جدید ترین عناوین خبری امروز
مجله علمی کیهان‌شناس

توجه: کلمه عبور به آدرس ایمیل شما ارسال خواهد شد.

آهنربا

۹ حقیقت جالب در مورد آهنربا

آهنرباها آن‌قدر هم اسرارآمیز نیستند و نزدیک به دو قرن است که ویژگی‌های اصلی آن‌ها شناخته شده است. از آهنربا به‌عنوان یکی از اجزای اصلی درایو‌‌‌‌‌‌های لوح فشرده در کامپیوترها، لپ‌تاپ‌ها، دستگاه‌های پخش موسیقی و حتی چسباندن وسایل بر روی یخچال‌‌‌‌‌ استفاده می‌‌‌‌‌‌کنیم. قبل از اختراع نمایشگرهای صفحه تخت، محل قرارگیری آهنرباهای نسبتا قوی در خانه‌‌‌‌‌‌های عادی، تلوزیون‌‌‌‌‌‌ها و مانیتور‌‌‌‌‌‌ها بودند.

خوشبختانه ما به‌خوبی از ماهیت فیزیکی آهنربا آگاه هستیم و پس از قرن‌ها، آهنربا بخشی از زندگی ما شده است. در ادامه به بررسی چند حقیقت جالب درباره‌ی آهنربا می‌‌‌‌‌‌پردازیم.

۱- آهنرباها به چهاردسته تقسیم می‌‌‌‌‌‌شوند

فِرومگنت‌‌‌‌‌‌ها‌‌‌‌‌ مانند آهن و نیکل که از اتم‌‌‌‌‌‌هایی با الکترون‌‌‌‌‌‌های جفت‌نشده که اسپین یکسانی دارند، تشکیل شده‌‌‌‌‌‌اند. این مواد آهنرباهای دائمی خوبی را تشکیل می‌‌‌‌‌‌دهند. در نوع دیگری از آهنرباها به نام فِری‌مگنت فقط تعدادی از الکترون‌ها اسپین یکسانی دارند.

بیشتر عناصر شیمیایی پارامگنت محسوب می‌‌‌‌‌‌شوند. این مواد هنگام قرارگیری در میدان مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی پیدا می‌‌‌‌‌‌کنند. این‌گونه عناصر نیز الکترون‌های جفت‌نشده دارند.

اگر به دنبال اجسام شناور می‌‌‌‌‌‌گردید، مواد دیامغناطیس پاسخگوی شما هستند. این مواد هنگامی که داخل میدان مغناطیسی هستند، مغناطیسی شده و میدان مغناطیسی در جهت مخالف میدانی که در آن قرار دارند ایجاد می‌‌‌‌‌‌کنند. قطارهای ماگلوف بر این اساس کار می‌‌‌‌‌‌کنند.

استفاده از آهنربا در قطار
قطار maglev فعالیت خود را در اول ژوئن ۲۰۱۰ آغازکرد. اعتبار تصویر: Credit: Hung Chung Chih Shutterstock.com

۲- مغناطیس از جنس نور است

چرا آهنرباها به هم می‌‌‌‌‌‌چسبند؟ آهنرباها با تبادل فوتون و یا همان ذرات سازنده‌ی نور به سمت یکدیگر جذب می‌‌‌‌‌‌شوند. اما برخلاف فوتون‌‌‌‌‌‌هایی که از لامپ رومیزی منتشر می‌‌‌‌‌‌شود و یا از سطح اشیا اطراف شما بازتاب می‌‌‌‌‌‌یابد، این فوتون‌‌‌‌‌‌ها مجازی هستند و چشمان شما یا هیچ آشکارساز ذرات دیگری نمی‌‌‌‌‌تواند آن‌ها را ببیند. آن‌‌‌‌‌‌ها با انتقال تکانه باعث جذب تکه‌‌‌‌‌‌های آهنرباها به هم می‌‌‌‌‌‌شوند.

زمانی که یک کودک توپی را به سمت دوستش پرت می‌‌‌‌‌‌کند در حال انتقال تکانه به‌وسیله‌ی توپ است. کودکی که توپ را پرتاب می‌‌‌‌‌‌کند حس می‌‌‌‌‌‌کند کمی به عقب پرت شده است درحالی‌که دریافت‌‌‌‌‌‌کننده‌ی توپ، نیروی توپ را احساس می‌‌‌‌‌‌کند و (ممکن است) از پرتاب‌کننده دور شود. درمورد فوتون‌‌‌‌‌‌ها این فرآیند می‌‌‌‌‌‌تواند به‌طور معکوس روی دهد. هنگامی‌که یک کودک توپ را می رباید، در حالی‌‌‌‌‌‌که پرتاب‌کننده هنور توپ را در دست دارد، به نظر می‌‌‌‌‌‌رسد آن دو به سمت هم جذب شده‌‌‌‌‌‌اند. نه فقط برای آهنرباها بلکه برای پدیده‌‌‌‌‌‌های الکترواستاتیکی مانند الکتریسته ساکن نیز، فوتون‌‌‌‌‌‌ها حامل انرژی هستند و این دلیلی است که برای پدیده‌‌‌‌‌هایی مانند نور، که یک نوع موج الکترومغناطیسی است، واژه‌ی الکترومغناطیس استفاده می‌‌‌‌‌‌شود.

اختروش رادیویی درخشان سرنخی از فرایندهای فیزیکی در کهکشان‌های اولیه دارد

۳- مغناطیس نسبیتی است

درست است! زمانی که شما یک عروسک آهنربایی را به یخچال می‌چسبانید، درحال کار با نظریه‌ی نسبیت هستید! مطابق نظریه‌ی نسبیت خاص، طول در جهت حرکت کوتاه‌تر می‌‌‌‌‌شود و این دلیلی است که ماشینی که با سرعت زیادی در حال حرکت است کوتاه‌تر به نظر می‌‌‌‌‌‌رسد، هرچند فردی که داخل ماشین است این موضوع را متوجه نمی‌‌‌‌‌‌شود. این فرد هرچیزی که در جهت حرکتش از کنارش رد می‌‌‌‌‌‌شود را کوتاه‌تر می‌‌‌‌‌‌بیند.

این موضوع روی ذرات بادار داخل سیم نیز تاثیر دارد. معمولا الکترون‌های دارای بار منفی و پروتون‌های دارای بار مثبت موجود در داخل سیم یکدیگر را خنثی می‌‌‌‌‌‌کنند. اما زمانی‌که جریان از داخل سیم عبور می‌‌‌‌‌‌کند، الکترون‌ها شروع به حرکت می‌‌‌‌‌‌کنند و از نظر هر یک از ذرات باردار ساکن خارج از سیم، فاصله‌‌‌‌‌‌ی بین الکترون‌‌‌‌‌‌ها کوتاه‌تر می‌‌‌‌‌‌شود و این‌طور به نظر می‌‌‌‌‌‌رسد که در یک فاصله‌ی خاص، الکترون‌های بیشتری نسبت به پروتون‌ها وجود دارد و تمامی این اتفاقات ایجادکننده‌ی بار منفی خالص هستند.

قراردادن هرگونه بار یا سیم مثبت در کنار سیم حامل جریان، باعث ایجاد جاذبه‌ی مغناطیسی می‌‌‌‌‌‌شود، درصورتی‌که با قراردادن ذرات باردار منفی، سیم‌ها از هم دور خواهند شد. به همین دلیل هنگامی‌که دو سیم را با داشتن دو جریان غیرهم‌سو کنار هم می‌‌‌‌‌‌گذارید آن‌ها به سمت یکدیگر جذب می‌‌‌‌‌‌شوند و اگر جریان هم‌سو با جریان داخل سیم باشد همدیگر را دفع می‌‌‌‌‌‌کنند.

زمانی‌که یک ذره از یک میدان مغناطیسی، مانند یک آهنربای میله‌‌‌‌‌‌ای دائم، عبور می‌‌‌‌‌‌کند نیز اتفاق مشابهی روی می‌‌‌‌‌‌دهد و به این ذرات نیروهای مشابه وارد می‌‌‌‌‌‌شود. بنابر نظریه‌ی نسبیت می‌‌‌‌‌‌توان گفت ذرات در حال حرکت هستند و آهنربا ساکن هستند اما از نقطه نظر ذرات، آهنربا در حال حرکت است. معادلات ماکسول، که توصیف‌‌‌‌‌‌کننده‌ی موج‌‌‌‌‌‌ها و نیروهای الکترومغناطیسی هستند، نشان می‌‌‌‌‌‌دهد که ممکن است شما نیروهای گوناگونی را مشاهده کنید. بسته به اینکه چه چارچوبی را انتخاب کنید، برای ناظر ثابت به نظر می‌‌‌‌‌‌رسد که نیروی مغناطیسی ذرات را به سمت خود کشیده یا هل می‌‌‌‌‌‌دهد و از نظر یک ناظر متحرک این یک نیروی الکترواستاتیک است. این مسئله یکی از قسمت‌‌‌‌‌‌های عمده‌ی مورد مناقشه در نسبیت خاص آلبرت اینشتین است.

۴- بزرگترین آهنربای جهان کجاست؟

بزرگترین آهنرباهای موجود در جهان در لوس‌‌‌‌‌‌آلاموس در آزمایشگاه ملی تحقیقات نیومکزیکو و دانشگاه ایالتی فلوریدا قرار دارند. این دو موسسه دارای آهنرباهایی با توان ۱۰۰ و ۴۵ تسلا هستند. برای مقایسه، دانستن این موضوع کافیست که آهنربایی با قدرت ۲ تسلا قادر است خودرویی را بلند کند!

بزرگترین آهنربا
تصویری از آهنربای هیبریدی دانشگاه ایالتی فلوریدا با قدرت ۴۵ تسلا در کنار لوله‌‌‌‌‌‌های آب سرد. اعتبار تصویر: National High Magnetic Field Laboratory, FSU

آهنربای موجود در لس‌‌‌‌‌‌آلاموس برای ایجاد میدان مغناطیسی که تنها چند ثانیه ماندگار است طراحی شده است، درحالی‌که آهنربای موجود در FSU می‌‌‌‌‌‌تواند میدان مغناطیسی ایجاد شده را تا زمانی‌‌‌‌‌‌که روشن است حفظ کند و هرکدام برای انجام آزمایش‌‌‌‌‌‌های مختلفی طراحی شده‌‌‌‌‌‌اند. رز مک‌‌‌‌‌‌دونالد دانشمندی که در این مجموعه مشغول به کار است می‌‌‌‌‌‌گوید: «اتفاق جالبی که در آهنربای موجود در FSU روی می‌‌‌‌‌‌دهد این است که زمانی‌که یک ماده‌ی دیامغناطیس مانند قوطی‌‌‌‌‌‌های آلومنیومی در اطراف آن قرار داشته باشند، باعث ایجاد میدان مغناطیسی در خلاف جهت آهنربا می‌‌‌‌‌‌شوند. هرچیزی از این جنس در سر جای خود محکم می‌‌‌‌‌چسبد و مانند این است که بخواهید چیزی را داخل باتلاق حرکت‌‌‌‌‌‌دهید.»

کار‌‌‌‌‌‌کردن با قوطی‌‌‌‌‌‌های آلومنیومی در نزدیکی آهنربای لس‌آلاموس و همچنین ایستادن در اتاقی که آهنربا در آن قرار دارد بسیار خطرناک است. هر پالس مغناطیسی در نهایت خودش نابود می‌‌‌‌‌‌شود. مک‌دونالد می‌‌‌‌‌گوید: «به علت وجود تنش‌‌‌‌‌‌های حاصل از نیروهای مغناطیسی بر روی سیم‌‌‌‌‌‌پیچ‌ها، خراب شدن و نابودی آن‌‌‌‌‌‌ها فاجعه‌آمیز است. ما چیزی شبیه به صد دینامیت داریم که ۹۹.۹ درصد ظرفیت آن را استفاده نمی‌‌‌‌‌‌کنیم، اما همین درصد نهایی نیز شامل قدرت زیادی است. بنابراین زمانی‌که آهنربا روشن است ساختمان را تخلیه می‌‌‌‌‌کنیم.»

۵- آهنربا ثابت می‌کند که مکانیک کوانتومی صحیح است

کشف یکی از بنیادین‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ترین ویژگی‌‌‌‌‌‌های مکانیک کوانتومی ذرات، به نام اسپین، شناخت آهنرباها را پیچیده‌‌‌‌‌‌تر کرد. بعد از این‌‌‌‌‌‌ که فیزیکدان «اتو اشترن» و «والتر گرلاخ» آزمایش‌‌‌‌‌‌های خود را در سال ۱۹۲۲ برای آزمایش دو ایده در مورد مکانیک کوتنومی سنجیدند، این آزمایش موفق به نام آزمایش اشترن-گرلاخ نام‌گذاری شد.

آن‌ها از دو آهنربا، که هرکدام میدان مغناطیسی گسترده و متقارنی تشکیل می‌‌‌‌‌‌دادند، استفاده‌‌‌‌‌‌کرده و یکی از آن‌ها را بالای دیگری قرار دادند. سپس ذرات بدون بار اتم‌‌‌‌‌‌های نقره را از طریق این میدان مغناطیسی به سمت هدف شلیک کردند. میدان مغناطیسی متقارن مسیر حرکت ذرات نقره را کمی تغییر داد. از آن‌جایی که اتم‌‌‌‌‌‌ها در مسیر‌‌‌‌‌‌های تصادفی حرکت می‌‌‌‌‌‌کنند و تکانه زاویه‌ای آن‌ها نیز تصادفی است، مسیر حرکت برای هرکدام از اتم‌‌‌‌‌‌های نقره می‌بایست متقاوت باشد؛ اما مشخص نبود این انحراف چقدر است.

صفحه‌ی هدف می‌بایست پخش یکنواختی از محل برخورد اتم‌‌‌‌‌‌ها را نشان می‌‌‌‌‌‌داد، اما این اتفاق نیفتاد! در عوض طرحی از برخورد دو ابر حاصل شد. از آن‌جایی‌‌‌‌‌‌که پرتوی نور به دو قسمت تقسیم شده و ذرات قادر نیستند در هرجایی بین این دو مسیر نور حرکت کنند، اشترن و گرلاخ نتیجه گرفتند که اسپین ذرات کوانتیده است و فقط می‌‌‌‌‌‌تواند دارای اسپین بالا یا پایین باشد.

سرن (قسمت ۱۱) : برخورددهنده‌ی بزرگ الکترون-پوزیترون

۶- آهنرباها لزوما آهنی یا فلزی نیستند

بیشتر آهنرباهای که ما استفاده می‌‌‌‌‌‌کنیم از آهن ساخته شده‌اند، اما نیازی نیست همگی از این جنس باشند. آهنربا می‌‌‌‌‌‌تواند از هر ماده‌‌‌‌‌‌ای که دارای الکترون جفت‌نشده باشد، ایجاد گردد، که این شامل بسیاری از فلزات و آلیاژها مانند نئودیموم، که در درایو‌‌‌‌‌‌های سی‌‌‌‌‌دی استفاده می‌‌‌‌‌‌شود، خواهد بود. مواد فرومغناطیس اغلب فلزی نیستند، از میان آن‌ها می‌‌‌‌‌‌توان به لعل، که در عایق درب یخچال‌‌‌‌‌‌ها استفاده می‌شود، اشاره کرد.

۷- پزشکی مغناطیسی

هیچ شواهدی وجود ندارد که آهنرباها می‌‌‌‌‌‌توانند درد را کاهش دهند. اگرچه در خون شما آهن وجود دارد اما اتم‌‌‌‌‌‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن بسیار دور از هم و پراکنده هستند در نتیجه میدان مغناطیسی نمی‌تواند روی آن‌ها تاثیر بگذارد. اگر تا الان امتحان کرده باشید و با انگشت خود یک قطره خون را نزدیک یک آهنربا قرار دهید متوجه خواهید‌‌‌‌‌‌ شد که نه خون و نه آهنربا یه یکدیگر جذب نمی‌‌‌‌‌‌شوند.

آهنربایی که در دستگاه‌های تصویربرداری مغناطیسی استفاده می‌‌‌‌‌‌شود از آهنرباهایی که در قبرستان‌های ماشین برای بلندکردن ماشین‌‌‌‌‌‌ها استفاده می‌‌‌‌‌‌شود قوی‌‌‌‌‌‌تر است. در بیشتر موارد آهنرباهای MRI ابررسانا هستند و توسط هلیوم مایع خنک می‌‌‌‌‌‌شوند.

کاربرد آهنربا
تصویربرداری MRI. اعتبار تصویر: Shutterstock.com

۸- تاریخچه‌ی آهنربا

چینی‌ها و یونانیان باستان از چیزی به نام «Load stone» یا سنگ آهنربا نام برده‌‌‌‌‌‌اند که می‌‌‌‌‌‌توانسته است مواد خاصی را بلند کند. این ماده درواقع یک آهنربا متشکل از اکسید‌‌‌‌‌‌آهن بوده و زمانی که ماگما به آهستگی سرد می‌‌‌‌‌‌شود، شکل می‌‌‌‌‌‌گیرد. Load stone فلزهای آهنی دیگر را نیز جذب می‌‌‌‌‌‌کند و حتی آهن معمولی را بهتر مغناطیسی می‌‌‌‌‌‌کند.

زمانی‌که یک تکه‌ی کوچک فلزی مغناطیسی‌شده را از یک تکه نخ در آب آویزان کنیم، بلافاصله با خطوط میدان مغناطیسی سیاره زمین هم‌راستا می‌‌‌‌‌‌شود و تبدیل به ساده‌‌‌‌‌‌ترین قطب‌نمای مغناطیسی می‌‌‌‌‌‌شود.

۹- آهنربا در حیوانات

برخی از حیوانات و باکتری‌‌‌‌‌‌ها در بدنشان دارای مگنتیت هستند. نوعی از حلزون به نام چیتون در دندانش، که درواقع پوشاننده‌ی زبانش است، دارای مگنتیت دارد و با خاصیت سایندگی آن می‌‌‌‌‌تواند جلبک‌‌‌‌‌‌ها را لیس بزند. مطالعه‌ی پنگوئن‌‌‌‌‌‌هایی که به لانه‌‌‌‌‌‌شان برمی‌‌‌‌‌‌گردنند نشان می‌‌‌‌‌‌دهد که استفاده از حس مغناطیسی به آن‌ها برای جهت‌‌‌‌‌‌یابی کمک می‌‌‌‌‌‌کند. به نظر می‌‌‌‌‌‌رسد مگنتیت‌‌‌‌‌‌های موجود در منقار حیوانات نیز نقش کلیدی را در پرواز ایفا می‌‌‌‌‌‌کند، اما اینکه تا چه میزان در حس مغناطیسی (اداراک مغناطیسی) نقش دارند نامشخص است.


مترجم: مارال مشعوف/ ویراستار: زهرا جعفریان/ تحریریه‌ی رسانه‌ی علمی کیهان‌شناس

منبع: livescience

 دسته‌ها:
       
avatar
  Subscribe  
Notify of

رصد و اکتشافات فضایی

عبور سیارک
عبور سیارک بزرگی در روز ۱۰ آگوست از نزدیکی زمین
98
نظریه‌های توطئه‌ی ماه
مهم‌ترین نظریه‌های توطئه‌ی ماه و بررسی آن‌ها
130
ماموریت فرود بر روی ماه
ماموریت فرود بر روی ماه «آپولو۱۱» نشان داد که موجودات فرازمینی فراتر از داستان‌های علمی‌تخیلی هستند
146
تمدن‌های فرازمینی
تمدن‌های فرازمینی از چه راه‌هایی می‌توانند با ما ارتباط برقرار کنند؟
105
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
دو سیاره شبیه به زمین در اطراف ستاره‌ای در نزدیکی ما یافت شد
152

ذرات بنیادی

اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی
دانشمندان از اولین تصویر درهم‌تنیدگی کوانتومی پرده‌برداری کردند
204
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
ذرات بنیادی چه چیزهایی هستند؟
92
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
فیزیکدانان با به دام انداختن ۱۰ جفت فوتون، رکورد جدیدی را ثبت کردند
109
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
آیا نیروی پنجم جدیدی در طبیعت یافت شده است؟
49
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
نگاهی به آزمایشات فیزیک پیرامون یافتن ذره‌ی روح
173