مغناطیس چیست؟ | میدان مغناطیسی و نیروی مغناطیسی
توسط جیم لوکاس - مشارکت علوم زنده 29 ژوئیه 2015 فنی
آهن ربا
رشته های آهن جذب شده به آهنربای نعل اسب ، میدان مغناطیسی را نشان می دهند.
(تصویر: © میلان B | Shutterstock )
مغناطیس یکی از جنبه های نیروی الکترومغناطیسی ترکیبی است. این به پدیده های جسمی ناشی از نیروی ناشی از آهن ربا ، اشیاء که زمینه هایی را ایجاد می کنند که اشیاء دیگر را جذب یا دفع می کنند ، اشاره دارد.
براساس وب سایت HyperPhysics از دانشگاه ایالتی جورجیا ، یک میدان مغناطیسی به دلیل وجود نیروی لورنتس بر ذرات موجود در این میدان نیرو می دهد . حرکت ذرات با بار الکتریکی باعث ایجاد مغناطیس می شود. نیرویی که روی یک ذره با بار الکتریکی در یک میدان مغناطیسی عمل می کند بستگی به میزان بار ، سرعت ذرات و قدرت میدان مغناطیسی دارد.
همه مواد مغناطیسی را تجربه می کنند ، برخی از آنها با شدت بیشتری نسبت به سایرین. آهنرباهای دائمی ، که از موادی مانند آهن ساخته شده اند ، قوی ترین اثرات را دارند ، معروف به فرومغناطیس. با استثناء نادر ، این تنها شکل مغناطیس به اندازه کافی قوی است که توسط مردم احساس می شود.
مخالفان جذب می کنند
براساس HyperPhysics ، میدان های مغناطیسی با چرخش بارهای الکتریکی تولید می شوند. الکترون ها همه خاصیت حرکت زاویه ای یا چرخشی دارند. اکثر الکترون ها مطابق با اصل خروج پائولی ، جفت هایی را تشکیل می دهند که یکی از آنها "چرخش" و دیگری "چرخش به پایین" است ، که می گوید دو الکترون نمی توانند در همان زمان حالت انرژی یکسان را اشغال کنند. در این حالت ، میدان های مغناطیسی آنها در جهت های متضاد قرار دارند ، بنابراین یکدیگر را لغو می کنند. با این حال ، برخی از اتم ها حاوی یک یا چند الکترون غیر جفت هستند که چرخش آنها می تواند یک میدان مغناطیسی جهت دار ایجاد کند. مطابق با مرکز منابع آزمایش غیر مخرب (NDT) جهت چرخش آنها جهت درست میدان مغناطیسی را تعیین می کند. . هنگامی که اکثریت قابل توجهی از الکترونهای بدون جفت با چرخش های خود در یک راستا قرار گرفته اند ، آنها ترکیب می شوند تا یک میدان مغناطیسی تولید کنند که به اندازه کافی قوی باشد تا در مقیاس ماکروسکوپی احساس شود.
ویدیوهای تبلیغاتی را برای شما توصیه کرد ...
پخش ویدیوعلوم و علمی تخیلی در فیلم ها ، با Live Science و Space.com
Slime Made Simple! علوم زنده شما را چگونه نشان می دهد
10/08/17Slime Made Simple! علوم زنده شما را چگونه نشان می دهد
"ریک و مورتی" درست برخی از علوم را به دست می آورد!
03/10/19"ریک و مورتی" درست برخی از علوم را به دست می آورد!
عجیب ترین اخبار علمی سال 2018
24/12/18عجیب ترین اخبار علمی سال 2018
علم "مگ"
10/08/18علم "مگ"
علوم جدید بمب هیروشیما
04/05/18علوم جدید بمب هیروشیما
منابع میدان مغناطیسی دو قطبی هستند و دارای قطب مغناطیسی شمالی و جنوبی هستند. به گفته جوزف بکر از دانشگاه ایالتی سن خوزه ، قطبهای مخالف (N و S) جذب می شوند و مانند قطب های (N و N یا S و S) دفع می شوند . این یک میدان توروئیدی یا دونات شکل ایجاد می کند ، به عنوان جهت این میدان به بیرون از قطب شمال پخش می شود و از طریق قطب جنوب وارد می شود.
زمین خود یک آهنربای غول پیکر است. به گفته HyperPhysics ، این سیاره میدان مغناطیسی خود را از گردش جریان های الکتریکی درون هسته فلزی مذاب بدست می آورد . قطب نما نقاط شمال به دلیل سوزن مغناطیسی کوچک در آن معلق است به طوری که می توان آن را آزادانه در داخل پوشش آن چرخش به خود را با میدان مغناطیسی این سیاره چین. به طور متناقض ، آنچه ما قطب مغناطیسی شمالی می نامیم در واقع یک قطب مغناطیسی جنوبی است زیرا قطب های مغناطیسی شمالی سوزن های قطب نما را به خود جذب می کند.
فرومغناطیس
اگر تراز الکترون های بدون جفت بدون استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی یا جریان الکتریکی باقی بماند ، یک آهنربای دائمی تولید می کند. آهنرباهای دائمی نتیجه فرومغناطیس هستند . پیشوند "فرو" به آهن اشاره دارد زیرا در ابتدا مغناطیسی دائمی به شکلی از سنگ آهن طبیعی به نام مگنتیت ، Fe 3 O 4 مشاهده می شود . تکه های مگنتیت را می توان در سطح زمین پراکنده و یا در نزدیکی آن یافت و گاهی اوقات یکی مغناطیس می شود. به این آهن رباها که به طور طبیعی وجود دارند ، لانه های سنگی نامیده می شوند. "ما هنوز هم خاص به عنوان منشا آنها نیست، اما بسیاری از دانشمندان معتقدند که اهن ربا مگنتیت است که توسط رعد و برق ضربه شده است،" با توجه به دانشگاه آریزونا .
مردم به زودی فهمیدند که می توانند با نوازش کردن آن با سنگ آهک ، سوزن آهنی را بزرگنمایی کنند و باعث شوند اکثر الکترونهای بدون جفت در سوزن در یک جهت بچرخند. طبق گفته ناسا ، در حدود 1000 میلادی ، چینی ها فهمیدند که یک آهن ربا در یک کاسه آب شناور است که همیشه در جهت شمال به جنوب صف کشیده شده است. بدین ترتیب قطب مغناطیسی به کمک ناوبری به ویژه در طول روز و شب که ستارگان توسط ابرها پنهان شده بودند ، کمک شایانی کردند.
سایر فلزات علاوه بر آهن ، دارای خاصیت فرومغناطیسی هستند. اینها شامل نیکل ، کبالت و برخی فلزات نادر خاکی مانند ساماریوم یا نئودیمیم است که برای ساخت آهنرباهای دائمی فوق العاده قوی استفاده می شود.
اشکال دیگر مغناطیس
مغناطیس اشکال مختلف دیگری نیز به خود می گیرد ، اما به جز فرومغناطیس ، آنها معمولاً بسیار ضعیف هستند که به جز توسط ابزارهای حساس آزمایشگاهی یا در دماهای بسیار پایین مشاهده می شوند. دیامغناطیس برای اولین بار در سال 1778 توسط آنتون بروگنامز کشف شد ، که در جستجوی مواد حاوی آهن از آهنرباهای دائمی استفاده می کرد. براساس گفته جرالد كاستلر ، محقق و مخترع مستقل آلمانی ، كه در مقاله خود "Levitation Diamagnetic - Milestones Historical" در مجله علوم فنی رومانی منتشر شده است ، Brugnams اظهار داشت: "فقط بیسموت تیره و تقریبا بنفش رنگی نشان داده شده است. پدیده خاص در مطالعه؛ زیرا وقتی تکه ای از آن را روی یک برگه کاغذی که در بالای آب شناور بود قرار دادم ، توسط هر دو قطب آهنربا دفع شد. "
مشخص شده است که بیسموت دارای قویترین دیامغناطیس همه عناصر است ، اما همانطور که مایکل فارادی در سال 1845 کشف کرد ، این خاصیت است که همه مواد توسط یک میدان مغناطیسی دفع می شوند.
دیامغناطیس توسط حرکت مداری الکترون ایجاد حلقه های جریان کوچک، که تولید میدانهای مغناطیسی ضعیف ایجاد می شود، با توجه به HyperPhysics . هنگامی که یک میدان مغناطیسی خارجی به ماده ای اعمال می شود ، این حلقه های جریان تمایل دارند به گونه ای ترقی کنند که با میدان کاربردی مخالف باشند. این باعث می شود که همه مواد توسط یک آهنربای دائمی دفع شوند. با این حال ، نیروی نتیجه معمولاً بسیار ضعیف است تا قابل توجه باشد. با این وجود استثناهای قابل توجهی وجود دارد.
کربن پیرولیتیک ، ماده ای شبیه به گرافیت ، حتی اگر در طول یک محور وجود داشته باشد ، حتی الامکانتی قوی تر از بیسموت را نشان می دهد ، و در واقع می تواند بالای یک آهنربای خاکی کمیاب قدرتمند تخلیه شود. برخی از مواد رسانای ابررسانا حتی الماس مغناطیسی قوی تر را نیز در زیر دمای بحرانی خود نشان می دهند و بنابراین آهنرباهای خاکی کمیاب در بالای آنها قابل جابجایی هستند. (از نظر تئوری ، به دلیل دافع متقابل آنها ، یکی از دیگری قابل اجتناب است.)
پارامغناطیس زمانی اتفاق می افتد که یک ماده هنگام قرار دادن در یک میدان مغناطیسی به طور موقت مغناطیسی شود و به محض خارج کردن میدان خارجی به حالت غیر مغناطیسی آن برگردد. هنگامی که یک میدان مغناطیسی اعمال می شود ، برخی از چرخش های الکترونیکی غیر جفت شده خود را با میدان تراز می کنند و نیروی متضاد تولید شده توسط دیامغناطیس را تحت الشعاع قرار می دهند. با این حال ، به گفته دانیل مارش ، استاد فیزیک در دانشگاه ایالتی جنوبی میسوری ، این اثر فقط در دماهای بسیار کم قابل توجه است.
اشکال دیگر ، پیچیده تر ، عبارتند از ضد مغناطیس ، که در آن میدان مغناطیسی اتمها یا مولکولها در کنار یکدیگر قرار می گیرند. و چرخش شیشه ای ، که شامل هر دو تعامل فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی است. علاوه بر این، فریمغناطیس می توان به عنوان ترکیبی از فرومغناطیس و فکر antiferromagnetism به دلیل شباهت های بسیاری مشترک در میان آنها، اما آن را هنوز هم منحصر به فرد خود را دارد، با توجه به دانشگاه کالیفرنیا، دیویس.
الکترومغناطیس
هنگامی که یک سیم در یک میدان مغناطیسی منتقل می شود ، این رشته جریان را در سیم القا می کند. در مقابل ، یک میدان مغناطیسی توسط یک بار الکتریکی در حال حرکت تولید می شود. این مطابق با قانون القایی فارادی است که پایه ای برای الکترومغناطیس ، موتورهای برقی و ژنراتورها است. یک بار در یک خط مستقیم ، مانند یک سیم مستقیم ، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که در اطراف سیم پیچ می شود. هنگامی که آن سیم به یک حلقه تبدیل می شود ، این قسمت به شکل دونات یا یک توروس تبدیل می شود. طبق کتابچه راهنمای ضبط مغناطیسی (Springer، 1998) توسط Marvin Cameras ، با قرار دادن یک هسته فلزی فرومغناطیسی در داخل سیم پیچ ، می توان این میدان مغناطیسی را تا حد زیادی افزایش داد.
در برخی از برنامه ها از جریان مستقیم برای تولید یک میدان ثابت در یک جهت استفاده می شود که می تواند با جریان روشن و خاموش شود. سپس این قسمت می تواند یک اهرم متحرک متحرک را ایجاد کند که باعث ایجاد یک کلیک شنیدنی شود. این مبنای تلگراف است که در دهه 1830 توسط ساموئل FB مورس ابداع شد و این امکان را برای برقراری ارتباط از راه دور با سیمها با استفاده از یک کد باینری بر اساس پالس های بلند و کوتاه مدت فراهم می کند. پالس ها توسط اپراتورهای ماهر ارسال می شدند که به سرعت و با استفاده از یک سوئیچ تماس لحظه ای یا کلید بهار ، جریان را روشن یا خاموش می کنند. اپراتور دیگر در انتهای دریافت ، کلیک های شنیدنی را به حروف و کلمات ترجمه می کند.
Advertisement
یک سیم پیچ در اطراف آهنربا نیز می تواند ساخته شود تا در الگویی با فرکانس و دامنه متغیر حرکت کند تا القاء جریان در یک سیم پیچ انجام شود. این پایه و اساس تعدادی از دستگاه ها است که مهمترین آنها میکروفون است . صدا باعث می شود که دیافراگم با امواج فشار متغیر در بیرون حرکت کند. اگر دیافراگم به یک سیم پیچ مغناطیسی متحرک در اطراف یک هسته مغناطیسی متصل شود ، جریان متفاوتی تولید می کند که مشابه موج های حادثه است. این سیگنال الکتریکی می تواند پس از دلخواه تقویت ، ضبط یا انتقال شود. مارش به Live Science گفت: آهن ریزهای کوچک بسیار قدرتمند از زمین نادر در حال حاضر برای ساخت میکروفن کوچک شده برای تلفن های همراه استفاده می شوند.
هنگامی که این سیگنال الکتریکی مدوله شده بر روی سیم پیچ اعمال شود ، یک میدان مغناطیسی نوسان کننده ایجاد می کند ، که باعث می شود سیم پیچ در همان الگوی به داخل و خارج از هسته مغناطیسی حرکت کند. سیم پیچ سپس به یک مخروط بلندگو متحرک وصل می شود تا بتواند امواج صوتی قابل شنیدن را در هوا تولید کند. اولین کاربرد عملی برای میکروفون و بلندگو تلفن بود که توسط الکساندر گراهام بل در سال 1876 به ثبت رسیده است. اگرچه این فناوری بهبود یافته و پالایش شده است ، اما هنوز پایه ای برای ضبط و تولید صدا است.
کاربردهای الکترومغناطیس تقریبا بی شمار هستند. قانون القایی فارادی پایه و اساس بسیاری از جنبه های جامعه مدرن ما را شامل می شود نه تنها موتورهای الکتریکی و ژنراتور بلکه الکترومغناطیس در هر اندازه. از همان اصل استفاده شده توسط جرثقیل غول پیکر برای بلند کردن اتومبیل های آشغال در حیاط ضایعات نیز برای تراز کردن ذرات مغناطیسی میکروسکوپی در هارد دیسک رایانه برای ذخیره داده های باینری استفاده می شود و برنامه های جدید هر روز در حال توسعه هستند.
(هدف و آرزوی مجموعه ایمن ساین روزی ایمن و بدون حادثه برای شماست.)