كيف تعمل المغناطيسات؟ الأقطاب والإلكترونات والحديد
يعود المغناطيس إلى الإلكترونات، بحسب المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي (National High Magnetic Field Laboratory، أو MagLab). لكل مغناطيس قطب شمالي وقطب جنوبي، والأقطاب المتخالفة تتجاذب، والأقطاب المتشابهة تتنافر.
1. ما يشترك فيه كل مغناطيس
يورد MagLab بضع خصائص مشتركة بين كل المغناطيسات:
- لكل مغناطيس قطب شمالي وقطب جنوبي.
- الأقطاب المتخالفة تتجاذب، والمتشابهة تتنافر. الشمال يجذب الجنوب؛ والشمال يدفع الشمال بعيدًا.
- يحيط بكل مغناطيس مجال مغناطيسي. وبحسب الاصطلاح، تتجه خطوط المجال بعيدًا عن القطب الشمالي ونحو القطب الجنوبي.
الأرض نفسها مغناطيس عملاق. يوضح MagLab أن العلماء يعتقدون أن المجال المغناطيسي للأرض ينشأ من تيارات الحمل الحراري في اللب الخارجي السائل للكوكب، وهو مكوّن في معظمه من الحديد. ويسمى هذا الدينامو الجيولوجي (geodynamo).
2. كل شيء يعود إلى الإلكترونات
بحسب MagLab، تعود المغناطيسية كلها إلى الإلكترونات بإحدى طريقتين:
- إلكترونات متحركة. التيار الكهربائي، وهو تدفق الإلكترونات عبر سلك، يولّد دائمًا مجالًا مغناطيسيًا. وهكذا تعمل المغناطيسات الكهربائية.
- إلكترونات دائرة حول نفسها. في المغناطيسات الدائمة كالتي على ثلاجتك، تنشأ المغناطيسية من لف (سبين) الإلكترونات. يتصرف كل إلكترون كمغناطيس صغير له قطب شمالي وجنوبي خاص به، ويمكن لمحوره أن يشير في أحد اتجاهين ممكنين.
3. لماذا ليست معظم الأشياء مغناطيسية
إذا كان كل إلكترون مغناطيسًا صغيرًا، فلماذا لا يكون كل شيء مغناطيسيًا؟
يوضح MagLab أن الذرات في معظم المواد مرتبة بحيث يلغي التوجه المغناطيسي لإلكترون توجه إلكترون آخر. فكل تلك المغناطيسات الصغيرة تشير في اتجاهات متعاكسة، وتتجمع آثارها إلى لا شيء يمكن ملاحظته.
4. ما الذي يميّز الحديد: النطاقات المغناطيسية
الحديد وبضع مواد أخرى مختلفة. تتجمع ذراتها في مناطق صغيرة تُسمى النطاقات المغناطيسية (magnetic domains). داخل كل نطاق تشترك الإلكترونات في التوجه المغناطيسي نفسه.
فلماذا لا يكون مسمار الحديد العادي مغناطيسًا؟ لأن النطاقات نفسها تشير في اتجاهات مختلفة، فتلغي بعضها بعضًا في المجمل.
ضع المسمار في مجال مغناطيسي فتبدأ النطاقات بالاصطفاف في الاتجاه نفسه. يصف MagLab النتيجة ببساطة: المغناطيس الدائم جسم تكون جميع نطاقاته مصطفة في الاتجاه نفسه.
تسمى المواد التي تتصرف هكذا فيرومغناطيسية (ferromagnetic). يلاحظ MagLab أن أربعة عناصر فقط فيرومغناطيسية في درجة حرارة الغرفة ويمكن ممغنطتها بصفة دائمة: الحديد والنيكل والكوبالت والغادولينيوم. وعنصر خامس هو الديسبروسيوم يصبح فيرومغناطيسيًا في درجات الحرارة المنخفضة فقط. الألمنيوم ليس في هذه القائمة، ولهذا ينزلق المغناطيس عن علبة مشروب غازي من الألمنيوم. أما باب الثلاجة فهو من المغناطيسات المؤقتة اليومية التي يذكرها MagLab في نشاطه الصفي.
5. المغناطيسات الدائمة مقابل المؤقتة
المغناطيسات الدائمة تحتفظ بمغناطيسيتها دون أي طاقة. لا يمكنك إيقافها. ويسمي MagLab المغناطيسات الخزفية والألنيكو (alnico)، وهو سبيكة من الألمنيوم والنيكل والكوبالت، نوعين شائعين.
المغناطيسات المؤقتة تتصرف كمغناطيس فقط وهي داخل مجال مغناطيسي. الحديد الطري يتصرف هكذا، ويلاحظ MagLab أن هذا سبب استخدامه مغناطيسًا مؤقتًا في أجهزة مثل الهواتف والمحركات الكهربائية.
يمكنك رؤية ذلك بمشابك الورق. في نشاط صفي لدى MagLab، يصبح مشبك ورق يلامس مغناطيسًا مغناطيسًا بنفسه ويمكنه حمل مشبك ثانٍ. أبعد المشبكين برفق وسيبقيان ملتصقين ببعضهما لبعض الوقت لأن إلكتروناتهما ما زالت منظمة. أما إذا أسقطتهما على الطاولة فإن الصدمة تبعثر هذا الترتيب، فيضيع المغناطيس.
6. كيف تفقد المغناطيسات قوتها
«دائم» لا تعني إلى الأبد. يصف MagLab طريقتين رئيسيتين لإزالة مغناطيسية المغناطيس:
- الحرارة. إضافة الحرارة تضيف طاقة تخل بالاصطفاف. وتسمى درجة الحرارة التي لا يعود المغناطيس عندها قادرًا على الاحتفاظ بمجاله نقطة كوري (Curie point).
- الصدمة. ضربة قوية، كضربة المطرقة، قد تُخرج النطاقات المصطفة عن اصطفافها.
تعتمد مدة بقاء المغناطيس على مادته. يلاحظ MagLab أن الحديد النقي يبقى ممغنطًا بضع دقائق فقط، بينما تحتفظ كثير من سبائك الحديد بمغناطيسيتها مدة أطول بكثير.
7. المغناطيسات الكهربائية: مغناطيسات لها مفتاح تشغيل
في عام 1819 لاحظ هانس كريستيان أورستد (Hans Christian Ørsted) أن إبرة بوصلة تدور عندما تكون قرب سلك يحمل تيارًا. ويشرح MagLab السبب: التيار يولّد دائمًا مجالًا مغناطيسيًا يدور حول السلك.
السلك المستقيم الواحد يصنع مجالًا ضعيفًا. ويصف MagLab كيفية تقويته:
- لفّ السلك في ملف. لفّه في حلقات يجمع المجالات المنفصلة في مجال أقوى بكثير. ويسمى هذا الملف ملفًا لولبيًا (solenoid)، ويزداد مجاله بالتناسب مع عدد اللفات. عشر لفات تعطي نحو 10 أضعاف مجال لفة واحدة.
- أضف قلبًا حديديًا. تصطف نطاقات الحديد مع مجال الملف وتعززه بدرجة كبيرة دون استهلاك مزيد من الكهرباء.
- زد التيار. كلما زادت القدرة عبر الملف قوي المجال.
أوقف التيار فيختفي المجال.
8. ما قوة المغناطيس؟
يقيس العلماء شدة المجال المغناطيسي بوحدتي التسلا (tesla) والغاوس (gauss)، حيث 1 تسلا يساوي 10,000 غاوس. ويورد MagLab بعض المقارنات:
| المغناطيس | القوة التقريبية |
|---|---|
| المجال المغناطيسي للأرض | 0.5 غاوس (0.00005 تسلا) |
| مغناطيس ثلاجة نموذجي | 10 غاوس |
| أقوى المغناطيسات الدائمة | نحو 1.5 تسلا |
يمكن للمغناطيسات الكهربائية أن تبلغ قيمًا أعلى بكثير من المغناطيسات الدائمة، ولهذا تعتمد عليها مختبرات الأبحاث وأجهزة الرنين المغناطيسي (MRI) في المستشفيات.
9. أهم النقاط
- لكل مغناطيس قطب شمالي وجنوبي؛ الأقطاب المتخالفة تتجاذب والمتشابهة تتنافر.
- تنشأ المغناطيسية من الإلكترونات، إما متدفقة كتيار أو دائرة حول نفسها.
- في معظم المواد تلغي مغناطيسات الإلكترونات بعضها بعضًا؛ وفي الحديد وبضعة معادن أخرى تصطف في نطاقات.
- المغناطيس الدائم مادة تشير جميع نطاقاتها في الاتجاه نفسه؛ والحرارة أو الضربة القوية يمكن أن تبعثرها.
- المغناطيس الكهربائي ملف يحمل تيارًا، وغالبًا ذو قلب حديدي، ويتوقف عند انقطاع التيار.