هر آنچه باید در مورد طرز کار آهنربا بدانیم

واقعیت این است که همه‌ی ما چیزهایی در مورد آهنربا و خاصیت مغناطیسی مواد می‌دانیم. ما می‌دانیم که آهنربا برخی فلزات را به سمت خود می‌کشد و هر آهنربا دو قطب دارد: قطب شمال و قطب جنوب؛ و این را هم می دانیم که قطب‌های غیر همنام یکدیگر را جذب و قطب‌های همنام همدیگر را دفع می‌کنند. میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی به یکدیگر مرتبط‌اند و خاصیت مغناطیسی همراه با نیروی گرانش و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف یکی از چهار نیروی اصلی در جهان است.

با این حال هیچ‌کدام از این اطلاعاتی که ما داریم، توان و امکان پاسخگویی به شماری از سؤالات مهم ما را ندارد. پرسش این است که دقیقا چه چیزی باعث می‌شود یک آهنربا فقط به برخی فلزات بچسبد؟ چرا این جسم به همه‌ی فلزات نمی چسبد؟ چرا قطب‌های هم‌نام یکدیگر را دفع و قطب‌های غیر همنام یکدیگر را جذب می‌کنند؟ چه چیزی باعث می‌شود آهنربای نئودیمیوم بسیار قوی از آهنربای سرامیکی باشد که در دوران کودکی با آن بازی می‌کردیم؟

تا همین اواخر، تمام آهنرباها از عناصر فلزی یا آلیاژها ساخته می‌شدند. این مواد آهنرباهایی با قدرت متفاوت تولید می‌کردند. به‌عنوان مثال به چند مورد اشاره می‌کنیم:

• آهنرباهای سرامیکی مثل آهنرباهایی که در یخچال به کار می‌روند یا آهنرباهایی که برای آزمایشات مدارس استفاده می‌شوند، دارای اکسید آهن در یک ترکیب سرامیکی‌اند. اکثر آهنرباهای سرامیکی چندان قوی نیستند.
• آهنرباهای آلنیکو از آلومینیوم، نیکل و کبالت ساخته شده‌اند و قوی‌تر از آهنرباهای سرامیکی هستند؛ اما نه به اندازه‌ی آن‌ آهنرباهایی که عناصر خاکی کمیاب در خود دارند!
• آهنرباهای نئودیمیوم دارای آهن، بور و عنصر خاکی کمیاب نئودیمیوم هستند.
• آهنرباهای ساماریوم کبالت از ادغام کبالت و عنصر خاکی کمیاب ساماریوم بوجود می‌آیند. در پنج سال گذشته دانشمندان پلیمرهای مغناطیسی یا آهنرباهای پلاستیکی را کشف کردند. برخی از این‌ها انعطاف‌پذیرند و می‌توان به آن‌ها شکل داد. هرچند برخی از این‌ها تنها در دمای بسیار پایین عمل می‌کنند و برخی دیگر تنها مواد خیلی سبک مثل براده‌ی آهن را بلند می‌کنند.

با کمی تلاش می‌توان موادی را به آهنربا تبدیل کرد. در بخش بعدی خواهیم دید که چگونه این اتفاق می‌افتد.

بسیاری از وسایل الکترونیکی که امروزه در اختیار ما قرار دارند، برای عملکرد درست خود به آهنربا نیاز دارند. این تکیه به آهنربا تقریبا در دوره‌های اخیر رایج شده است و دلیل اصلی این‌که وسایل امروزی به این آهنرباها نیاز دارند، این است که آهنرباهای فوق از نمونه‌های موجود در طبیعت یا به‌اصطلاح  آهنربای طبیعی قوی‌ترند. آهنرباهای طبیعی قوی‌ترین نمونه‌هایی هستند که به‌صورت طبیعی وجود دارند. این آهنرباها می‌توانند اشیاء کوچک مثل گیره‌های کاغذ را جذب کنند.

در طول قرن یازدهم، مردم کشف کردند که می‌توانند از آهنرباهای طبیعی استفاده کنند و از آن طریق به قطعات آهن خاصیت آهنربایی بدهند و یک قطب‌نما بسازند. آن‌ها متوجه شدند وقتی آهنربای طبیعی را مکررا به‌صورت یک‌طرفه روی سوزن مالش دهند، می‌توانند به سوزن خاصیت آهنربایی بدهند؛ به‌طوری که این سوزن در حالت معلق، در امتداد شمال‌-جنوب قرار بگیرد. نهایتا ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی توضیح داد که قرار گرفتن سوزن آهنربا ‌شده در امتداد شمال‌-جنوب، از کره‌ی زمین ناشی می‌شود که خود مثل یک آهنربای بزرگ و دارای قطب شمال و جنوب است.

باید توجه کنیم که این قطب‌نمای سوزنی به اندازه‌ی آهنرباهای دائمی که امروزه وجود دارند قوی نیستند. اما روند فیزیکی که به این قطب‌نمای سوزنی خاصیت آهنربایی می‌بخشد و همچنین تکه‌های آلیاژ نئودیمیوم اساسا یکسان‌اند. این قطب‌نما به نواحی میکروسکوپی به نام دامنه‌های مغناطیسی متکی است و این دامنه‌ها بخشی از ساختار فیزیکی مواد فرومغناطیسی چون آهن، کبالت و نیکل هستند. هر دامنه در اصل یک آهنربای مستقل و بسیار کوچک با قطب شمال و جنوب است. در یک ماده‌ی فرومغناطیسی که دارای خاصیت آهنربایی نشده، هر یک از قطب‌های شمال در جهات تصادفی و نامرتب قرار دارند. دامنه‌های مغناطیسی که در جهات مخالف یکدیگر هستند یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ بنابراین چنین موادی میدان مغناطیسی خالص ایجاد نمی‌کنند.

اما در آهنرباها اکثر یا تمام دامنه‌های مغناطیسی در یک جهت هستند؛ یعنی به‌جای این‌که یکدیگر را خنثی کنند، میدان‌های مغناطیسی میکروسکوپی ادغام می‌شوند و یک میدان مغناطیسی بزرگ‌تر ایجاد می‌کنند. میدان مغناطیسی هر دامنه از قطب شمال آن دامنه تا قطب جنوب دامنه‌ی بالایی‌ آن امتداد می‌یابد.

این روند روشن می‌کند که چرا نصف کردن یک آهنربا، به ما دو آهنربای دارای قطب شمال و جنوب می‌دهد و همچنین این موضوع نیز برای ما روشن می‌شود که چرا قطب‌های غیرهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. علت این است که خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال یک آهنربا خارج و طبیعتا وارد قطب جنوب دیگری می‌شود و یک آهنربای بزرگ‌تر ایجاد می‌کند. قطب‌های همنام نیز یکدیگر را دفع می‌کنند؛ چرا که خطوط نیروی میدان مغناطیسی‌شان در جهات مخالف حرکت می‌کنند و به‌جای این‌که در کنار هم حرکت کنند با یکدیگر برخورد می‌کنند.

 تمام کاری که برای ساخت یک آهنربا باید انجام دهید این است که کاری کنید تا دامنه‌های مغناطیسی یک تکه فلز همه در یک جهت باشند. وقتی یک آهنربا را روی یک سوزن مالش می‌دهید دقیقا همین اتفاق می‌افتد؛ یعنی قرار گرفتن در معرض یک میدان مغناطیسی باعث می‌شود که دامنه‌های مغناطیسی هم‌سو شوند. راه‌های دیگر برای هم‌سو کردن دامنه‌های مغناطیسی یک تکه فلز به این صورت‌اند:

• برای آن تکه فلز یک میدان مغناطیسی در جهت شمال‌-جنوب ایجاد کنید.
• آن فلز را را در امتداد شمال‌-جنوب نگه دارید و چندین بار با یک چکش روی آن بکوبید.
• یک جریان الکتریسیته را از آن عبور دهید.

دومورد از این روش‌ها (مورد یک و سه) در تئوری‌های علمی چگونگی شکل‌گیری آهنرباهای طبیعی نیز وجود دارند. برخی دانشمندان معتقدند که صاعقه به مگنتیت‌ برخورد کرد و باعث شد حالت مغناطیسی پیدا کند. اما بعضی دیگر اعتقاد دارند که وقتی زمین شکل گرفت، تکه‌هایی از مگنتیت تبدیل به آهنربا شدند. درآن زمان که اکسید آهن ذوب و انعطاف‌پذیر می‌شد، دامنه‌ها با میدان مغناطیسی زمین هم‌سو شدند.

رایج‌ترین شیوه‌ای که امروزه برای ساخت آهنربا وجود دارد، بدین شکل است که یک فلز را در میدان مغناطیسی قرار دهیم. این میدان، با وارد کردن گشتاور نیرو بر مواد، باعث می‌شود که دامنه‌های مغناطیسی هم‌سو شوند. فاصله‌ی زمانی اندکی بین استفاده از میدان مغناطیسی و تغییر در دامنه‌ها وجود دارد؛ یعنی کمی طول می‌کشد تا دامنه‌ها شروع به حرکت کردن و هم‌سو شدن کنند که به این پدیده پسماند می‌گویند. در این‌جا بیان می‌کنیم دقیقا چه اتفاقی می‌افتد:

• دامنه‌های مغناطیسی شروع به چرخیدن می‌کنند و این اتفاق به آنان این امکان را می‌دهد که در امتداد خطوط شمال‌-جنوب میدان مغناطیسی ردیف شوند.
• ‌دامنه‌هایی که در امتداد شمال‌-جنوب ردیف شده‌اند بزرگ‌تر و در عین حال دامنه‌های اطراف آن‌ها کوچک‌تر می‌شوند.
• ‌دیواره‌های میدان یا مرز‌های بین دامنه‌های همسایه گسترش می‌یابند تا فضای کافی برای رشد دامنه وجود داشته باشد. در میدان‌های مغناطیسی خیلی قوی بعضی دیواره‌ها کاملا ناپدید می‌شوند.

قدرت آهنربای به‌وجودآمده به میزان نیرویی که استفاده شده است تا دامنه‌ها را حرکت دهد، بستگی دارد. دوام یا خاصیت نگهداری مغناطیس آن نیز به درجه‌ی سختی روند هم‌سو کردن دامنه‌ها بستگی دارد. موادی که مغناطیسی کردنشان سخت است، عموما آن خاصیت مغناطیسی را برای مدت طولانی‌تری خواهند داشت؛ این در حالی است که موادی که به‌راحتی مغناطیسی می‌شوند، غالبا به حالت غیر مغناطیسی اولیه خود باز خواهند گشت.

با قرار دادن یک آهنربا در میدان مغناطیسی که دارای جهات مخالف و غیر همسو است، می‌توان قدرت مغناطیسی آن را کاهش داد یا حالت مغناطیسی آن را کاملا گرفت یا اصطلاحا آن را مغناطیس‌زدایی کرد. همچنین می‌توان با قرار دادن آهنربا در معرض گرمای بالاتر از نقطه‌ی کوری آن یا همان دمایی که باعث می‌شود آهنربا خاصیت مغناطیسی‌اش را از دست بدهد، آن را مغناطیس‌زدایی کرد. گرما شکل مواد را تغییر می‌دهد و ذرات مغناطیسی را تحریک می‌کند که باعث می‌شود دامنه‌ها از حالت هم‌سو بودن خارج شوند.

حالا وقت آن است که برویم به سراغ این موضوع که چرا آهنرباها و مواد مغناطیسی‌شده فقط برخی فلزات خاص را جذب می‌کنند.

اگر در مورد عملکرد آهنرباهایی مصنوعی چیزهایی خوانده باشید احتمالا می‌دانید که جریان الکتریکی که در طول یک سیم در جریان است یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند و حرکت بارهای الکتریکی باعث میدان مغناطیسی در آهنرباهای دائمی می‌شوند؛ اما میدان آهنرباها از یک جریان بزرگ موجود در یک سیم ناشی نمی‌شود؛ بلکه این حرکت الکترون‌ها است که باعث این میدان می‌شوند.

بسیاری از مردم تصور می‌کنند الکترون‌ها ذرات بسیار کوچکی هستند که دور هسته‌ی اتم می‌چرخند؛ درست همانطور که سیارات به دور خورشید گردش می‌کنند. با این حال حرکت الکترون‌ها کمی پیچیده‌تر از این است. اساسا، الکترون‌ها اوربیتال‌های یک اتم را پر می‌کنند و این الکترون‌ها هم ویژگی‌های ذره‌ای و هم ویژگی‌هایی موجی دارند. الکترون‌ها دارای بار الکتریکی منفی و جرم‌ هستند و حرکتی چرخشی به دور خود دارند؛ حرکتی به سمت بالا یا پایین که فیزیکدانان آن را اسپین می‌نامند.

به‌طور کلی، الکترون‌ها به‌صورت جفت، اوربیتال‌های اتم را پر می‌کنند. اگر یکی از این دو الکترون به سمت بالا بچرخد دیگری به سمت پایین می‌چرخد. برای الکترون‌ها غیر ممکن است که هردو در یک جهت بچرخند. این اصل را قاعده پاولی یا اصل طرد پاولی می‌نامند.

اگرچه الکترون‌های یک اتم چندان زیاد از یکدیگر دور نمی‌شوند؛ اما حرکتشان آن‌قدر هست که یک میدان مغناطیسی کوچک ایجاد کنند. از آن‌جایی که الکترون‌های جفت در جهات مخالف می‌چرخند، میدان‌های مغناطیسی آن‌ها یکدیگر را خنثی می‌کنند؛ ولی اتم‌های عناصر فرومغناطیس دارای چند الکترون هستند و به حالت جفت قرار ندارند و چرخششان به یک جهت است. به‌عنوان مثال، آهن چهار الکترون جفت‌نشده دارد که در یک جهت می‌چرخند. از آن‌جا که هیچ میدان مغناطیسی مخالفی برای این‌ها وجود ندارد تا تأثیرشان را خنثی کند، این الکترون‌ها دارای گشتاور دوقطبی مغناطیسی هستند. گشتاور دوقطبی مغناطیسی یک مدار و دارای بزرگی و جهت مختص خود است. این گشتاور هم به قدرت میدان مغناطیسی و هم به گشتاور نیرویی که آن میدان وارد می‌کند مرتبط است. کل گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی یک آهنربا از گشتاور نیروی تمام اتم‌هایش ناشی می‌شود.

در فلزاتی چون آهن، این گشتاور دوقطبی مغناطیسی باعث می‌شود که اتم‌های نزدیک به هم، درامتداد خطوط میدان مغناطیسی شمال‌-جنوب یکسان هم‌سو شوند. آهن و دیگر مواد فرومغناطیس، کریستالی هستند. وقتی این مواد از حالت مذاب خودشان خنک می‌شوند، گروهی از اتم‌ها با چرخش مداری یکسان درون ساختار کریستال به صف می‌شوند و این باعث ایجاد دامنه‌های مغناطیسی که در بخش قبلی در مورد آن بحث کردیم می‌شود.

شاید دقت کرده باشید موادی که تبدیل به آهنرباهای بهتری می‌شوند، همان موادی هستند که آهنرباها جذبشان می‌کنند. به عبارت دیگر، همان ویژگی که یک ماده را به آهنربا تبدیل می‌کند باعث جذب مواد به آهنربا می‌شود. عناصر دیگر دیامغناطیس هستند؛ یعنی اتم‌های جفت‌نشده آنان میدانی ایجاد می‌کنند که به‌نحو ضعیفی یک آهنربا را دفع می‌کنند. یک سری از مواد هم نسبت به آهنربا اصلا واکنشی نشان نمی‌دهند.

بعد از این توضیحات در بخش بعدی نگاهی خواهیم انداخت به نیروهایی که به آهنرباها نسبت داده می‌شود و همچنین آن‌چه آهنرباها می‌توانند انجام دهند و آن‌چه قادر به انجام آن نیستند.

هر زمان که از کامپیوتر استفاده می‌کنید؛ یعنی دارید از آهنربا استفاده می‌کنید. هارد دیسک برای ذخیره‌ی داده‌ها به آهنربا متکی است و برخی مانیتورها برای نمایش تصاویر روی صفحه‌شان از آهنربا بهره می‌گیرند. حتی در زنگ در خانه‌تان از آهنربای مصنوعی استفاده شده است. آهنربا در اسپیکر‌ها، میکروفون‌ها، ژنراتورها، تلویزیون‌های سی‌آر‌تی، موتورهای الکتریکی، نوارکاست‌ها، قطب‌نماها و در کیلومترشمار اتومبیل‌ها نقش حیاتی ایفا می‌کند.

علاوه بر این استفاده‌ی گسترده‌، آهنرباها ویژگی‌ها و خواص فوق‌العاده‌ی بی‌شماری هم دارند. آن‌ها می‌توانند جریان الکتریکی موجود در یک سیم را کاهش دهند. آهنربایی که به‌اندازه کافی قوی باشد، می‌تواند اشیاء کوچک یا حتی حیوانات کوچک را از زمین بلند کند. قطارهای مگلو با بهره‌گیری از نیروی الکترومغناطیسی می‌توانند با سرعت بسیار بالایی (تا بیش از ۵۰۰ کیلومتر در ساعت) حرکت کنند. سیال‌های مغناطیسی کمک می‌کنند که موتور موشک‌ها را با سوخت پر کنیم. میدان مغناطیسی زمین که آن را مگنتوسفر می‌نامند، از زمین در برابر طوفان‌های خورشیدی محافظت می‌کند.

آهنرباها در پزشکی نیز کاربرد دارند. دستگاه‌های MRI از میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌کنند تا برای پزشکان این امکان را فراهم کنند که اعضای درونی بدن بیمار را بررسی کنند. همچنین پزشکان از میدان‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌کنند تا استخوان‌های شکسته‌ای را که به‌خوبی جوش نخورده‌اند درمان کنند.

آهنرباها می‌توانند از سلامت حیوانات نیز محافظت کنند. گاوها در معرض بیماری جسم خارجی قرار دارند که از بلعیدن اشیاء فلزی ناشی می‌شود. بلعیدن اشیاء می‌تواند معده‌ی گاو را سوراخ کند و به دیافراگم و قلبش نیز صدمه برساند. آهنرباها برای جلوگیری از این شرایط بسیار سودمندند. یک راه حل این است که یک آهنربا را از غذای گاو عبور دهیم تا اگر شیء فلزی در غذا وجود داشت توسط آهنربا جذب شود. راه حل دیگر این است که آهنربا به گاوها بخورانیم. آهنرباهای آلکینو باریک و بلند که به‌عنوان آهنربای گاوی شناخته می‌شود می‌تواند تکه‌های فلزی را جذب کنند و باعث جلوگیری از آسیب رساندن آنان به معده گاو شوند. این آهنرباهای خورده‌شده می‌توانند باعث جلوگیری از آسیب دیدن گاو شوند؛ اما باز هم بهتر است که غذای گاوها را در جایی عاری از اشیاء فلزی قرار دهیم و مراقب ایمنی غذای آن‌ها باشیم. قورت دادن آهنربا به گاو‌ها آسیبی نمی‌رساند؛ اما این پدیده برای انسان‌ صدق نمی‌کند. اگر انسان‌ آهنرباهایی را ببلعد، در دیواره‌های روده‌شان به یکدیگر می‌چسبند و جلوی جریان خون را می‌گیرند و باعث مرگ بافت‌ها می‌شوند. خارج کردن آهنربا از بدن انسان‌ به عمل جراحی نیاز دارد.

برخی مردم از استفاده از مغناطیس درمانی برای درمان طیف وسیعی از بیماری‌ها حمایت می‌کنند. بر اساس نظر پزشکان، دستبند‌ها، گردنبندها، تشک‌ها و بالشت‌های مغناطیسی می‌توانند بسیاری از بیماری‌ها را از آرتروز گرفته تا سرطان درمان کنند یا بهبود بخشند. برخی می‌گویند که مصرف آب آشامیدنی مغناطیسی‌شده می‌تواند بسیاری از بیماری‌ها را درمان یا از آنان پیشگیری کند. آمریکایی‌ها تقریبا هر ساله پانصد میلیون دلار صرف مغناطیس درمانی می‌کنند و مردم سرتاسر جهان حدود ۵ میلیارد دلار به این امر اختصاص می‌دهند.

حامیان این موارد توضیحاتی در مورد این‌که چگونه این امر اتفاق می‌افتد ارائه می‌کنند. یکی از این توضیحات است که آهنربا آهن موجود در هموگلوبین خون را جذب می‌کند و بدین ترتیب باعث بهبود گردش خون به نواحی خاصی از بدن می‌شوند. توضیح دیگر این است که میدان مغناطیسی به‌نحوی باعث تغییر ساختار سلول‌های اطراف می‌شود؛ البته یافته‌های علمی تأیید نکرده‌اند که استفاده از آهنرباهای ایستا تأثیری بر درد یا بیماری داشته است. به‌علاوه آب آشامیدنی عموما عناصری ندارد که بتوان آن‌ها را مغناطیسی کرد و این باعث می‌شود در مورد آب آشامیدنی مغناطیسی‌شده تردید کنیم.

برخی دیگر پیشنهاد می‌کنند که از آهن‌با برای کاهش سختی آب در منازل استفاده کنیم. طبق آن‌‌چه برخی تولیدکنندگان می‌گویند، آهنرباهای بزرگ می‌توانند سطح سختی آب را با حذف مواد معدنی فرومغناطیس کاهش دهند؛ هرچند  مواد معنی که باعث سختی آب می‌شوند عموما فرومغناطیس نیستند!

به‌طور کلی اگرچه آهنرباها دردهای شدید را بهبود نمی‌بخشند و باعث درمان سرطان نمی‌شوند؛ ولی مطالعه و تحقیق در موردشان هنوز هم جذابیت خاص خودش را دارد!