المواد المغناطيسية

 أن المغناطيسات تجذب الحديد ، بينما لا تجذب معظم المواد الأخرى. وقد وجد أن هناك عدداً قليلاً من المواد الفيرومغناطيسية ( كالحديد والنيكل  والكوبالت والجادولينيوم والديسبروزيوم وسبائكها ) هي التي تتأثر بالغاً بالمجال المغناطيسي الثابت.

إن بعض الذرات تشبه في سلوكها قضبان مغناطيسية صغيرة جداً والسبب في ذلك يمكن فهمه بالرجوع إلى نموذج الذرة الذي يستعمل دائماً والمبين في الشكل 1)) الذي يصور الإلكترونات على أنها تدور حول النواة في مدارات. وحيث أن الإلكترون في مداره يماثل حلقة تيار دائرية ، فإن كل إلكترون في الشكل (1) ولد مجالاً مغناطيسياً شبيهاً بمجال عروة.

الشكل 1))

وهناك ايضاً ظاهرة ثانية تجعل الذرات تسلك مسلك المغناطيسات. ان الجسيمات الصغيرة كالإلكترونات والبروتونات تتصرف كما لو كانت تدور حول نفسها (مغزلياً) ، ولذا يقال أن لهذه الجسيمات لف مغزلي (أو درور) وأي شحنة تلف حول نفسها ، فهي في الواقع تعمل كعروة تيار وتخلق بذلك مجالاً مغناطيسياً.

والتأثيرات المغناطيسية للإلكترونات يلغى بعضاً في كثير من الذرات. اما في ذرات أخرى فغن الإلغاء يكون كاملاً تقريباً ، ولكن ليس تماماً. اما في ذرات العناصر الانتقالية فحسب وهي العناصر الفيرومغناطيسية المذكورة ، منذ قليل ، فإن إسهامات ما يكفى من الإلكترونات تضاف إلى بعضها البعض لتضفي على كل ذرة عزماً مغناطيسياً كلياً ذا قيمة محسوسة. وهكذا تبدو هذه الذرات كإبر البوصلة الدقيقة للغاية. فإذا اصطفت أغلب هذه الذرات معاً داخل عينة ذات أبعاد معقولة من مادة فيرومغناطيسية ، فإن العينة تصبح ممغنطة. وسنقوم بفحص هذه الحالة عن قرب أكثر.

نعلم جميعاً ، اننا لو وضعنا مجموعة من المغناطيسات الدقيقة بالقرب من بعضها البعض لأقصى ما يمكن ، فإنها تقوم بترتيب أنفسها بحيث يصبح كل قطب جنوبي قريباً من قطب شمالي ، نتيجة لتجاذب الأقطاب المختلفة وتنافر المتشابهة. ونصل إلى حالة أدنى طاقة وضع للنظام عندما تصبح المغناطيسات على نحو يشبه ما هو موضح بالشكل ( 2أ). ويلاحظ أن المغناطيسات المرتبة بهذه الطريقة إنما تكافئ مغناطيساً واحداً كبيراً.

هذه المغناطيسات بعنف ( ربما إذا هز شخص ما اللوح الذ تتراص عليه عند استقرارها) ، فإنها ستتحرر من النظام الذي كانت عليه ويظهر الشكل (2 ب). ويلاحظ في هذه الحالة أن المغناطيسات المنفردة لم تعد مصفوفة معاً لتكون قضيباً مغناطيسياً قوياً.

ويتحقق وضع مشاية لهذا بالنسبة للذرات داخل الجسم الصلب ، حيث تقوم الاهتزازات الحرارية بتحريك النظام فتمنع الذرات بهذا من ترتيب أنفسها كما في الشكل (2 أ). على ان مغناطيسات ذرية معينة فقط ــ كالحديد والمواد الفيرومغناطيسية الأخرى ـ هي التي تستطيع الاحتفاظ باصطفافها عند درجات الحرارة العادية. وحتى هذه الذرات تكتسب ما يكفي من الطاقة الحرارية عند تسخينها بدرجة مناسبة ، لكي تتحرر من النظام الذي كانت عليه وتتضارب اتجاهاتها كما في (ب). ودرجة الحرارة التي يحدث عندها هذا محددة تماماً لكل نوعية من الذرات وتسمى درجة حرارة كورى. وهناك قوى أخرى أكثر تعقيداً بكثير بين الذرات الفيرومغناطيسية إل جانب القوى المغناطيسية طبعاً. ولا يمكن فهم هذه القوى إلا في إطار ميكانيكا الكم ولذا لن نتمكن من الاسترسال في مناقشتها هنا ، وإن كانت تلعب دوراً رئيسياً في ترتيب المغناطيسات الذرية.

 الشكل (2)

وتكون المغناطيسات الذرية لمعظم المواد ـ إذا وجدت ــ متجه عشوائياً كما في الشكل (2 ب). إلا ان المواد الفيرومغناطيسية تتكون عادة من مناطق صغيرة تكون الذرات في كل منها مصفوفة في اتجاه واحد. ويسمى كل من هذه المناطق المرتبة نطاقاً ( الشكل (2)). وتحتوي قطعة الحديد العادية على نطاقات بكل منها نحو10¹⁶  ذرة. ومعنى هذا أن الأبعاد الخطية للنطاق ليست سوى كسر صغير من المليمتر. على أن النطاقات في قطعة حديد غير ممغنطة تأخذ اتجاهات عشوائية كما في الشكل (3 أ). وعند مغنطة قضيب من الحديد فإن على النطاقات بداخله أن تصطف في صفوف.

الشكل (3)

سنفترض أننا بدأنا بقضيب من الحديد وكان غير ممغنط  كما يوضح الشكل (3 أ) وكما نعلم فإن للملف اللولبي الذي يحمل تياراً مجال مغناطيسي يتخلل لفاته. والآن ، ينضع القضيب الحديدي في الملف اللولبي ، حيث تتعرض النطاقات لقوى من جانب المجال المغناطيسي للملف. وستنمو تلك النطاقات التي تتخذ اتجاه المجال ، بينما يتقلص حجم تلك التي تتخذ اتجاهات اخرى. والنتيجة النهائية لهذه العملية هي جعل النطاقات تصطف موازية للمجال كما هو موضح في الجزء (ب).

لقد أصبح الحديد الآن قضيباً مغناطيسياً له قطب شمالي وآخر جنوبي. فإذا كان من السهل توجيه النطاقات فإننا نتعامل مع حديد مطاوع ، أما في حالة الحديد الصلب فلابد من أن يكون المجال الخارجي قوياً جداً او ان ترج النطاقات بالحرارة او بطرق ميكانيكية حتى يمكن جعلها تنمو في اتجاه المجال. ( إن تمييز الحديد بصفتي  المطاوع والصلب يعود إلى الخواص المغناطيسية فحسب ولا علاقة لهما بالصلابة الفيزيائية ). وعلى أية حال من الممكن ترتيب النطاقات بشكل تام تقريباً للحصول على قضيب مغناطيسي قوي.

وإذا ما تم ترتيب النطاقات في صفوف فإن المجال المغناطيسي يصبح مكوناً من جزئين. اولهما المجال الصغير الأصلي للملف اللولبي ، وثانيهما المجال الذي يخلقه القضيب المغناطيسي وهو اكبر مئات المرات ــ عادة ــ من مجال الملف اللولبي. وتسمى المجموعة المكونة من ملف لولبي وقطعة من الحديد المطاوع مغناطيسياً كهربائياً.

وعندما يطفأ التيار المار في الملف اللولبي ، فإن النطاقات في قضيب الحديد المطاوع تعود تقريباً إلى الحالة العشوائية الأصلية التي كانت عليها ، وذلك لأن الحركة الحرارية تجعل النطاقات تتبعثر. وهذا الوضع مطلوب في المغناطيس الكهربي لأنه يتيح لنا أن نديره أو نطفئه حسب الطلب. ومن ناحية اخرى فغن قطعة من الحديد الصلب إذا وضعت داخل ملف لولبي فإنها ستحتفظ بمعظم ترتيبها عند إخراجها من الملف اللولبي وتصبح بهذا قضيباً مغناطيسياً دائماً.

ويمكن تمييز درجة استجابة المادة لمجال مغناطيسي خارجي ، بواسطة كمية تسمى الإنفاذية المغناطيسية النسبية ،K_m  افترض ، مثلاً ، أن لدينا ملفاً لولبياً طويلاً جداً يحمل تياراً يخلق مجالاًB₀  ، وسنقوم بملء باطن هذا الملف بمادة ما. فيصبح المجال الكلي هو B ويتكون من مجموعB₀  وأي مجال ناشئ عن اصطفاف المغناطيسيات الذرية.

تعرف الإنفاذية المغناطيسية النسبيةK_m  لمادة ما ، بانها النسبة بين المجال الكليB والمجال الممغنطB₀ :

وتتراوح قيمK_m  في المواد الفيرومغناطيسية بين 100 – 100000 والجدول (1) يورد بعضاً من هذه المواد وقيم K لها. كما يضم الجدول أيضاً فئتين من المواد الأخرى. فبعضها وهو يسمى مواد ديامغناطيسية يقلل من قيمة المجال. من ثم تكون قيمK_m  له أقل من الواحد الصحيح وإشارتها سالبة لشكل طفيفة ولذا فإن قيمK_m  لها أكبر قليلاً من الواحد الصحيح.

عندما توضع معظم المواد في مجال مغناطيسي فإنها نادراً ما تؤثر فيه. على ان عدداً قليلاً جداً ، ومنها الحديد وسبائكه ترفع من شدة المجال المغناطيسي الذي توضع فيه ؛ ودائماً ما يقوى المجال عدة مئات من المرات. وإلى هذه القدرة على تكبير المجال المغناطيسي ، عتود الأهمية الاولى للحديد في كثير من تطبيقات المغناطيسية.

الجدول ((1 قيم الإنفاذية المغناطيسية النسبية عند درجة حرارة الغرفة لمواد مختارة.