>> مجموعه مقالات مربوط به فيزيك مغناطیس والکترومغناطیس <<

[Borna66]

اثر فاراده
اثر فاراده یا اثر مغناطیسی _ نوری یکی از ابتدائی‌ترین نشانه‌های بستگی درونی الکترومغناطیس و نور است. اعمال یک میدان مغناطیسی قوی در امتداد انتشار نور ، خطی که روی یک قطعه از شیشه فرود می‌آید، باعث چرخش صفحه ارتعاش آن می‌شود. این اثر حاکی از فعالیت نوری (خاصیتی از ماده که باعث می‌شود، میدان الکتریکی یک موج تخت خطی فرودی ، بچرخد) است، ولی بین این تمایز دو اثر وجود دارد.


تاریخچه
نخستین بار مایکل فاراده در سال 1224_1842 کشف کرد که شیوه انتشار نور در یک محیط مادی می‌تواند تحت تاثیر یک میدان خارجی قرار گیرد. وی دریافت که اعمال میدان مغناطیسی باعث چرخش صفحه ارتعاش می‌شود.

مدوله‌ساز فاراده
از هنگام کشف لیزر در اوایل دهه 1960 کوشش زیادی در جهت استفاده از پتانسیل عظیم نور لیزر به عنوان وسیله ارتباطاتی به عمل آمده است. یکی از اجرای تشکیل دهنده اساسی چنین ابزاری مدوله‌ساز است که عملکرد آن نشاندن اطلاعات برروی باریکه است. چنین ابزاری باید بتواند در سرعت‌های بالا و به شیوه‌ای نظام یافته ، به نحوی تغییر موج نوری را ایجاد کند.<br><br>مثلا ممکن است دامنه موج ، قطبش ، امتداد انتشار ، فاز ، یا فرکانس موج را به شیوه‌ای مربوط به سیگنالی که باید تراگسیلیده شود، تغییر دهد. به همین ترتیب اثر فاراده ، شالوده ممکن برای این مدوله‌ساز می‌تواند باشد. آشکار است که اگر قرار باشد دستگاهی از این نوع بطور موثر کار کند، هر واحد طول از محیط باید تاحد ممکن ، نور اندکی را بیاشامد و در همان حال باید تا حد ممکن به باریکه نور ، چرخش بیشتر دهد.

ثابت وردت
ثابت وردت مثبت متناظر است با یک ماده دیامغناطیس که برای آن در صورتی که نور موازی میدان اعمال شده (B) حرکت کند اثر فاراده l-گردان است. وقتی که در راستای پاد موازی با B انتشار می‌یابد، d –گردان است. ثابت وردت ضریبی است، که زاویه‌ای را که صفحه ارتعاشی در داخل آن می‌چرخد به میدان مغناطیس B و طول محیط d ربط می‌دهد. با تغییر بسامد دما تغییر می‌کند.<br><br>به فرض اگر میدان B بوسیله یک پیچه سیملوله‌ای در اطراف نمونه ایجاد شود، وقتی که ثابت وردت مثبت باشد صفحه ارتعاشی بدون توجه به امتداد انتشار باریکه ، در راستای محور پیچه در همان سویی می‌چرخد که جریان در پیچه شارش دارد. بنابراین می‌توان با چند بار بازتابش نور به جلو و عقب در درون نمونه این اثر را تقویت کرد.

کاربردها
این اثر برای تجزیه آمیزه‌های هیدروکربن‌ها استفاده می‌شود. زیرا هر کدام از اجزای تشکیل دهنده آن دارای چرخش مغناطیسی خاص خود است. به علاوه وقتی که این اثر در مطالعات طیف‌نمایی استفاده می‌شود، اطلاعاتی در مورد خواص حالت‌های انرژی بالای تراز زمینه بدست می‌دهد. اخیرا اثر فاراده کاربردهای حتی مهیج‌تر و امید‌ بخش‌تری نیز داشته است.

[Borna66]

اثر مایسنر
وقتی که یک ابر رسانا در یک میدان مغناطیسی سرد شود، در دمای گذار ، جریانهای ماندگار روی سطح به راه افتاده و به طریقی حرکت می‌‌کنند که شار مغناطیسی داخل نمونه را خنثی کنند. این درست به همان روشی است که پس از این که فلز را سرد کرده باشیم، یک میدان مغناطیسی به آن اعمال شود. این اثر یعنی این که یک ماده ابر رسانا حتی وقتی که در میدان مغناطیسی اعمال شده قرار گرفته باشد، دارای شار عبوری مغناطیسی در داخل نیست، اثر مایسنر نامیده می‌‌شود.


مقدمه
یک ماده رسانای کامل به صورت حلقه در نظر بگیرید. فرض کنید این نمونه در غیاب هر گونه میدان مغناطیسی ، مقاومت خود را از دست می‌‌دهد (نمونه را سرد می‌‌کنیم). حال یک میدان مغناطیسی اعمال می‌‌کنیم. چون چگالی شار مغناطیسی در فلز باید ثابت باشد و نیز چون در حالت قبل از اعمال میدان ، شار صفر بوده است، لذا باید بعد از اعمال میدان نیز شار صفر بماند. به چنین نمونه‌ای که در آن هیچ شار مغناطیسیی ، وقتی که میدان مغناطیسی اعمال می‌‌شود، وجود ندارد، دیامغناطیس کامل گفته می‌‌شود.

در سال 1923 مایسنر و اوشن فلد ، دو دانشمند آلمانی ، توزیع شار مغناطیسی را در خارج از فلزات قلع و سرب که در یک میدان مغناطیسی تا دمای گذار (دمایی که ماده تبدیل به ابر رسانا می‌شود) اندازه گیری کردند. لازم به ذکر است که در این حالت ، در حالت اول شار مغناطیسی در درون ماده وجود دارد، لذا اگر بعد از این که ماده به ابر رسانا تبدیل شد، میدان را حذف کنیم، باید باز هم شار مغناطیسی در داخل آن وجود داشته باشد، اما مایسنر و اوشن ملاحظه کردند که نمونه‌های مورد آزمایش با وجود این که در میدان مغناطیسی سرد شده بودند، در دمای گذارشان بطور آنی به یک دیامغناطیس کامل تبدیل شده و شار داخلی آنها حذف گردید.

بنابراین آنان دریافتند که ابر رسانا چیزی بیشتر از موادی که صرفا یک رسانای کامل هستند، می‌‌باشد. آنها خاصیت اضافی دیگری که یک فلز بدون مقاومت فاقد آن است، دارا هستند. یعنی در داخل یک فلز ابر رسانا همیشه میدان صفر است، در حالی که در داخل فلزی که بدون مقاومت است، ممکن است شار مغناطیسی موجود باشد، یا نباشد که بستگی به شرایط دارد.

فرق یک ابر رسانا و یک رسانای کامل از نظر مغناطیس شدگی
اگر فلزی را که فقط دارای مقاومت نیست، رسانای کامل بگوییم، @می‌‌توان گفت که مغناطیس شدگی یک رسانای کامل به ترتیبی که حالت نهایی میدان مغناطیسی و درجه حرارت اعمال شده به جسم بدست آید، بستگی خواهد داشت، اما مغناطیس شدگی یک ابر رسانا فقط به مقادیر میدان اعمال شده و درجه حرارت بستگی دارد و به ترتیبی که اندازه گرفته می‌‌شود، وابسته نیست.

دلیل صفر بودن شار در داخل ماده ابر رسانا
فرض کنید که یک نمونه در غیاب میدان مغناطیسی مقاومت الکتریکی خود را از دست می‌‌دهد و به ابر رسانا تبدیل می‌‌گردد. حال میدان مغناطیسی اعمال می‌‌شود. چون چگالی شار در فلز نمی‌‌تواند تغییر کند، پس باید شار حتی بعد از اعمال میدان نیز صفر باقی بماند. در حقیقت اعمال میدان مغناطیسی جریانهای القایی بدون مقاومتی را در روی سطح نمونه ایجاد می‌‌کند، طوری که چگالی شار مغناطیسی ایجاد شده توسط این جریانها دقیقا با چگالی شار میدان اعمال شده مساوی و مختلف‌الجهت است.

به دلیل میرا نبودن این جریانها ، چگالی شار خالص داخل فلز در سطح ، صفر باقی می‌‌ماند. به فرض اگر جریان سطحی را با i و چگالی شار مغناطیسی ایجاد شده از این جریان را با B_i و چگالی شار اعمال شده را با B_a نشان دهیم، چگالی شار B_i دقیقا چگالی شار B_a را در همه جا داخل فلز خنثی می‌‌کند. این جریانهای سطحی را جریان پوششی می‌‌گویند.

چگالی شار ایجاد شده توسط جریانهای ماندگار در مرزهای نمونه محو نمی‌‌شوند، اما خطوط شار حلقه‌های بسته‌ای را تشکیل می‌‌دهند که از طریق فضای خارج بر می‌‌گردند. با وجود این که چگالی این شار در داخل فلز همه جا با چگالی شار میدان اعمال شده ، مساوی و مختلف‌الجهت است، این شرایط در خارج فلز برقرار نیست. بنابراین به نظر می‌‌رسد که نمونه از ورود شار حاصل از میدان اعمال شده ، به درون خود جلوگیری می‌‌کند.
__________________

[Borna66]

مغناطیس سلطان میدان ها
مغناطيس و الكتريسيته تاريخي طولاني و درازي دارند. الكتريسيته و مغناطيس ابتدا در قرن هشتم قبل از ميلاد مورد توجه يونانيان باستان قرار گرفتند. مهمترين عاملي كه موجب جذب و توجه مردم به الكتريسيته ومغناطيس شد، دو ماده طبيعي كهربا و كاني مگنتيت(سنگ مغناطيس) بود. كهربا، شيره برخي از درختاني است كه چوب نرمي دارند؛ هنگامي كه اين شيره از درخت بيرون مي آيد، پس از مدتي سفت مي شود. اين جامد سفت كه رنگي بين قهوه اي و زرد دارد، كهرباست. و اگر كهربا را به پارچه اي بماليم، باردار شده و مي تواند تكه هاي برگ يا كاغذ را جذب كند.

سنگ مغناطيس، همان اكسيد آهن است؛ كه براده هاي آهن را جذب مي كند. سنگ هاي مغناطيسي مي توانند يكديگر را جذب كنند. و علت اين نامگذاري آنست كه اين سنگ در منطقه اي به نام "مگنزيا" يا "مغناطيس" براي نخستين بار كشف شد. كه به ماهيت اين سنگ، مغناطيس گفته مي شود. اگر يك تكه از اين سنگ ها را بر روي آب شناور كنيم، جهت آن در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرد. همين خاصيت سنگ مغناطيسي سبب شد كه در قرون گذشته دريانوردان از آن بعنوان جهت ياب استفاده كنند.

دموكريتوس، كه يكي از فلاسفه بزرگ باستان و بنيانگذار تئوري اتمي است، معتقد است كه ميان سنگ مغناطيسي جرياني از ذرات بسيار ريز به نام اتم وجود دارد. و در اين جريان هنگامي كه اتم به آهن يا سنگ مغناطيسي ديگر برخورد مي كند، در برگشت به سوي سنگ مناطيس، سبب مي شود كه آهن را به دنبال خود بكشاند. ويليام گيلبرت يكي از نخستين دانشمنداني است كه در زمينه مغناطيس دست به آزمايش ها و بررسي هاي اساسي كرد. او مشاهده كرد كه براده هاي آهن در اطراف سنگ مغناطيس در راستاي منظمي قرار مي گيرند. و همچنين سنگ مغناطيس در حالت آويزان يا حتي سوزن هاي آهني در حالت شناور در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرند. او چنين پنداشت كه علت اين امر آنست كه زمين يك سنگ مغناطيس بسيار بزرگيست كه اينگونه عمل مي كند. او براي اثبات نظريه خود، يك سنگ مغناطيس را به صورت يك كره بزرگ در آورد و سپس در اطراف و بر روي سطح اين كره، سنگ هاي مغناطيسي كوچك و براده هاي آهني قرار داد و مشاهده كرد كه اين براده ها در راستاي شمال-جنوب قرار مي گيرند.

قبل از اينكه به بحث در مورد خطوط و ميدان مغناطيسي آهنربا و زمين بپردازيم، لازم است كه به قطب هاي مغناطيسي و خاصيت آن اشاره اي كنيم.

در آهنربا يا همان سنگ مغناطيسي، دو ناحيه وجود دارد كه نسبت به ساير نقاط ديگر آهنربا، خاصيت جذب براده هاي آهن بيشتر و راستاي اين براده ها به سمت اين نواحي است. كه به اين دو ناحيه، قطب هاي مغناطيسي مي گويند. اگر آهنربا را شناور قرار دهيم، قطبي كه به سمت شمال است را قطب شمال يا شمال ياب، و قطب مقابل آن را قطب جنوب يا جنوب ياب مي گويند. پس هر ماده مغناطيسي از دو قطب شمال وجنوب تشكيل شده است. در مغناطيس مانند الكتريسيته، قطب هاي ناهمنام يكديگر را جذب و قطب هاي همنام يكديگر را دفع مي كنند. پس در خاصيت مغناطيسي، نيروي دفع وجذب نيز وجود دارد. آزمايش ها نشان مي دهد كه اگر در اطراف يك آهنربا، قطب نما يا سنگ هاي مغناطيسي كوچك قرار دهيم، نيروي حاصله از مغناطيس بر قطب هاي آن ها اثر گذاشته، به طوري كه قطب شمال قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا و بلعكس قرار مي گيرد. و اين نشان مي دهد، كه در نقاط اطراف آهنربا، نيرويي وجود دارد كه بر قطب هاي قطب نما وارد مي شود و آن را در راستاي مشخصي قرار مي دهد. كه به مجموعه اي از اين نيروها يا نقاط، ميدان مغناطيسي مي گويند. ميدان مغناطيسي اطراف آهنربا را توسط خطوطي نشان مي دهند كه اين خطوط قطب جنوب(s) را به قطب شمال(n) وصل مي كند. و جهت اين خطوط از شمال(n) به جنوب(s) است. خطوط ميدان مغناطيسي ويژگي هايي دارند كه عبارتند از:

1) خطوط همانطور كه قبلا گفته شد راستاو جهتشان از شمال به جنوب است.

2) خطوط يكديگر را قطع نمي كنند.

3) تراكم خطوط در نزديكي قطب ها بيشتر از نواحي ديگر است و اين نشان دهنده آن است كه نيروي مغناطيسي در اين نواحي زياد است.

4) برآيند نيروهاي مماس بر خطوط ميدان در يك نقطه برابر با نيروي مغناطيسي در آن نقطه است.

اكنون به سراغ علت تاثير نيروي مغناطيسي بر براده هاي آهن مي رويم. مي دانيم كه الكترون در ساختار تمام اجسام وجود دارد كه الكترون ها داراي دو قطب مغناطيسي مي باشند. بنابراين مي توان نتيجه گرفت كه تمام اجسام از ذراتي تشكيل شده اند كه داراي دو قطب مغناطيسي هستند كه به اين ذرات، دو قطبي مغناطيسي مي گويند و به موادي كه داراي دوقطبي مغناطيسي هستند، مواد مغناطيسي مي گويند. البته لزومي ندارد كه بگوييم اين دوقطبي ها همان الكترون ها هستند بلكه اين دوقطبي ها ذرات بنيادي مغناطيس هستند همانطور كه از الكترون بعنوان بار بنيادي در الكتريسيته ياد مي كنيم. اين دوقطبي هاي مغناطيسي مانند يك آهنربا عمل مي كنند و در اطراف خود ميدان مغناطيسي توليد مي كنند. آهن نيز داراي اين دوقطبي هاي مغناطيسي است اما در آهن دو قطبي هاي مغناطيسي به گونه اي رفتار مي كنند، كه خاصيت مغناطيسي يكديگر را خنثي مي كنند. و هنگامي كه در يك ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، بر اين دوقطبي ها نيروي مغناطيسي وارد مي شود، به طوري كه قطب شمال تمام اين دوقطبي ها در جهت خطوط ميدان قرار مي گيرند. و آهن ساختار ساختماني منظمي پيدا مي كند و به يك آهنربا تبديل مي شود. كه از آن مي توان بعنوان يك قطب نما استفاده كرد. اگر اين آهنربا را به دوقسمت تقسيم كنيم، اين آهنربا باز هم خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي كند، زيرا دوقطبي هاي مغناطيسي در يك جهت قرار دارند و اين دو قطبي ها عامل ايجاد خاصيت مغناطيسي در آهنربا هستند.

سوالي كه پيش مي آيد اين است كه آيا فقط آهن تحت تاثير ميدان مغناطيسي قرار مي گيرد؟ براي پاسخ به اين سوال برمي گرديم به مواد مغناطيسي كه از دو قطبي هاي مغناطيسي تشكيل شده اند در مواد مغناطيسي، حركت و رفتار دوقطبي ها به گونه اي است كه اثر ميدان مغناطيسي يكديگر را خنثي مي كنند. مواد مغناطيسي از نظر رفتار دوقطبي هاي مغناطيسي به سه دسته تقسيم مي كنند:

الف) مواد پارامغناطيس ب) مواد ديامغناطيس پ) مواد فرومغناطيس



الف) مواد پارامغناطيس: موادي هستند كه حركت و جنبش دوقطبي هايشان راحت و آسان تر است. هنگامي كه اين مواد را در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، بر دوقطبي هاي آن نيرو وارد شده و تعداد زيادي از آن ها در خطوط ميدان به طوري كه قطب هاي شمال در جهت خطوط قرار مي گيرند. و اين امر سبب مي شود كه اين مواد به يك آهنرباي قوي تبديل شود. اما چون حركت وجنبش اين دو قطبي ها سريع است، با برداشتن اين مواد از ميدان مغناطيسي، اين دوقطبي ها به سرعت از مسير خطوط خارج و به حالت كاتوره اي قبلي برمي گردند و اين مواد در خارج از خطوط ميدان به سرعت خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي دهند. مانند آلومينيوم.

ب) مواد ديامغناطيس : مواد ديامغناطيس موادي هستند كه اگر در ميدان مغناطيسي قرار بگيرند از آهنربا دفع مي شوند. در اين مواد برآيند گشتاور دو قطبي مغناطيسي صفر است و در واقع فاقد دوقطبي ذاتي هستند و هنگامي كه در ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، گشتاور دو قطبي در آن ها القا مي شود اما جهت اين دوقطبي هاي القا شده بر خلاف جهت ميدان مغناطيسي خارجي مي باشد و اين امر باعث مي شود كه ماده ديامغناطيس از ميدان مغناطيسي دفع شود. البته اين خاصيت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامي اين خاصيت در مواد ظاهر مي شود كه خاصيت پارامغناطيسي آن ها ضعيف باشد.مانند: بيسموت.

پ) مواد فرومغناطيس : اين مواد مانند مواد پارامغناطيس است اما با اين تفاوت كه در اين مواد مجموعه اي از دوقطبي هاي مغناطيسي در يك جهت و راستا قرار دارند كه اين مجموعه ها در راستا و جهت هاي متفاوتي قرار دارند به طوري كه اثر ميدان يكديگر را خنثي مي كنند. كه به اين مجموعه از دوقطبي هاي مغناطيسي كه در يك استا قرار دارند، حوزه مغناطيسي مي گويند. هنگامي كه اين مواد در ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند، بر حوزه هاي مغناطيسي نيرو وارد مي شود و آن ها را در جهت ميدان قرار مي دهند. خاصيت مغناطيسي اين مواد به سرعت تغيير مسير اين حوزه ها و قرار گرفتن در جهت ميدان بستگي دارد. كه از اين لحاظ مواد فرومغناطيس را به دو دسته تقسيم مي كنند:

1) مواد فرومغناطيس نرم: در اين مواد سرعت تغيير حوزه ها بسيار آسان و سريع است و به همين خاطر در ميدان مغناطيسي اين حوزه ها به سرعت در جهت خطوط ميدان قرار مي گيرند و خاصيت مغناطيسي بسيار قوي بدست مي آورند. اما همينكه اين مواد را از ميدان دور كنيم، جهت اين حوزه ها به سرعت تغيير و به حالت كاتوره اي قبلي بر مي گردند. مانند آهن

2) مواد فرومغناطيسي سخت: در اين مواد سرعت تغيير حوزه ها بسيار سخت و كُند است و همين كه در ميدان قرار مي گيرند، اين حوزه ها به كندي در جهت خطوط قرار مي گيرند و خاصيت مغناطيسي آن ها نسبت به مواد فرومغناطيس نرم ضعيفتر است؛ اما همين كه از ميدان دور مي شوند بر خلاف مواد فرومغناطيس نرم خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي كنند.مانند آلياژ هاي نيكل.

پس مواد پارامغناطيس و فرومغناطيس تحت تاثير ميدان مغناطيسي قرار مي گيرند و به يك آهنربا تبديل مي شوند.

در قرن هيجدهم هانس اورستد نشان داد كه در اطراف سيم حامل جريان ميدان مغناطيسي ايجاد مي شود و بعد ها آمپر و مايكل فارادي در اين زمينه دست به فعاليت هاي گسترده اي زدند. آن ها نشان دادند كه در اطراف يك سيم حامل جريان، ميدان مغناطيسي توليد مي شود و حتي موفق شدند كه روابط كمي آن را محاسبه كنند. بنابراين منبع توليد ميدان مغناطيسي عبارتند از:سنگ مغناطيس يا همان آهنرباي طبيعي و جريان الكتريكي. البته بعدها ماكسول نتيجه گرفت كه بر اثر تغيير جريان الكتريكي، ميدان مغناطيسي در فضا منتشر مي شود و همچنين براثر تغيير ميدان مغناطيسي، جريان الكتريكي در فضا توليد مي شود كه نتيجه اين، امواج الكترومغناطيسي است.

و از طرفي تغيير ميزان عبور ميدان مغناطيسي از يك رسانا، باعث توليد جريان الكتريكي در همان رسانا مي شود. پس منبع توليد ميدان الكتريكي عبارتند از: اختلاف پتانسيل بين دو سر رسانا و تغيير شار(ميزان عبور ميدان) مغناطيسي است.

پس مي توان اينگونه نتيجه گرفت كه الكتريسيته و مغناطيس باهم در ارتباطند و به جر‌‌أت مي توان گفت كه يكي بدون ديگري معني ندارد. چون وجود يكي باعث پيدايش ديگري مي شود.

مي دانيم كه ذرات باردار تحت تاثير ميدان الكتريكي يا نيروي كولني قرار مي گيرند. اگر اين ذرات وارد ميدان مغناطيسي شوند تحت تاثير نيروي ديگري كه همان نيروي مغناطيسي است مي شوند. آزمايش ها نشان مي دهند كه ميزان انحراف ذره باردار به بزرگي ميدان، اندازه بار، سرعت و زاويه حركت ذره بستگي دارد. اگر اين ذره در راستاي خطوط ميدان حركت كند، هيچ نيرويي مغناطيسي بر آن وارد نمي شود. نيروي مغناطيسي بر راستاي حركت ذره عمود است و بر سرعت آن تاثيري نمي گذارد و فقط جهت بردار حركت آن را تغيير مي دهد. به همين دليل اگر ذره باردار وارد ميدان مغناطيسي شود حركت مارپيچي يا دايره اي خواهد داشت. اگر ذره به طور عمود بر راستاي خطوط وارد ميدان شود، چون اندازه سرعتش ثابت و نيروي وارده بر آن عمود بر جهت حركت است، شتاب مركز گرا خواهد گرفت و اين امر موجب مي شود كه ذره در ميدان يك مسير دايره اي داشته باشد. البته ذره باردار بر اثر حركتش مقداري از انرژي خود را به صورت امواج الكترومغناطيسي گسيل مي كند و انرژي آن كاهش و سرعتش كم مي شود و به همين خاطر شعاع حركت دايره اي آن در طي مدت زماني، كوچك و كوچكتر مي شود. و اگر به صورت غير عمود بر خطوط ميدان وارد شود، حركت مارپيچي خواهد داشت.

همين خاصيت ذرات باردار در ميدان مغناطيسي سبب مي شود كه ما را از آسيب هاي ذرات باردار و پرانرژي كيهاني كه به زمين برخورد مي كنند، مصون نگاه دارد.

در اطراف كره زمين ميدان مغناطيسي وجود دارد و طبق نظريه اي كه گيلبرت پيشنهاد كرد، زمين يك آهنرباي بزرگي است كه قطب شمالش در قطب جنوب جغرافيايي و قطب جنوب مغناطيسي در قطب شمال جغرافيايي قرار دارد كه ميدان مغناطيسي در اين دو قطب نسبت به ساير نواحي ديگر كره زمين قوي تر مي باشند. ذرات باردار و پر انرژي كيهاني كه به سوي زمين مي آيند گرفتار ميدان مغناطيسي زمين شده و حركت مارپيچي به خود مي گيرند كه به اين منطقه، كمربند "وان آلن" مي گويند.اين ذرات با حركت مارپيچي خود به سمت دو قطب حركت مي كنند. اين ذرات با نزديك شدن به دو قطب بر اثر برخورد به لايه هاي بالايي جو قطب شمال و جنوب، مقدار زيادي از انرژي خود را ازدست مي دهند كه به صورت تابش آزاد و روشنايي را در دو قطب ايجاد مي كنند كه به اين روشنايي، شفق هاي قطبي مي گويند.

علت ايجاد ميدان مغناطيسي در اطراف زمين و يا آهنربا بودن زمين، سوالي است كه ذهن دانشمندان را در طي چند ده مشغول كرده بود. نظريه اي كه توانست در توضيح علت ميدان مغناطيسي موفق ظاهر شود، را بيان مي كنيم:

در درون زمين فلزاتي نظير آهن و نيكل به صورت مذاب و گداخته وجود دارند كه در حال حركت و جنبش هستند. حركت اين مواد از هسته شروع شده و به نزديكي سطح زمين نزديك شده و دوباره به هسته و مركز زمين بر مي گردند. اين مواد مذاب با حركت رفت وبرگشتي كه دارند باعث پيدايش جريان الكتريكي در درون زمين مي شوند. از همين خاصيت الكتريكي مواد مذاب درون زمين، براي پيش بيني وقوع فوران آتشفشان يا زلزله استفاده مي كنند. جريان الكتريكي كه اين مواد مذاب ايجاد مي كنند، باعث پيداش ميدان مغناطيسي در اطراف زمين مي شود. خطوط ميدان مغناطيسي به اينگونه هستند كه از هسته به قطب جنوب جغرافيايي وصل و سپس از قطب جنوب به قطب شمال و از آنجا دوباره به هسته وصل مي شوند. و به اين گونه اين خطوط در اطراف زمين رسم مي شوند.

قطب هاي مغناطيسي زمين بر روي قطب هاي جغرافيايي آن منطبق نيستند و امروزه حدود 11 درجه اختلاف دارند.

بررسي ها و مطالعه آثار نشان مي دهند كه ميدان مغنطيسي زمين ثابت نيست و تغيير مي كند. آثاري كه از روي سنگ هاي زمين بدست آمده حاكي از آنست كه ميدان مغناطيسي زمين به مدت حدود 800000 سال وارونه بوده و حدود 100000 سال دچار افت شديدي مي شود. علت اين امر آنست كه مواد مذاب و گداخته حركت رفت و برگشتي كاتوره اي دارند كه سرعتشان حدود 5 سانتي متر در روز است. و جابجايي اين مواد باعث تغيير جريان الكتريكي و درنتيجه ميدان مغناطيسي زمين مي شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار كاتوره اي تغيير ميدان مغناطيسي در آينده دست يابند.
__________________

[Borna66]

آهنربا
به اشیایی که میدان مغناطیسی تولید کنند، آهنرُبا گفته می‌شود.

معنای لغوی
آهنربا از دو بخش آهن و -ربا از فعل ربودن تشکیل شده. کاربرد واژه‌هایی مانند آهنربا و کهربا در فارسی پیشینه طولانی دارد.

برابر اروپایی آن: اولین شرح مغناطش به یونانیان قدیم باز می‌گردد که این اسم را به مغناطیس دادند. این اسم از مگنزیا که نام یک دهکده‌ی یونانی است، مشتق شده‌است. از لحاظ لغوی Magnet به معنی «سنگی از مگنزیا» است. این سنگ حاوی مگنتیت (Fe2O3) بود و هنگام مالش آن به آهن، آن را آهنربا می‌کرد.

تاریخچه
تلاش جدی برای استفاده از قدرت پنهان مواد مغناطیسی بسیار پس از کشف آن انجام شد. به عنوان مثال در قرن ۱۸ام با ادغام تکه‌های کوچک مواد مغناطیسی تکه‌ی بزرگتری بدست آمد که مشخص شد توانایی بلند کردن قابل توجهی دارد.

پس از اینکه اورستد در سال ۱۸۲۰ کشف کرد که جریان الکتریکی می‌تواند میدان مغناطیسی به وجود آورد، پیشرفت‌های زیادی در این زمینه حاصل شد. استورگن دانش خودش را با موفقیت برای ساخت اولین آهنربای الکتریکی در سال ۱۸۲۵ بکار برد. با اینکه دانشمندان زیادی (از قبیل گاوس، ماکسول و فارادی) با این پدیده از دیدگاه تئوریک درگیر شدند، اما توصیف درست مواد مغناطیسی به فیزیکدانان قرن ۲۰ ام نسبت داده می‌شود.

کیوری و ویس در شفاف‌سازی پدیده‌ی مغناطش دائمی و وابستگی دمایی آن موفق بودند. ویس فرضیه‌ی وجود حوزه‌های مغناطیسی را مطرح کرد تا توضیح دهد که مواد چگونه می‌توانند آهنربا شده یا خاصیت مغناطیسی کل آنها صفر شود.

جزئیات خواص دیواره‌های این حوزه‌های مغناطیسی توسط بلوچ، لاندو و نیل بررسی شد.


کاربرد
مواد مغناطیسی جزء جدانشدنی فناوری مدرن هستند. آهنرباها یکی از اجزای مهم بسیاری از وسایل الکترونیکی و الکترومکانیکی هستند. کاربرد عمده‌ی آهنرباهای دائم در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس است. (مانند موتورهای الکتریکی و ژنراتورها) مغناطیس‌ها همچنین در حافظه‌های مغناطیسی (صفحات هارد دیسک و فلاپی‌دیسک‌ها و کارت‌های پلاستیکی حافظه)

منابع
Buschow, K.H.J., de Boer, F.R., Physics of Magnetism and Magnetic Materials, Kluwer Academic Publishers, 2004.

[Borna66]

تابش الكترومغناطيسي-تابش جسم سياه
تابش الكترومغناطيسي:
هر شي در نجوم بوسيله تابش الكترو مغناطيسي مشاهده مي شود بنابر اين توجه به برخي از مباني فيزيك درباره تابش وجذب لازم است .تابش الكترو مغناطيسي فقط يك موج متحرك در ميدان مغناطيسي و الكتريكي است كه در معادلات ماكسول به هم مربوط مي شوند.موج الكترو مغناطيسي باسرعت نور منتشر مي شود. C=2.998*108
حاصل ضرب طول موج و فركانس برابر سرعت نور است.

C = F * g

كه به صورت سنتي طيف سنجها طول موج را اندازه گيري مي كنند.
با وسائل جديد تمام محدوده طيف قابل مشاهده است. تعدادي ازطول موجهايي كه فقط مي توانند در بالاي جو اندازه گيري شوند؛درفنآوري ماهواره اي به كارمي روند.

تابش نور به چندطريق صورت مي گيرد:
1-فرآيند پهن شدگي (فرآيند گرما يوني )-تابش جسم سياه. 2-تابش خطي .
3-تابش سينكروترون ناشي از بارهاي الكتريكي شتابدار.
ما درباره’ مورد اول بحث خواهيم كرد
تابش جسم سياه:

جسم گرم در دماي مشخص T گستره پهني از امواج الكترو مغناطيس تابش مي كندو جسم گرمتر آبي تر تابش ميكند .
براي مثال داخل زمين يك مخزن نور است كه مانند يك باطري ضعيف شده كم نورتر وقرمزتر است . اين مسئله در ابتداي قرن بيستم در فيزيك كلاسيك حل شده ويكي از موفقيتهاي مكانيك كوانتومي شكل گرفته بود.
طيف تابش گسيل يافته براي فيزيك كلاسيك يك مشكل بزرگ بود .
استفان و بولتزمن كشف كردند كه تمام گرماي تابش شده بوسيله سطح جسمي با مساحت A و دمايT برابر است با:
Q=AsT4 s =5.67*108
شدت تابش درواحد حجم كه تابع طول موج است ،اندازه گيري شد. موقعيت ماكزيمم ناگهاني در طيف ،توسط قانون جابجايي وينز ((Wiens تشريح شد و مكان بيشترين شدت در طول موج
-3^10*2.9 كه در آن Tدر مقياس كلوين است.
بنابرا ين طول موج تابش گسيل يافته، نظريه تابشي جسم را ارائه مي دهد.
تلاشهاي رايلي (Rayleigh)براي توضيح مشاهدات از نظر كلاسيكي نا موفق بود .او محاسباتي انجام داد با اين فرض كه موجها درون كاواك قرار بگيرند وتابش گريزي از سوراخ كوچكي در ديواره كاواك را بدست آورد.فقط طول موجهايي مجازبودند كه دقيقا موج بر ديواره كاواك قرار مي گرفت (ديواره’ كاواك مكان گره ها بود).
رايلي فرض كرد كه هر گونه طول موج داراي انرژي KT است( K ثابت بولتزمن است).محاسبات پش بيني مي كرد كه در دماي T تابندگي (شدت تابش ) به طول موج وابسته است.
I(l)= T/landa^4
فرض بالا يك مشكل دارد؛وقتي طول موج صفر مي شود شدت بينهايت مي گرددواين مساله به عنوان فاجعه فرابنفش شناخته شد.
در سال 1900م.پلانگ اين مشكل را با گسسته فرض كردن تابش الكترو مغناطيسي حل كرد.او فرض كرد كه تابش بوسيله نوسانگرهاي الكترو مغناطيسي درون ديواره كاواك توليد ميشود.انرژي نوسانگرها فقط مي توانست به صور ت گسسته مضربي از بسامد باشدn=0,1,2,3,… ; E=nhn.
محا سبات پلانگ تفاوت بنيادي با محاسبا ت رايلي داشت كه مقادير انرژي را پيوسته فرض كرده بود. محاسبات پلانك تابندگي در طول موج خاص را بصورت زير داد:
I(l)=2*π*h*c^2/[l^5[exp(hc/lkT)-1]]
فرم بالاقانون استفان بولتزمن و قانونوينز را تاييد مي كند
. در طول موجهاي زياد فرمول بال منجر به نتايج رايلي مي شود.
در واقع در اندازه گيري دماي يك ستاره نوعي طيف سنجي يا نور سنجي ميتواند به كار رود.
مقايسه بين تابندگي نسبي مقدار نور گسيل شده يك ستاره در دو طول موج:.
اين نسبت مشخصه دمايي است بنابر اين اندازه گيري تمام طيف جسم سياه الزامي نيست.چون تابندگي در هر دماي مشخص به طور نسبي در شدت 550 nm بهنجار شده است.called V or Visual Band
اندازه گيري دوم در تابندگي 440nm
(( called B or Blue band ))
اندازه گيري دما را ممكن ميسازد.

[Borna66]

مفاهيم بنيادي طيف الكترومغناطيس

‎ديد كلي‎:‎ ‎به طور غير منطقي ولي به ترتيب تاريخي ، از ناحيه مرئي شروع مي كنيم و به خارج از آن فرا مي رويم. ‏در واقع اگر ناحيه مرئي را يك كمي به طرف فروسرخ و فرا بنفش گسترش دهيم ‏ناحيه نسبتا مشخص بين ( 1 ميكرومتر ) 2000 آنگستروم به وجود مي آيد. كه آسان ترين ناحيه براكار ‏كردن است.

كوارتز در تمامي اين ناحيه و شيشه در بيشتر قسمت هاي آن شفاف است. لذا امكان انتخاب ‏بين منشور ، توري و تداخل سنج به عنوان پاشنده وجود دارد و مشكلي در مورد پنجره ها يا عدسي ها پيش نمي ‏آيد‎.

‎جذب و اتلاف طيف الكترومغناطيسي‎:

‎طيف الكترومغناطيسي مي تواند به شكل عكاسي يا فوتوالكتريكي ثبت شود. براي طيف نمايي ‏جذبي و گسيلي رده وسيعي از منابع در دسترس اند. در زير طول موج 2000 آنگستروم ، ابتدا هوا ( ‏يا به طور دقيق اكسيژن ) سپس كوارتز شروع به جذب مي كنند.

براي‎ ‎فايق آمدن به شكل اولي، ‏مسير نوري بايد تخليه شود و نام فرا بنفش خلا ، براي اين ناحيه از همين جا ناشي مي شود. براي ‏گسترش برد عبور به اندازه چند صد آنگستروم ( تا 1040 آنگستروم كه حد عبوري ليتيوم فلورايد است ) مي ‏توان بلورهاي ديگر را با اپتيك كوجايگزين ساخت، اما اين امر فقط براي تكنيك هاي پايين عملي ‏است‎.

‎تداخل سنج ها به علت انعطاف هاي سطحي و باز تابندگي پايين داراي مشكلات زيادي هستند. در پايين تر ‏از حدود 1800 آنگستروم توري ها تنها پاشنده هاي قابل دسترس براي تفكيك بالاي اند. عدسي ها و ‏‏آينه ها( كه داراي باز تابندگي هاي كمي در اين ناحيه اند ) با به كادن توري ، حذف مي شوند. در ‏پايين تر از حدود 400 آنگستروم ، براي غلبه بر باز تابندگي كم ، توري ها بايستي در وضع فرود ‏خراشان به كار روند از طرف ديگر آشكار شدن گرما مسئله ساز نمي باشد‎.

‎بررسي نواحي طيفي‎:

‎روش هاي عكاسي يا فوتو الكتريكي مي توانند در سر تا سر ناحيه ‏فرابنفش مورد استفاده قرار گيرند. مسائل مربوط به استفاده از منابع نوري مناسب ممكن است در ناحيه ‏پايين تر از 1040 آنگستروم كه در آن پنجره ها نمي توانند براي در بر گرفتن يا مجزا كردن گاز هاي مختمورد استفاده قرار گيرند، به صورت حاد درآيند. نواحي طول موج كوتاه و بلند اطراف 1040 آنگستروم به ‏ترتيب به نام كاشفين آنها شومن و ليمن ناميده مي شود‎.

‎حركت به سوي فروسرخ ، در مي يابيم كه انتخاب بين منشورها و شبكه ها و تداخل ‏سنج ها تا حدود 40 ميكرومتر ، حد موثر بلور آزاد است. تداخل سنج هاي ساخته شده از فيلم هاي ‏نازك نظير پلي تن را مي توان ، تا طول موج هاي باز هم بلند تري مورد استفاده قرار داد به طوره ‏طيف نمايي تبديل فوريه مي تواند با طيف سنجي شبكه در ناحيه فرو سرخ رقابت ‏كند‎.

‎با ايجاد ليزر هاي رنگي كوك پذير طيف نمايي بدون شبكه ها يا تداخل سنج ها در ‏موارد معيني امكان پذير مي شود. به دليل بالا بودن ضريب باز تابشان مي توان آينه هاي متعددي را بدون ‏اتلاف قابل توجه در شدت به كار برد. مسئله اساسي در قسمت عمده ناحيه ، ناكافي بودنت است. اغلب ‏منابع در ناحيه فروسرخ انرژي نسبتا كمي را تابش مي كنند و در اثر آشكار شدن گرما در معرض مسائل ‏جدي ناشي از پارازيت قرار مي گيرند. اغلب لازم است كه تفكيك را فداي به دست آوردن نسبت مناسبي از ‏علامت به پارازيت بكنيم.

‎طيف نمايي در فروسرخ معمولا به علت فقدان منابع خطي با كافي ، به صورت جذب انجام مي شود. از ‏طرف ديگر ضرورت تخليه در فروسرخ چندان جدي نيست زيرا اكسيژن و ازت خشك جاذب نيستند، و ‏فقط كافي است كه بخار آب و گاز كربنيك حذف شوند.

‎در طول موج هاي حدود چند دهم ميلي متر ، ناحيه فروسرخ با ناحيه كه موج روي هم مي افتند و يك تغيير ‏كلي در روش پيش مي آيد. منبع و آشكارگرهاي برگزيده نخست به شكل ليزرهاي زير ميليمتر در طول موج ‏هاي مخصوص و سپس به صورت نوسان سازهاي كليسترون كوك پذير به آسانيبل حصول هستند. در ‏اين حالت پاشنده ها به كلي زائد شده و طيف نمايي جذب فقط شامل مشاهده تغييرات در علامت در حين ‏جاروب منبع و آشكارگر بر روي محدوده طول موج مورد لزوم مي شود‎.

‎طيف نمايي فركانس راديويي در دوره نسبتا متفاوت قرار مي گيرد. از يك طرف به سادگي گسترش ‏طيف نمايي كه موج است به طرف طول موج هايي بلندتر ، از طرف ديگر ادغام روش هاي متعدد تشديد است ‏كه براي مطالعه گذارهاي بين زير ترازهاي مغناطيسي و يا ساختار فوق ريز توسداده شده اند. در اين ‏روش ها ، انتقالات هر چند كه به وسيله ميدان فركانس راديويي القا شوند، معمولا نه از طريق جذب انرزي ، ‏بلكه به وسيله روش هاي ديگر ، نظير انحراف حاصل از تغيير در جهت اسپين يا تغييري در جهت ‏‏قطبش تابش تشديد آشكار مي شوند‎.‎


منبع :www.roshd.ir

[Borna66]

تاریخچه علم مغناطیس
علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است. زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می‌تواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی می‌تواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.

در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است. در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد.

Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتریسیته و مغناطیس تا سال 1820 به موازات هم تکامل می یافت اما کشف بنیادی اورستد و سایر دانشمندان سبب شد که الکترومغناطیس به عنوان یک علم واحد مطرح شود. برای تشدید اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در سیم می‌توان را به شکل پیچه‌ای با دورهای زیاد در آورد و در آن یک هسته آهنی قرار داد. این کار را می‌توان با یک آهنربای الکتریکی بزرگ ، از نوعی که معمولا در پژوهشگاههای برای کارهای پژوهشی مربوط به مغناطیس بکار می‌رود، انجام داد.

تولد میدان مغناطیسی
دومین میدانی که در مبحث الکترومغناطیس ظاهر می شود، میدان مغناطیسی است. این میدانها و به عبارت دقیقتر آثار این میدانها از زمانهای بسیار قدیم ، یعنی از همان وقتی که آثار مغناطیسهای طبیعی سنگ آهنربا (Fe3O4 یا اکسید آهن III) برای اولین بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی و اکتشاف گذاشت با وجود این، جز در این مورد مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر نیز شناخته شده بود، تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند.

این کار تواأم با کارهای بعدی گاؤس ، هنری . فاراده و دیگران نشان دادند که این شراکت واقعی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد و این دو توأم تحت عنوان میدان الکترومغناطیسی حضور دارند. به عبارتی این میدانها به طرز جدایی ناپذیری در هم آمیخته شده‌اند.

حوزه عمل و گسترش میدان مغناطیسی
تلاش مردان عمل به توسعه ماشینهای الکتریکی ، وسایل مخابراتی و رایانه‌ها منجر شد. این وسایل که پدیده مغناطیسی در آنها دخیل است نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ایفا می‌کنند. با گسترش و سریع علوم از اعتبار این علوم اولیه کاسته نمی‌شود و همیشه سازگاری خود را با کشفیات جدید حفظ می‌کند.

مغناطیسهای طبیعی و مصنوعی
بعضی از سنگهای آهن یاد شده در طبیعت خاصیت جذب اشیای آهنی کوچک ، مانند براده‌ها یا میخهای مجاور خود را دارند. اگر تکه‌ای از چنین سنگی را از ریسمانی بیاویزیم ، خودش را طوری قرار می‌دهد که راستایش از شمال به جنوب باشد، تکه‌های چنین سنگهایی به آهنربا یا مغناطیس معروف است.


یک تکه آهن یا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا یا مغناطیده می‌شود، یعنی توانایی جذب اشیای آهنی را کسب می‌کند. خواص مغناطیسی این تکه آهن یا فولاد هر چه به آهنربا نزدیکتر باشد، قویتر است. وقتی که تکه‌ای از آهن و آهنربا با یکدیگر تماس پیدا کنند ، مغناطش یا آهنربا شدگی به مقدار ماکزیمم (میخ آهنی که به آهنربا نزدیک شود خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند و براده‌های آهنربا را جذب می‌کند) می‌باشد.




هنگامی که آهنربا دور شود، تکه آهن یا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زیادی از خواص مغناطیسی بدست آورده را از دست می‌دهند، ولی باز هم تا حدی آهنربا می‌مانند. از اینرو به آهنربای مصنوعی تبدیل می‌شوند و همان خواص آهنربای طبیعی را دارد. این پدیده را می‌توان با آزمایش ساده‌ای به اثبات رسانید. خاصیت آهنربایی که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پیدا می‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقی می‌ماند، مغناطش موقت نامیده می‌شود. آزمایشهایی از این نوع نشان می‌دهد که مغناطش بازمانده خیلی ضعیفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکی از آن است.


هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده برای درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاری شده از آهن نرم و فولاد تابکاری نشده به مقدار زیادی قویتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ویژه درجاتی از آن که شامل مثلا آمیزه کبالت است، خیلی قویتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتیجه ، اگر دو میله یکسان ، یکی ساخته شده از آهن نرم و دیگری از فولاد را اختیار کنیم و آنها را در مجاورت آهنربای یکسانی قرار دهیم ، میله آهن نرم قویتر از فولاد آهنربا می‌شود.

ولی اگر آهنربا را دور کنیم، میله آهن نرم تقریبا بطور کلی مغناطیده می‌شود، در حالیکه میله فولاد مقدار قابل توجهی از خاصیت آهنربایی اولیه خود را حفظ می کند. در نتیجه ، آهنربای دائمی از میله فولادی از میله آهنی خیلی قویتر است. به این دلیل آهنرباهای دائمی را از درجات خاصی از فولاد درست می‌کنند نه از آهن.


آهنرباهای مصنوعی که بطور ساده با قرار دادن تکه‌ای فولاد در نزدیکی یک آهنربا یا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعیف هستند. آهنرباهای قویتر را با مالیدن تیغه فولادی با آهنربا در یک جهت بدست می‌آورند. البته در این حالت نیز آهنرباهایی که بدست می‌آید که از آهنربایی که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعیفتر است. هر نوع ضربه یا تکانی در طول مغناطش عمل را آسانتر می‌کند. برعکس تماس دادن آهنربای دائمی با تغییر ناگهانی و زیاد دمای آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.


وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمی که آهنربا می‌شود نیز بستگی دارد. میله‌های نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقریبا به کلی خاصیت آهنربایی را از دست می‌دهند. با وجود این ، اگر همین آهن را برای ساختن سیمی به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بریم، این سیم (ناپیچیده) خاصیت مغناطیسی خود را به مقدار زیادی حفظ خواهد کرد.
منبع :شبکه ی رشد

[Borna66]

میدان مغناطیسی زمین
در هر نقطه‌ای در نزدیکی سطح زمین ، عقربه مغناطیسی آویزان از رشته یا واقع روی یک نقطه به ترتیب خاصی سمت گیری می‌کند (تقریبا در جهت شمال به جنوب). این واقعیت مهم به این معنا است که زمین میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، مطالعه میدان مغناطیسی زمین برای مقاصد عملی و علمی از اهمیتی اساسی برخودار است.

از زمانهای قدیم ، قطب نماها ، یعنی وسایلی بر اساس استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای سمت گیری نسبت به چهار جهت اصلی ، بکار گرفته می‌شدند. قطب نمای مرسوم شامل یک عقره مغناطیسی و یک صفحه مدرج است و در جهت یابیها کاربرد وسیعی دارد.

از میدان مغناطیسی زمین چه استفاده‌هایی می‌شود؟
در دریانوردی و هوانوردی جدید ، دیگر قطب نمای مغناطیسی تنها وسیله‌ای برای سمت گیری و تعیین مسیر کشتی یا هواپیما نیست. برای این منظور وسایل دیگری نیز وجود دارد. با وجود این ، از اهمیت قطب نمای مغناطیسی به هیچ وجه کاسته نشده است. تمام کشتیها و هواپیماهای امروزی به قطب نمای مغناطیسی مجهزند. زمین شناسان ، شکارچیان و مسافران نیز از قطب نما خیلی استفاده می‌کنند. وجود میدان مغناطیسی زمین انجام پاره‌ای از بررسیهای مهم دیگر را میسر ساخته است. از آن جمله می‌توان از روشهای اکتشاف و مطالعه ذخایر آهن نام برد.

قطبهای مغناطیسی زمین
مغناطیس زمین
پیرامون زمین را میدان مغناطیسی که ماینوتسفر یا مغناطو کره نامیده می‌شود احاطه نموده است. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد، بلکه قدری از آن پایینتر هستند. همچنین قطبهای مغناطیسی زمین با قطبهای جغرافیایی آن منطبق نیستند. محور میدان مغناطیسی زمین ، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از اینرو قطر زمین نیست. مغناطو کره توسط دو عامل مشخص می‌شود: انحراف مغناطیسی و شیب مغناطیسی.

انحراف مغناطیسی عبارت است از زاویه انحراف عقربه مغناطیسی از نصف النهار جغرافیایی مورد نظر. خطوط واصل نقاط دارای انحراف مغناطیسی مساوی که خطوط هم گوشه نام دارند، در جنوب و شمال قطبین مغناطیسی که مخالف قطبین جغرافیایی است، همگرا می شود. برخی از محققان ، عدم تطابق قطبهای مغناطیسی و جغرافیایی را به توزیع نایکنواخت خشکی و آب در زمین توجیه می‌نمایند.

شیب مغناطیسی عبارت است از زاویه میان عقربه مغناطیسی نسبت به افق (در نیمکره شمالی سر شمالی عقربه و در نیمکره جنوبی عقربه به افق متمایل می شود). ضمن حرکت از استوا به سوی قطبین ، شیب مغناطیس افزایش می یابد. خط واصل نقاط دارای شیب صفر استوای مغناطیسی نام دارد . استوای مغناطیسی ، استوای جغرافیایی را در دو نقطه، یکی با 169˚ طول شرقی و دیگری با ˚23 طول غربی به جنوب و در نیمکره شرقی به شمال منحرف می گردد. در قطبین مغناطیسی شیب به ˚90 می رسد.

مغناطش خود بخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین
از مغناطش خودبخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین استفاده‌های زیادی می‌شود. از جمله در ساخت مینهای مغناطیسی است که در عمق معینی زیر سطح آب قرار می‌دهند و با عبور کشتی از بالای آنها منفجر می‌شود. ساز و کاری که باعث صعود مین به سطح و انفجار آن می‌شود وقتی عمل می‌کند که عقربه مغناطیسی که می‌تواند حول میله‌ای افقی بچرخد، بر اثر میدان مغناطیسی کشتی که از بالای مین می گذرد، بتواند بگردد. معلوم شده است که کشتی همیشه خودبخود آهنربا می‌شود. برای محافظت در مقابل مینهای مغناطیسی دو روش بکار می‌برند:

مین روبی
این روش عبارت است از حمل مغناطیس نیرومندی که با طنابهای سیمی از هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع کم در منطقه مین گذاری شده آویزان می‌شود. گاهی کابل سیمی دایره شکلی را بطور شناور روی آب قرار می‌دهند و جریانی از آن می‌گذرانند. بر اثر میدان مغناطیسی یا جریان ، ساز و کار مینها عمل می‌کند و بدون هیچ خسارتی منفجر می‌شوند.

خنثی سازی میدان مغناطیسی کشتی
این روش به این ترتیب است که حلقه هایی از سیم عایق بندی شده را به کشتی وصل می‌کنند و جریانی را از آنها می‌گذرانند، بطوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف جهت میدان مغناطیسی کشتی (که یک مغناطیس دائمی است) باشد. وقتی که این میدانها باهم ترکیب شوند، همدیگر را خنثی می‌کند و کشتی بدون اینکه ساز و کار مین را به کار اندازد از روی آن می‌گذرد

[Borna66]

ضبط بر روی نوار مغناطیسی
یکی از کاربردهای مغناطیس ضبط مغناطیسی است. ضبط مغناطیسی در طی دو بخش مجزا کارهای ضبط و پخش را انجام می‌دهد. بخش اول انتقال اطلاعات یک سیگنال الکتریکی به نوار مغناطیسی است بصورت ترکیبی از مغناطیس‌های دائم روی نوار و تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی است این بخش فرایند پخش کردن است.
ذخیره سیگنال الکتریکی روی نوار مغناطیسی
نوار مغناطیسی یک نوار پلاستیکی است پوششی از ذرات اکسید آهن روی آن قرار دارد. این ذرات بطور تصادفی قرار گرفته‌اند که مغناطش آنها در پاسخ به نیروی مغناطیس کننده هد ضبط تغییر می‌کند. با عبور نوار از جلوی هر ضبط (آهنربای الکتریکی) میدان شکاف هد در نوار نفوذ کرده و پوشش اکسید آهن مغناطیده می‌شود. مغناطش نوار معادل یک سری آهنرباست.

در طول فرآیند ضبط کردن تعدادی آهنربای میله‌ای که از تعداد زیادی ذره اکسید آهن درست شده‌اند، روی نوار ایجاد می‌شود. طول هر آهنربای میله‌ای به سرعت نوار و فرکانس سیگنال وابسته است. هر ضبط با داشتن شکافهایی در آن ، میدان مغناطیسی را در اختیار قرار می‌دهد، علاوه بر این ، منحنی مغناطش خود را خطی می‌کند در نتیجه سیگنال خالص از آنچه که ضبط شده است را در اختیار ما قرار می‌دهد.

خطی کردن نوار مغناطیسی
مواد مغناطیسی بکار رفته در نوارها ، از نوع فرومغناطیس لخت هستند لذا غیر خطی بوده لذا سیگنال رسیده به هر ضبط با ایجاد مغناطش غیر خطی در نوار ، اعوجاجهای شدیدی را هنگام پخش ایجاد می‌کند. با کارهایی که انجام می‌دهند می‌توانند جلوی این اعوجاجها را بگیرند.

بازیابی سیگنال ضبط شده
سیگنال ضبط شده بصورت یکسری آهنربای دائم بر روی نوار قرار دارد. این سیگنال با عبور نوار از جلوی شکاف هد پخش ، بر اساس شبیه ضبط است، بازیابی می‌شود. بدین صورت که تصویر آهنربای ضبط شده بر پشت پوشش اکسید آهن می‌افتد. با عبور نوار از جلوی هد ، قسمتی از میدان آهنرباها وارد شکاف هد پخش شده و از آن می‌گذرد. طبق قانون فاراده ، ولتاژ القایی پیچک پخش ، سیگنال اولیه را بازسازی می‌کند. این ولتاژ را می‌توان تقویت کرد.

اثر تلفات شکاف هد در هنگام پخش
خروجی هد پخش عملا بطور خطی با فرکانس القا کننده متناسب نیست. در واقع خروجی بصورت حاصلضرب تلفات شکاف قرار دارد. تلفات شکاف با توجه به فاصله بین قطب شمال و جنوب هد و طول موج ضبط شده بر روی نوار انجام می‌گیرد

[Borna66]

فریت

پدیده مغناطش فریت‌ها فری مغناطیس نامیده می‌شود. فرق آن با فرومغناطیس این است که اسپین اتمهای مجاور مخالف جهت هم قرار می‌گیرند. اگر اسپینهای مجاور مساوی و مختلف‌ الجهت باشند ، مثلا در کروم ، مفناطش خالص ماده و همچنین میدان مغناطیس خارج آن صفر خواهد بود.

مغناطش در فریت
مغناطش خالص فریت‌ها با وجود پاد موازی بودن اسپینهای مجاور ، صفر نیست. دلیل وجود این مغناطش خالص تفاوت قدرت اسپینهای مجاور است. به همین دلیل ماکزیمم مغناطش فریتها اصولا از مواد فرومغناطیس کمتر است ، مقدار این ماکزیمم نوعا حدود 3000 گوس است، در حالیکه از مواد فرومغناطیس مقدار ماکزیمم 2x104 گوس است.

فرمول شیمیایی فریت‌ها
فرمول شیمیایی فریت‌ها بصورت (MO)(Fe2O3) است که در آن M یک فلز دو ظرفیتی مثل آهن (Fe) علامت اختصاری o نیز مربوط به اتمهای اکسیژن در ترکیب می‌باشد.

طرز ساخت فریت
فریتها با مخلوط کردن پودر (Fe2O3) و اکسید فلز (MO2) و ذوب آنها تهیه می‌شود. اتمهای مغناطیسی یک شبکه در خلاف جهت اتمهای مغناطیس شبکه دیگر است. برای مثال اگر در گروه A ، Na اتم با گشتاور Ma ، در گروه B ، Nb اتم با گشتاور Ma همجهت شده باشند، مغناطش حجمی ماده فری مغناطیس برابر است با M=Nama-Nbmb

قدیمترین آهن ربا
ماگنتیت ، که همان آهنربای طبیعی شناخته شده است ، فریت Fe3O4 است که می‌توان آن را بصورت (Fe2+O)(Fe3+2O3) نوشت. گشتاورهای مغناطیس دو اتم Fe مخالف هم است ، بنابراین مغناطش ماده از Fe++ نامش می‌شود. بنابراین قدیمترین آهنربا نه فرومغناطیس بلکه فریت بوده است.

خاصیت فریت‌ها
خصوصیت منحصر به فرد فریت‌ها ، نسبت به آهن و دیگر مواد فرومغناطیس ، عایق بودن آنها است. مقاومت ویژه نوعی فریت‌ها 1 تا 104 اهم متر است ، در حالیکه از آهن 7-10 اهممتر است. به خاطر این مقاومت ویژه بالا ، فریت‌ها در معرض جریانهای گردابی قرار ندارند و می‌توان از آنها در فرکانسهای بالا از آنها بعنوان هسته پیچک استفاده کرد ، مثلا در پیچکهای rf ، ترانسفورماتور تلویزیون و حافظه‌های مغناطیس کامپیوترها.

کاربرد فریت‌ها
فریتها را در محدود فرکانسهای مایکروویو استفاده می‌کنند ، علت این امر آن است که میدانهای مایکروویو می‌توانند بدون تضعیف و انعکاس زیاد در مواد عایق منتشر شوند ، در حالیکه این میدانها به علت ایجاد جریانهای گردابی نمی‌توانند در‌هادیها منتشر شوند.