بررسی خواص شگفت انگیز آهنرباها

خواص آهنربا چیست؟ آهنرباها اجسام خارق العاده ای هستند. آنها می توانند چیزهای دیگر را بدون دست زدن به آنها فشار دهند یا بکشند! مردم در موردآهنرباهابرای هزاران سال. در یونان باستان، مردم صخره های قابل توجهی به نام لودستون یافتند که مانند آهنربا عمل می کردند. سنگ‌ها می‌توانند به سمت شمال و جنوب بچرخند و در کنار میدان مغناطیسی زمین قرار بگیرند.

امروزه آهن ربا در بسیاری از مواردی که ما هر روز استفاده می کنیم استفاده می شود. هنوز چیزهای بیشتری در مورد خواص آهنرباها و چگونگی استفاده از آنها وجود دارد.

مواد مغناطیسی

همه چیز در جهان نوعی مغناطیس را نشان می دهد. اما قدرت مغناطیس بین چیزها بسیار متفاوت است. بر اساس خواص آهنربا، ما پنج گروه بزرگ داریم: فرومغناطیسی، پارامغناطیس، دیامغناطیسی، فرومغناطیسی و ضد فرومغناطیسی.

چیزهای فرومغناطیسی مانند آهن، کبالت و نیکل قوی ترین مغناطیس را نشان می دهند. ساختار کوچک آنها می تواند کشش قوی آنها را به سمت میدان های مغناطیسی توضیح دهد. اتم های موجود در چیزهای فرومغناطیسی دارای الکترون های بی همتا هستند که در مناطقی به نام حوزه های مغناطیسی در یک جهت قرار می گیرند. این اشاره به همان جهت باعث افزایش میدان مغناطیسی و ایجاد یک آهنربای دائمی می شود.

چیزهای پارامغناطیس مانند آلومینیوم و پلاتین نیز به سمت میدان های مغناطیسی کشیده می شوند، اما نیرو بسیار ضعیف تر از چیزهای فرومغناطیسی است. الکترون های بی همتا در اتم های پارامغناطیس در جهت میدان اعمال شده قرار می گیرند اما پس از حذف میدان هیچ مغناطیسی را حفظ نمی کنند.

چیزهای دیامغناطیسی مانند مس و طلا فشار ضعیفی را از میدان های مغناطیسی نشان می دهند. هنگامی که اتم های آنها در یک میدان خارجی قرار می گیرند، یک میدان مغناطیسی القایی در جهت مخالف ایجاد می کنند. با این حال، آنها هیچ دوقطبی اتمی دائمی ندارند.

چیزهای فری مغناطیسی نظم مغناطیسی پیچیده ای را نشان می دهند که در آن الکترون های بی همتای اتم ها در شبکه های مختلف با یکدیگر مخالف هستند، مانند ضد فرومغناطیس ها. اما آهنرباهای فریم مغناطیسی دائمی را حفظ می کنند زیرا الکترون های متضاد بی همتا نابرابر هستند. فریت هایی مانند مگنتیت چیزهای فرومغناطیسی روزمره هستند.

جدول 1: مواد مغناطیسی

دامنه های مغناطیسی

تمام موادی که فرومغناطیسی هستند دارای آهنرباهای کوچکی هستند که دوقطبی اتمی نامیده می شوند. این آهن‌رباهای کوچک معمولاً در جهت‌های تصادفی اشاره می‌کنند، بنابراین یکدیگر را خنثی می‌کنند. این بدان معناست که وقتی ماده به تنهایی رها شود، هیچ مغناطیسی کلی ندارد. اما هنگامی که مواد مغناطیسی می شوند، آهنرباهای ریز داخل صف می کشند!

مغناطش زمانی اتفاق می‌افتد که گروه‌هایی از اتم‌ها به نام حوزه‌های مغناطیسی، آهنرباهای ریز خود را به همان سمتی نشان دهند. آهنرباهای کوچک در داخل هر حوزه به هم اشاره دارند زیرا به شدت به هم متصل هستند. اما حوزه های مختلف قبل از اینکه مغناطیسی اتفاق بیفتد در جهت های تصادفی اشاره می کنند.

نیروهای خارجی مانند میدان‌های مغناطیسی می‌توانند باعث رشد دامنه‌ها و ردیف کردن آهن‌رباهای کوچکشان شوند. این یک آهنربای دائمی می سازد. گرم کردن یک ماده همچنین به آهنرباهای ریز برای حرکت در اطراف انرژی می دهد. این به دامنه ها اجازه می دهد آهنرباهای کوچک خود را ردیف کنند.

سایر مواردی که بر نحوه چیدمان دامنه های آهنرباهای کوچک تأثیر می گذارد عبارتند از تنش، مرزهای دانه، ناخالصی ها و میدان های مغناطیسی زدایی. قدرت یک آهنربا به این بستگی دارد که چند حوزه آهنرباهای ریز خود را در یک راستا قرار می دهند و چقدر در برابر نیروهای خارجی که سعی در خراب کردن آنها دارند مقاومت می کنند.

میدانهای مغناطیسی

آهنرباها مناطق نامرئی در اطراف خود ایجاد می کنند که میدان مغناطیسی نامیده می شود. شار مغناطیسی فضای اطراف آهنربا است که می توانید نیروی آن را احساس کنید. برای دیدن شار مغناطیسی خطوط میدان مغناطیسی را رسم می کنیم. خطوط بیشتر به معنای میدان مغناطیسی قوی تر است. خطوط از قطب شمال آهنربا خارج شده و به سمت قطب جنوب آن منحنی می شوند.

میدان‌های مغناطیسی زمانی اتفاق می‌افتند که بارهای الکتریکی کوچک در اطراف حرکت می‌کنند. در داخل اتم ها، الکترون ها می چرخند و در مدارها می چرخند. هر اتم یک آهنربای کوچک با قطب شمال و جنوب خود است. در مواد مغناطیسی، آهنرباهای ریز در حوزه‌ها در یک ردیف قرار می‌گیرند. این همه میدان های مغناطیسی آنها را با هم ترکیب می کند تا یک میدان مغناطیسی بزرگ ایجاد کند که به یک طرف اشاره می کند. اینگونه است که آهنرباهای دائمی چنین میدان های مغناطیسی قوی را بدست می آورند.

میدان مغناطیسی نامرئی قوی تر و نزدیک تر به آهنربا است. هرچه دورتر می شوید ضعیف تر می شود. آهنرباهای کوچکتر میدان مغناطیسی کوچکتر و ضعیف تری دارند. آهنرباهای بزرگتر میدان مغناطیسی بزرگتر و قوی تری دارند.

قطب های مغناطیسی

آهنرباها دارای قطب شمال و جنوب هستند. اینها مناطقی هستند که در آن نیروی مغناطیسی قوی ترین است. قطب های مخالف یکدیگر را جذب می کنند. قطب شمال و جنوب به هم می چسبند. همان قطب ها از یکدیگر دور می شوند. دو قطب شمال یا دو قطب جنوب دفع و از هم جدا می شوند.

این به دلیل جریان خطوط میدان مغناطیسی نامرئی است. خطوط از قطب شمال به قطب جنوب داخل آهنربا می روند. در سطح اتمی، هر آهنربای ریز درون خود دارای خطوط میدان مغناطیسی است که از شمال به جنوب جریان دارند. در یک آهنربا، تمام آهنرباهای ریز میدان های مغناطیسی خود را ردیف می کنند.

آهنرباهای دائمی

در حالی که برخی از مواد مانند آهن به طور طبیعی مغناطیسی هستند، آهنرباهای دائمی اغلب به طور مصنوعی توسط مغناطیسی تولید می شوند. آهن، نیکل، کبالت یا آلیاژها معمولا بهترین آهنرباهای دائمی را می سازند.

مغناطیس کردن شامل قرار دادن مواد در معرض یک میدان مغناطیسی خارجی قوی از یک آهنربای الکتریکی یا آهنربای دائمی دیگر است. این باعث می شود که حوزه های مغناطیسی رشد کرده و با میدان خارجی هماهنگ شوند و یک آهنربای دائمی قوی تولید کنند. آهنرباهای سخت در برابر مغناطیس زدایی مقاومت می کنند، در حالی که آهنرباهای نرم مغناطیس خود را راحت تر از دست می دهند.

قدرت یک آهنربای دائمی با نیروی اجباری آن، شدت میدان مورد نیاز برای مغناطیس زدایی آن مرتبط است. مواد اجباری بالا می توانند آهنرباهای دائمی قدرتمندی بسازند، اما در ابتدا مغناطیسی شدن چالش برانگیزتر است. حداکثر چگالی شار مغناطیسی یا مغناطیس اشباع و مغناطش باقیمانده نیز بر قدرت آهنربا تأثیر می گذارد.

الکترومغناطیس

علاوه بر آهنرباهای دائمی، الکترومغناطیس ها از جریان های الکتریکی برای القای مغناطیس موقت استفاده می کنند. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم پیچ خورده عبور می کند، میدان مغناطیسی موازی با محور سیم پیچ ایجاد می کند. قدرت میدان با حلقه های بیشتر و جریان بیشتر افزایش می یابد.

مواد داخل کویل نیز مهم است. آهن نرم میدان مغناطیسی را قوی تر می کند. آهن می تواند یک آهنربای الکتریکی را 100 برابر بیشتر کند. اما آهن همچنین سرعت واکنش آهنربا را کاهش می دهد.

الکترومغناطیس ها برای اینکه مغناطیسی بمانند به قدرت نیاز دارند. آهنرباهای دائمی اینطور نیستند. اما آهنرباهای الکتریکی می توانند به سرعت روشن و خاموش شوند. قدرت آنها نیز می تواند فوراً تغییر کند. این باعث می شود آنها برای بلند کردن آهن سنگین و اسکن های MRI که نیاز به تغییر میدان های مغناطیسی دارند مناسب باشند.

قدرت مغناطیسی و ممان مغناطیسی

میزان مغناطیسی بودن چیزی بستگی به میزان مغناطیس در نزدیکی میدان مغناطیسی دارد. اینکه چقدر با میدان مغناطیسی در یک راستا قرار می گیرد، گشتاور مغناطیسی نامیده می شود. این بستگی به بلوک‌های سازنده کوچک ماده به نام اتم دارد، عمدتاً الکترون‌هایی که به تنهایی و جفت نیستند. اینها مانند آهنرباهای کوچک عمل می کنند.

یک آهنربای قوی می تواند نیروی مغناطیسی زیادی را که از آن عبور می کند نگه دارد. به این حالت مغناطیسی اشباع می گویند. یک آهنربای قوی وقتی میدان خارجی ناپدید می شود، مقدار بیشتری از مغناطیس خود را حفظ می کند. به این می گویند ماندگاری. مغناطیس ناشی از چرخش و چرخش الکترون ها به دور آن است. بنابراین قوانین کوچک فیزیک کوانتومی قدرت مغناطیسی را کنترل می کنند.

خواص مغناطیسی

چندین ویژگی اساسی آهنرباها به توصیف عملکرد مغناطیسی کمک می کند:

● مغناطیس اشباع: حداکثر چگالی شار مغناطیسی ممکن که یک ماده می تواند در میدان اعمالی ایجاد کند. در تسلاس اندازه گیری شد.

● Remanence: مغناطش باقی مانده هنگام حذف میدان رانندگی. چقدر مغناطیس باقی مانده است؟

● اجباری: قدرت میدان مغناطیسی معکوس مورد نیاز برای مغناطیسی زدایی مواد به صفر. در برابر مغناطیس زدایی مقاومت می کند.

● نفوذپذیری: قابلیت پشتیبانی از تشکیل میدان مغناطیسی در درون خود. نفوذپذیری بالا شار مغناطیسی را متمرکز می کند.

● هیسترزیس: تمایل به حفظ مغناطیس تحمیلی. مواد با هیسترزیس قابل توجه آهنرباهای دائمی موثری را می سازند.

بهینه‌سازی این خواص آهن‌رباها در انتخاب مواد مغناطیسی مناسب برای یک کاربرد معین، خواه دستیابی به بالاترین قدرت میدان دائمی یا به حداکثر رساندن تغییرات شار برگشت‌پذیر، ضروری است.

هیسترزیس مغناطیسی

آهنرباها می توانند به روش های هیجان انگیز عمل کنند! آهنرباها پدیده ای به نام هیسترزیس را نشان می دهند. هر بار که میدان مغناطیسی خارجی را چرخانده اید، مغناطش آنها مسیر متفاوتی را دنبال می کند. مسیر دقیق به سابقه مغناطیسی قبلی آهنربا بستگی دارد.

شما می توانید این را زمانی ببینید که چگونه چگالی شار مغناطیسی B با تغییر میدان مغناطیسی اعمال شده H تغییر می کند. این طرح یک حلقه به نام حلقه پسماند ایجاد می کند.

در ابتدا، نواحی مغناطیسی ریز در آهنربا که دامنه نامیده می شوند، با افزایش H به آرامی در یک راستا قرار می گیرند. هنگامی که همه آنها در یک ردیف قرار می گیرند، افزایش بیشتر در H دیگر تغییر B نمی کند. سپس، وقتی H را کاهش می دهید، B منحنی متفاوتی را دنبال می کند. وقتی H صفر باشد، مقداری مغناطیس از حوزه های تراز شده باقی می ماند. باید یک میدان مغناطیسی در جهت مخالف اعمال کنید تا مغناطش به صفر برگردد.

ناحیه داخل حلقه هیسترزیس انرژی از دست رفته را با تغییر دامنه ها در هر چرخه نشان می دهد. آهنرباهای سخت دارای حلقه های گسترده و تلفات انرژی قابل توجهی هستند. شکل حلقه همچنین به شما در مورد خواص آهنربا می گوید، مانند اینکه چقدر آهنربا می ماند و چقدر سخت است که مغناطیسی زدایی شود.

اثرات دما

انرژی گرمایی می تواند بر رفتار آهنرباها تأثیر بگذارد! با افزایش دما، نواحی مغناطیسی ریز در یک آهنربا به نام دامنه‌ها توسط انرژی گرمایی به اطراف تکان می‌خورند. این باعث می شود مغناطش کاهش یابد. در دمای کوری بالا، انرژی گرمایی نظم مغناطیسی را به هم می زند و مغناطیس دائمی به طور کامل ناپدید می شود.

اینکه چقدر آهنربا به راحتی خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد به دمای کوری آن بستگی دارد. بالاترین دمای کوری در بین هر عنصر خالص، آهن با 1043 کلوین است. افزودن موادی مانند نیکل و کبالت برای ساخت آلیاژها، نقطه کوری را بالاتر می برد. آهنرباهای دائمی مقاوم در برابر حرارت به شما امکان می دهند از آهنربا در کاربردهایی مانند ژنراتور و موتور استفاده کنید.

آهنرباهای خنک کننده در زیر نقطه کوری باعث می شود که مغناطش دوباره بالا برود. الکترومغناطیس‌های ابررسانا فقط در دماهای سرد کار می‌کنند که مقاومت الکتریکی برای ایجاد میدان‌های مغناطیسی قدرتمند و پایدار از بین می‌رود.

جدول 2: اثرات دما بر مغناطیس

کاربردهای مغناطیسی

آهنرباها ابزار همه کاره ای هستند که در سراسر صنعت در کاربردهایی مانند:

● موتورها - موتورهای الکتریکی چرخان متکی به آهنرباهایی هستند که از طریق القای الکترومغناطیسی بین انرژی مکانیکی و الکتریکی تبدیل می شوند. موتورهای کوچک دستگاه ها را از فن ها به هارد دیسک ها هدایت می کنند.

● ژنراتورها - ژنراتورهای توربین با چرخاندن آهنرباها در نزدیکی سیم پیچ ها، الکتریسیته تولید می کنند و جریان جریان را القا می کنند.

● ذخیره سازی مغناطیسی - درایوهای دیسک سخت با چرخاندن مغناطش دامنه های کوچک روی یک دیسک فرومغناطیسی، داده ها را می نویسند.

● Levitation - قطارهای Maglev از آهن ربا برای شناور شدن در بالای مسیر استفاده می کنند و اصطکاک را برای سفری بی صدا و صاف از بین می برند.

● دستگاه های پزشکی - دستگاه های MRI از آهنرباهای ابررسانای قوی برای تشخیص تغییرات میدان مغناطیسی بدن برای تصویربرداری تشخیصی استفاده می کنند.

● تحقیق - طیف سنج های جرمی ذرات باردار را با میدان های مغناطیسی خم می کنند تا جرم و ساختار شیمیایی آنها را تعیین کنند.

● انرژی های تجدیدپذیر - یاتاقان های مغناطیسی چرخ های لنگر را تثبیت می کنند و انرژی جنبشی برداشت شده از باد یا منابع خورشیدی را ذخیره می کنند.

شناور شدن مغناطیسی

شناور مغناطیسی یا maglev از آهنربا برای شناور کردن اشیا استفاده می کند! آهنرباها از یکدیگر دور می شوند. اما راه‌اندازی‌های منحصربه‌فرد آهنربا می‌توانند شناور پایدار را ایجاد کنند.

قطارهای سریع مگلو در حال حاضر در آسیا و اروپا حرکت می کنند. شناور شدن در بالای مسیر به معنای عدم اصطکاک چرخ ها است، به طوری که قطارهای مگلو می توانند بیش از 600 کیلومتر در ساعت حرکت کنند! بدون چرخ و یاتاقان، آنها برای افزایش سرعت و توقف آرام تر و نرم تر هستند. آنها همچنین انرژی کمتری نسبت به قطارهای معمولی مصرف می کنند.

Maglev برای چیزی بیش از قطار معتبر است! این می تواند به پرتاب فضاپیما، ساخت شتاب دهنده های ذرات، ایجاد یاتاقان های بدون اصطکاک و توقف ارتعاش در ساختمان ها کمک کند. مهندسان همچنان در حال بهبود آهنرباهای فوق قوی هستند. این ممکن است به قطارهای Maglev اجازه دهد کل شهرها را در آینده به هم متصل کنند.

افزودن اطلاعات بیشتر در مورد نحوه عملکرد maglev، استفاده در دنیای واقعی و احتمالات آینده، این مفهوم پیشرفته را به سادگی توضیح می دهد. دانش آموزان جوان می توانند قطارهای شناور را از طریق نیروهای آهنربایی بدون اصطکاک درک کنند و کاربردهای دیگر این فناوری جالب را تصور کنند.

نتیجه

آهنرباها از آهنرباهای کوچک یخچال گرفته تا آهنرباهای مایل که نیرو راکتورهای همجوشی را تامین می کنند، در زندگی روزمره ما بسیار ارزشمند هستند. درک خواص منحصر به فرد آهنرباها به کشفیات منجر به کاربردهای جدید ادامه می دهد. نواحی پیشرفته مانند اسپینترونیک و تک قطبی های مغناطیسی امکاناتی برای نسل بعدی الکترونیک و حتی کامپیوترهای کوانتومی دارند.

با توجه به اینکه هنوز اطلاعات زیادی در مورد پایه های کوانتومی مغناطیس وجود ندارد، تحقیقات بیشتر پتانسیل فوق العاده آنها را آشکار خواهد کرد. چیزهای بیشتری برای کشف در مورد خواص آهنرباها وجود دارد که ما را قادر به دستیابی به آن می کند.

سوالات متداول در مورد خواص آهنربا

واحدهای شدت میدان مغناطیسی چیست؟

قدرت میدان مغناطیسی بر حسب آمپر بر متر (A/m) یا تسلا (T) اندازه‌گیری می‌شود. یک تسلا برابر است با یک نیوتن در هر آمپر متر. قدرت میدان مغناطیسی زمین در حدود 0.5 گاوس یا 50 میکروتسلا است.

چگونه شار مغناطیسی را محاسبه می کنید؟

شار مغناطیسی از طریق یک سطح با ضرب قدرت میدان مغناطیسی، مساحت عمود بر و کسینوس زاویه محاسبه می شود.

چه موادی در آهنرباهای ابررسانا استفاده می شود؟

آهنرباهای ابررسانا معمولاً از ابررساناهایی مانند سیم پیچ های نیوبیم-تیتانیوم یا نیوبیم-قلع که توسط هلیوم مایع خنک می شوند استفاده می کنند. ابررساناهای جدیدتر با دمای بالا، نیازهای خنک‌کننده کمتری را برای قدرت میدان بالا فراهم می‌کنند.

توضیحات متا

دنیای جذاب آهنرباها را کاوش کنید. در مورد مواد، حوزه ها، میدان ها و سایر خواص آهنربا بیاموزید!