المغناطيس

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
(تم التحويل من المغناطيسية الحديدية)


ترتيب مغناطيسية الذرات المغنيطوحديدية في حبيبة من حبيبات المادة الصلبة).


برادة حديد على ورقة وفي وسطها قضيب مغناطيسي , تتخذ البرادة اتجاه خطوط المجال المغناطيسي.


الحبيبات المغناطيسية في سبيكة حديد نيوديم وبور وتتصف بالمغناطيسية الحديدية. (مقطع الحبيبة نحو 10 ميكرومتر).
المغنطيسية الحديدية Ferromagnetism تظهر خاصية ال مغنطيسية على بعض المعادن مثل الحديد والكوبلت والنيكل. تتسم ذرات تلك العناصر بوجود المغناطيسية بها حيث يحدث ترابط بين اللف المغزلي للإلكترونات التي تشغل المدار 3d في الذرة، وينتج عن محصلة ذلك الترابط مغناطيسا صغيرا في حجم الذرة. أي أن ذرات تلك العناصر لها تلك الخاصية المغناطيسية الفروحديدية. ويحدث أن الذرات المتجاورة تهيئ اتجاه مغناطيسيتها بحيث تتخذ جميعها نفس الإتجاه، ويظهر ذلك في هيئة المغناطيس المستقيم المعهود لنا.

تفسيرها

يتخذ اللف المغزلي في الذرة في العادة إتجاها معكوسا للعزم المغزلى المغناطيسي للإلكترون الذي يشاركه في المدار. بذلك تصبح محصلة العزمين المغزليين لكل زوج من الغلكترونات في الذرة مساوية للصفر ، ولا تظهر خاصية المغناطيسية على المادة. هذا بعكس ما يحدث في حالة ذرة الحديد والمواد ذات المغناطيسية الحديدية ، حيث يتخذ اللف المغزلي للإلكترونات الموجودة في المدار 3d نفس الاتجاه وتصبح الذرة مغناطيسية. واحتار العلماء للسؤال: لماذا يحدث ذلك فقط في الحديد والكوبلت والنيكل فقط ؟ ولم تستطع الميكانيكا الكلاسيكية تفسير هذه الظاهرة. إلى أن جاءت ميكانيكا الكم في الأعوام 1923 - 1930 وفسرت تلك الظاهرة. والتفسير هو أن في تلك المواد يحدث تآثر كمومي بين العزوم المغزلية المغناطيسية للذرات المتجاورة بحيث تكون الحالة القاعية وبالتالي طاقتها الكامنة أقل ما يمكن في حالة اتخاذ إلكترونات المدار 3d نفس الاتجاه.

الاستخدامات

تستخم المغناطيسات والمواد المغناطيسية في المحولات الكهربائية لتوليد التيار المتردد كما تستخدم في العديد من الأجهزة الكهربائية والإلكترونية مثل مكبرات الصوت في الراديو والتلفزيون. كما تستخدم المغناطيسات الكهربائية الكبيرة المستخدمة في عمليات الفرز.

تتميز المواد المغناطيسية الحديدية بنفاذية مغناطيسية عالية >> 1 . لذلك فهي توصل خطوط المجال المغناطيسي فيها احسن من توصيل الهواء حولها (توصيل الهواء للمجال الغناطيسي ≈ 1) . لذلك تستخدم المواد المغناطيسية الحديدية تطبيقات كثيرة في المحركات الكهربائية و المحولات .

ولها تطبيقات أخرى مثلما في منتجات التخزين الإلكتروني وعل الأخص في تكنولوجيا المعلومات مثلما في استغلال تأثير مقاومة مغناطيسية كبرى GMR و مقاومة مغناطيسية نفقية TMR في صناعة رؤوس القراءة للأقراص الصلبة . وقد نال العالمان الفيزيائيان بيتر غرونبيرغ من جامعة يوليش و البرت فير من باريس على جائزة نوبل للفيزياء عام 2007 عن عملهما في هذا المجال.

المغناطيسية المعاكسة أو النفادية المغناطيسية أو الديامغنطيسية (بالإنجليزية: Diamagnetism) هي خاصية مادة تسبّب إنشاء حقل مغناطيسي يعارض تأثير أي حقل مغناطيسي يؤثّر من الخارج فيُنتج قوة تنافر بين المادّة ومصدر الحقل الخارجي. تحديداً يغيّر الحقل المغناطيسي الخارجي سرعة مدار الإلكترونات حول نوى الذرات، فيغيّر بذلك العزم المغناطيسي للذرات.

وبحسب قانون لنتس يعارض الحقل المولَّدُ الحقل المولِّدَ. المغناطيسات المعاكسة هي من صفات مواد ذات نفاذية كهرومغناطيسية أقل من نفاذية الفراغ أي ذات نفاذية كهرومغناطيسية نسبية أقل من 1. نتيجة عن ذلك فهذا النوع من المغناطيسية يتواجد حصرياً حين تكون المواد تحت تأثير حقل كهرومغناطيسي خارجي. وفي معظم المواد يكون تأثيرها ضعيفاً إلا في المواد ذات الموصلية الفائقة حيث يكون تأثير المغناطيسية المعاكسة قويّاً.

تسبّب المواد ذات المغناطيسية المعاكسة خطوط التدفق المغناطيسي أن تنحني بعيداً عنها، وتستطيع المواد فائقة النفاذية أن تبعدهم تماماً باستثناء طبقة رفيعة عند سطح تلك المواد.

مواد ذات مغناطيسية معاكسة

من المواد ذات المغناطيسية المعاكسة في الظروف الطبيعية (مثل درجة حرارة الغرفة) البزموث و الجرافيت.

[عدل]استرفاع



جرافيت معالج حراريا له صفات المغناطيسية المعاكسة ، تجعله يحوم فوق مغناطيس قوي.
يؤثر تأثير مقاومة المغناطيسية عند وجود حقل مغناطيسي شديد القوة (نحو 15 تسلا معمليا) على استرفاع الماء ، وحتى تجعل حيوانا مثل الضفضعة تحوم في الهواء بعيدا عن مصدر المغناطيسية. وتسمى هذه الظاهرة بالاسترفاع المضاد للمغناطيسية وجد جربت أيضا على الخشب. ومن الممكن أن تجرى مثل تلك التجارب على الإنسان.

ويتسم الجرافيت المعالج حراريا بطريقة التفكيك الحراري أو التحلل الحراري بخاصية انه يكون ذو مغناطيسية معاكسة في الاتجاه البلوري العمودي على القاعدة السداسية . وعند وصضع قطعة من الجرافيت المعالج حراريا بتلك الطريقة فوق مغناطيس ذاتي مثل مغناطيس الحديد والنيوديم والبور فنجد أن قطعة الجرافيت تحوم فوق المغناطيس.

المغناطيسية المسايرة أو البارامغناطيسية (بالإنجليزية: Paramagnetism) شكل من المغناطيسية، تظهر فقط بوجود مجال مغناطيسي خارجي وتزول بزواله. من المواد التي تتصف بالمغناطيسية المسايرة الالمنيوم و المنغنيز و البلاتين .

وتتسم المواد ذات المغناطيسية المسايرة بأنها إذا وقعت في مجال مغناطيسي خارجي فإنها تقوّي المجال المغناطيسي بداخلها. وتكون مغناطيسيتها متناسبة طرديا معا شدة المجال المغناطيسي الخارجي. وتحدد الخاصية المغناطيسية لمادة ما بما يسمى قابلية مغناطيسية.

وتظهر المغناطيسية المسايرة في المواد التي تحتوي ذراتها على إلكترونات غير مزدوجة مثل أيونات الفلزات الانتقالية(مثل العناصر ذات عدد ذري بين 21 - 30 و 39 - 48 وغيرها) و أيونات اللانثانيدات (العناصر ذات عدد ذري بين 57 - 71) و ذراتها و الجزيئات ذات عزم مغناطيسي . وترجع تلك الخاصية إلى العزم مغزلي للإلكترونات وإلى الزخم الزاوي للإكترونات (حيث تدور الإلكترونات في مدارات حول نواة الذرة) .

وبمقارنة المغناطيسية المسايرة بالمغناطيسية المعاكسة :

- تظهر المغناطيسية المسايرة تقريبا في جميع المواد،

- يرجع سببها إلى تغير اتجاه زخم المدار الذري بسبب المجال المغناطيسي الخارجي،

- تتنافر المواد المعاكسة المغناطيسية من مجال مغناطيسي خارجي .

وتصنف الفيزياء المواد بحسب قابليتها المغناطيسية فإذا كانت قابليتها المغناطيسية موجبة ولا تتسم بوجود ترتيب مغناطيسي فيها فتسمى مواد ذات مغناطيسية مسايرة.

أصلها



توضيح مادة ذات مغناطيسية مسايرة بدون مجال مغناطيسي خارجي (توزيع المغناطيسات الدقيقة عشوائي).


..المادة موجودة في مجال مغناطيسي خارجي ضعيف (الحركة الاهتزازية الحرارية تقاوم ترتيب الاتجاه الموحد) ...


...المادة في وجود مجال مغناطيسي خارجي قوي.
يمكن تصور مادة ذات مغناطيسية مسايرة بكونها تتكون من قضبان مغناطيسية صغيرة يمكنها الدوران في مواقعها . فإذا وضعنا تلك المادة في مجال مغناطيسي فإن المغناطيسات الصغيرة فيها تترتب في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي. ومن أهم الظواهر هنا أن المغناطيسات الصغيرة لا يؤثر الواحد على جيرانه . كما يعمل الاهتزاز الحراري على أن اتجاه المغناطسي لكل واحد منهم تتغير بسبب الاهتزاز . ونتيجة ذلك أن معظم المعناطيسات الدقيقة في المادة تتجه اتجاها عشوائيا بالنسبة للمجال الخارجي ولا يتبقي سوى عدد قليل من تلك المغناطيسات الدقيقة يأخذ اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي ، وتلك هي التي تنتج المحصلة المغناطيسية للمادة . لذلك يحتاج المرء إلى مجال مغناطيسي قوي لكي يزيد عدد المغناطيسات الدقيقة في المادة التي تترتب في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي .

الصيغة الفيزيائية

يكمن وجود المغناطيسية المسايرة في المادة في العزم المغناطيسي لذراته أو جزيئاته وترتيب اتجاهها في اتجاه مجال مغناطيسي خارجي. وفي تلك الحالة تتصرف كل مغناطيسس دقيق في المادة على حده بدون التأثير على جيرانه . والاختلاف بين تلك الظاهرة والمغناطيسية الحديدية هو أن المغناطيسية المسايرة تختفي تماما بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي بسبب الاهتزاز الحراري للذرات. ولهذا تكون المغناطيسية لمادة متناسبة مع شدة المجال المغناطيسي الخارجي ، وتنطبق المعادلة :

، حيث
وكلما زادت القابلية المغناطيسية للمادة كلما كان من السهل على المغناطيسات الدقيقة في المادة لأن تأخذ اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي . وتكون بذلك القابلية المغناطيسية للمادة مقياساً لشدة المغناطيسية المسايرة . ونظرا للعلاقة البسيطة بين القابلية المغناطيسية و و النفاذية المغناطيسية النسبية: لمادة فقد تستخدم الأخيرة أيضا كمقياس للمغناطيسية المسايرة (حيث النفاذية المغناطيسية) .

المغناطيسية المسايرة والمغناطيسية الحديدية

كثيرا ما يخلط الناس بين قابلية مغناطيسية عالية ويعتقد أن المادة لها مغناطيسية حديدية . ولكن هذا ليس بصحيح . فإن المواد ذات المغناطيسية الحديدية لها بالفعل قابلية مغناطيسية عالية جدا ولكن السبب يرجع إلى الترابط القوي بين المغناطيسات الدقيقة في المادة ذات المغناطيسية الحديدية. وتبين المواد ذات خاصية المغناطيسية الحديدية وجود مغناطيسيتها أيض بعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي . وهي ظاهرة تعرف باسم . أما المواد ذات الخاصية المغناطيسية المسايرة فهي كما سبق القول تفقد معناطيسيتها بعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي.



الحبيبات المغناطيسية في سبيكة حديد نيوديم وبور وتتصف بالمغناطيسية الحديدية.
ويعمل التآثر القوي بين الذرات المغناطيسية في المواد المغناطيسية الحديدية على تكون حبيبات مغناطيسية تشمل ملايين الذرات تكون مغناطيسيتها في اتجاه واحد . ولكن توجد في المادة المغناطيسية الحديدية آلاف أو ملايين من تلك الحبيبات المغناطيسية موزعة توزيعا عشوائيا بحيث لا تظهر محصلتهم ظاهرة المغناطيسية . أما المواد ذات المغناطيسية المسايرة فتكون الذرات أو الجزيئات المنفردة هي مصدر المغناطيسية ، وليست حبيبات تشتمل على ملايين الذرات المترابطة المغناطيسية.

ماجنتيت

يُظهر الماجنتيت (Fe3O4) عادة خاصية الفريماغناطيسية Ferrimagnetism . ولكن عدما تكون الحبيبات فيه أصغر من 20 - 30 نانومتر تظهر فيه خاصية المغناطيسية المسايرة الفائقة عن درجة حرارة الغرفة . وعند تسليط مجال مغناطيسي عليه من الخارج تترتب الحبيبات المغناطيسية جميعا في اتجاه المجال المغناطيسي . وبعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي ينفك الترتيب وتعود عشوائية اتجاه مغناطيسية الحبيبات بفعل الحرارة ، وتعود محصلة المجال المغناطيسي للعينة ثانيا إلى الصفر.

المغناطيسية ظاهرة يتميز بها حجر المغناطيس الطبيعي أو المغناطيس المصنع وهي واضحة جدآ للعيان في ظاهرة الجذب لبعض المواد ذات مغناطيسية حديدية. وتبين أن المواد المغناطيسية تتكون من حبيبات مغناطيسية بذاتها حيث تتخذ الذرات المغناطيسية اتجاها واحدا، ولكن توزيع اتجاه مغناطيسية الحبيبات يكون عشوائيا في المادة بحيث تكون محصلة مغناطيسيتها صفرا. بينما تترتب في حالة المغنطة في اتجاه واحد تحت تأثير المجال المغناطيسي الخارجي.

وتعود ظاهرة المغناطيسية إلى مغناطيسية ذرات بعض العناصر مثل الحديد والكوبلت والنيكل وجزيئات تدخل فيها تلك العناصر (سبائكها). ففي الحديد مثلا توحد إلكترونات المدار الذري 3d اتجاه عزمها المغزلي المغناطيسي وتصبح ذرة الحديد مغناطيسا صغيرا. يحدث ذالك التوجه في العناصر الحديد والكوبلت والنيكل وتصبح كل منها مغناطيسا ذاتيا رغم أن مبدأ استبعاد باولي يقول أنه إذا شغل إلكترونان نفس مستوي الطاقة في ذرة فمن المفروض أن يكون العزم المغزلي المغناطيسي لأحدهما بعكس اتجاه العزم المغزلي المغناطيسي للآخر. بذلي تكون الذرة غير مغناطيسية. أما ظاهرة مغناطيسية ذرة الحديد فهي تسري مخالفة لمبدأ استبعاد باولي، وكانت هناك حيرة كبيرة للعلماء في خروج الحديد والكوبلت والنيكل عن تلك القاعدة. وحُلت المشكلة باكتشاف وجود تآثر متبادل بين الذرات يجعلها تتصرف بتلك الطريقة.

تعرف القوى المغناطيسية التي تعمل بين معناطيسين، ويمكن توليد مجال مغناطيسي عن طريق تحريك شحنة كهربية، مثلما في تيار كهربائي يسير في سلك. ويحدث تبادل القوي بين المغناطيسات عن طريق مجال مغناطيسي تنتجه تلك المغناطيسات كما أنها تتأثر هي الأخرى بمجال مغناطيسي خارجي.

وترجع تلك الظواهر للمغناطيسية إلى حركة شحنات كهربائية أو عزم مغناطيسي لجسيمات أولية وذلك نتيجة لأن لها عزم مغزلي. والمغناطيسية هي أحد فروع علم الكهرومغناطيسية، وهو واحد من أربعة قوى أساسية في الفيزياء.

أنواع المغناطيسية

مغناطيسية حديدية
مغناطيسية مسايرة
مغناطيسية معاكسة
مغناطيسية حديدية مضادة
فريمغناطيسية
المغنطيسية المتبقية (بالإنكليزية: Residual Magnetism): المغناطيسية المتخلفة في مادة ما بعد إيقاف القوة الممغنطة عنها. تظهر هذه الظاهرة في القلب الحديدي في المحركات الكهربائية، حيث تكون السبب المساعد والمؤثر على تشغيلها.

آثر متبادل



توزيع المدارات وبالتالي الإلكترونات في ذرة معينة
بينت ميكانيكا الكم أن خاصية المغناطيسية الحديدية ترجع إلى أنه في تلك العناصر (الحديد والكوبلت والنيكل) يجعل التآثر بين الذرات - وهو تآثر كمومي - على أن يتخذ العزم المغزلي المغناطيسي للإلكترونات فيها اتجاها واحدا.

توضح هذه الصورة توزيع الإلكترونات في ذرة تحتوي على 4 أغلفة. الغلاف n=2 له مدارين s و p والغلاف n=3 له ثلاثة مدارات 3d و 3p و 3s والغلاف n=4 له أربعة مدارات 4f و 4d و 4p و 4s.

نجد أن طاقة إلكترونات المدار 3d أعلى من طاقة الإلكترونات في المدار 4s. وللتغلب على ذلك يكون الأنسب لإكترونات المدار 3d أن يكون اتجاه العزم المغزلي المغناطيسي للإلكترونات فيها في نفس الاتجاه. وبالتالي تصبح ذرة الحديد مغناطيسية. وقد فسرت ميكانيكا الكم هذه الخاصية للإلكترونات بأنها بسبب تآثر متبادل بين ذرات الحديد وبعضها.

وصلات خارجية

ظاهرة المغناطيسية معززة بصور توضيحية
ظاهرة المغناطيسية معززة بصور توضيحية(2)
هذه بذرة مقالة عن الفيزياء تحتاج للنمو والتحسين، فساهم في إثرائها بالمشاركة في تحريرها.
[أخف]ع · ن · ت
الفروع العامة في الفيزياء
عزل الصوت · فيزياء زراعية · فيزياء فلكية · فيزياء الغلاف الجوي · فيزياء ذرية وجزيئية وبصرية · فيزياء حيوية · فيزياء كيميائية · فيزياء المواد المكثفة · ديناميكا (ديناميكا الموائع · ديناميكا حرارية) · فيزياء اقتصادية · كهرومغناطيسية (بصريات · كهرباء · مغناطيسية) · فيزياء الأرض · فيزياء رياضية · ميكانيكا (ميكانيكا كلاسيكية · ميكانيكا الكم · ميكانيكا إحصائية) · فيزياء طبية · ماوراء الطبيعة · فيزياء عصبية · فيزياء نووية · فيزياء الجسيمات · نظرية الحقل الكمومي · النسبية (النسبية الخاصة · النسبية العامة) · فيزياء التربة · علم السكون (علم سكون الموائع)