه ها بسيار سخت و كُند است و همين كه در ميدان قرار مي گيرند، اين حوزه ها به كندي در جهت خطوط قرار مي گيرند و خاصيت مغناطيسي آن ها نسبت به  مواد  فرومغناطيس نرم ضعيفتر است؛ اما همين كه از ميدان دور مي شوند بر خلاف مواد  فرومغناطيس نرم خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي كنند.مانند آلياژ هاي نيكل.

  پس مواد پارامغناطيس و فرومغناطيس تحت تاثير ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند و به يك آهنربا تبديل مي شوند.

  در قرن هيجدهم هانس اورستد نشان داد كه در اطراف سيم حامل جريان ميدان مغناطيسي ايجاد مي شود و بعد ها آمپر و مايكل فارادي در اين زمينه دست به فعاليت هاي گسترده اي زدند. آن ها نشان دادند كه در اطراف يك سيم حامل جريان، ميدان مغناطيسي توليد مي شود و حتي موفق شدند كه روابط كمي آن را محاسبه كنند. بنابراين منبع توليد ميدان مغناطيسي عبارتند از:سنگ مغناطيس يا همان آهنرباي طبيعي و جريان الكتريكي. البته بعدها ماكسول نتيجه گرفت كه بر اثر تغيير جريان الكتريكي، ميدان مغناطيسي در فضا منتشر مي شود و همچنين براثر تغيير ميدان مغناطيسي، جريان الكتريكي در فضا توليد مي شود كه نتيجه اين، امواج الكترومغناطيسي است.

  و از طرفي تغيير ميزان عبور ميدان مغناطيسي از يك رسانا، باعث توليد جريان الكتريكي در همان رسانا مي شود. پس منبع توليد ميدان الكتريكي عبارتند از: اختلاف پتانسيل بين دو سر رسانا و تغيير شار(ميزان عبور ميدان) مغناطيسي است.

  پس مي توان اينگونه نتيجه گرفت كه الكتريسيته و مغناطيس باهم در ارتباطند و به جر‌‌أت مي توان گفت كه يكي بدون ديگري معني ندارد. چون وجود يكي باعث پيدايش ديگري مي شود.

    مي دانيم كه ذرات باردار تحت تاثير ميدان الكتريكي يا نيروي كولني قرار مي گيرند. اگر اين ذرات وارد ميدان مغناطيسي شوند تحت تاثير نيروي ديگري كه همان نيروي مغناطيسي است مي شوند. آزمايش ها نشان مي دهند كه ميزان انحراف ذره باردار به بزرگي ميدان، اندازه بار، سرعت و زاويه حركت ذره بستگي دارد. اگر اين ذره در راستاي خطوط ميدان حركت كند، هيچ نيرويي مغناطيسي بر آن وارد نمي شود. نيروي مغناطيسي بر راستاي حركت ذره عمود است و بر سرعت آن تاثيري نمي گذارد و فقط جهت بردار حركت آن را تغيير مي دهد. به همين دليل اگر ذره باردار وارد ميدان مغناطيسي شود حركت مارپيچي يا دايره اي خواهد داشت. اگر ذره به طور عمود بر راستاي خطوط وارد ميدان شود، چون اندازه سرعتش ثابت و نيروي وارده بر آن عمود بر جهت حركت است، شتاب مركز گرا خواهد گرفت و اين امر موجب مي شود كه ذره در ميدان يك مسير دايره اي داشته باشد. البته ذره باردار بر اثر حركتش مقداري از انرژي خود را به صورت امواج الكترومغناطيسي گسيل مي كند و انرژي آن كاهش و سرعتش كم مي شود و به همين خاطر شعاع حركت دايره اي آن در طي مدت زماني، كوچك و كوچكتر مي شود. و اگر به صورت غير عمود بر خطوط ميدان وارد شود، حركت مارپيچي خواهد داشت.

  همين خاصيت ذرات باردار در ميدان مغناطيسي سبب مي شود كه ما را از آسيب هاي ذرات باردار و پرانرژي كيهاني كه به زمين برخورد مي كنند، مصون نگاه دارد.

  در اطراف كره زمين ميدان مغناطيسي وجود دارد و طبق نظريه اي كه گيلبرت پيشنهاد كرد،  زمين يك آهنرباي بزرگي است كه قطب شمالش در قطب جنوب جغرافيايي و قطب جنوب مغناطيسي در قطب شمال جغرافيايي قرار دارد كه ميدان مغناطيسي در اين دو قطب نسبت به ساير نواحي ديگر كره زمين قوي تر مي باشند. ذرات باردار و پر انرژي كيهاني كه به سوي زمين مي آيند گرفتار ميدان مغناطيسي زمين شده و حركت مارپيچي به خود مي گيرند كه به اين منطقه، كمربند “وان آلن” مي گويند.اين ذرات با حركت مارپيچي خود به سمت دو قطب حركت مي كنند. اين ذرات با نزديك شدن به دو قطب بر اثر برخورد به لايه هاي بالايي جو قطب شمال و جنوب، مقدار زيادي از انرژي خود را ازدست مي دهند كه به صورت تابش آزاد و روشنايي را در دو قطب ايجاد مي كنند كه به اين روشنايي، شفق هاي قطبي مي گويند.

  علت ايجاد ميدان مغناطيسي در اطراف زمين و يا آهنربا بودن زمين، سوالي است كه ذهن دانشمندان را در طي چند ده مشغول كرده بود. نظريه اي كه توانست در توضيح علت ميدان مغناطيسي موفق ظاهر شود، را بيان مي كنيم:

در درون زمين فلزاتي نظير آهن و نيكل به صورت مذاب و گداخته وجود دارند كه در حال حركت و جنبش هستند. حركت اين مواد از هسته شروع شده و به نزديكي سطح زمين نزديك شده و دوباره به هسته و مركز زمين بر مي گردند. اين مواد مذاب با حركت رفت وبرگشتي كه دارند باعث پيدايش جريان الكتريكي در درون زمين مي شوند. از همين خاصيت الكتريكي مواد مذاب درون زمين، براي پيش بيني وقوع فوران آتشفشان يا زلزله استفاده مي كنند. جريان الكتريكي كه اين مواد مذاب ايجاد مي كنند، باعث پيداش ميدان مغناطيسي در اطراف زمين مي شود. خطوط ميدان مغناطيسي به اينگونه هستند كه از هسته به قطب جنوب جغرافيايي وصل و سپس از قطب جنوب به قطب شمال و از آنجا دوباره به هسته وصل مي شوند. و به اين گونه اين خطوط در اطراف زمين رسم مي شوند.

  قطب هاي مغناطيسي زمين بر روي قطب هاي جغرافيايي آن منطبق نيستند و امروزه حدود 11 درجه اختلاف دارند.

بررسي ها و مطالعه آثار نشان مي دهند كه ميدان مغنطيسي زمين ثابت نيست و تغيير مي كند. آثاري كه از روي سنگ هاي زمين بدست آمده حاكي از آنست كه ميدان مغناطيسي زمين به مدت حدود 800000 سال وارونه بوده و حدود 100000 سال دچار افت شديدي مي شود. علت اين امر آنست كه مواد مذاب و گداخته حركت رفت و برگشتي كاتوره اي دارند كه سرعتشان حدود 5 سانتي متر در روز است. و جابجايي اين مواد باعث تغيير جريان الكتريكي و درنتيجه ميدان مغناطيسي زمين مي شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار كاتوره اي تغيير ميدان مغناطيسي در آينده دست يابند.