تنجذب بقوة للمغناطيس. لماذا لا يجذب المغناطيس المواد العضوية؟ المغناطيس والخصائص المغناطيسية للمادة
من الصعب العثور على شخص لا يعرف ما هو المغناطيس. بتعبير أدق، يمكن لقطعة معينة تشبه المعدن أن تجذب أجسامًا حديدية مختلفة إلى نفسها، كما أنها تنجذب أو تتنافر بشكل متبادل من مغناطيس آخر مماثل. لكن لا يعلم الجميع طبيعة هذه الظواهر. على الرغم من أن جوهر المغناطيس لا يخفي أي أسرار أو مضاعفات خاصة. كل شيء عنه بسيط للغاية. دعونا نلقي نظرة في هذه المقالة على السبب والطبيعة التي تكمن وراء عمل المغناطيس.
لذا، أولاً وقبل كل شيء، دعونا نبدأ بما يلي. أعتقد أنك سمعت أن أساس تشغيل أي جهاز كهربائي هو حركة التيار الكهربائي عبر الدوائر الداخلية للجهاز. التيار الكهربائيهي جسيمات كهربائية صغيرة لها شحنة كهربائية معينة وتتحرك بطريقة منظمة داخل الموصلات (كل ما يوصل التيار من خلال نفسه) عندما تتاح مثل هذه الفرصة (عندما تنشأ دائرة مغلقة). تسمى الجسيمات ذات الشحنة السالبة عادة بالإلكترونات. وهم الذين يقومون بعملهم (الحركة) في المواد الصلبة. تتحرك الأيونات ذات الشحنة الموجبة في المواد السائلة والغازية.
ما هي العلاقة بين الجسيمات المشحونة كهربائيا والمغناطيس التي تعبر عن جوهرها؟ والاتصال مباشر! لقد أثبت العلماء منذ فترة طويلة أن المجال المغناطيسي ينشأ على وجه التحديد حول شحنة كهربائية متحركة. ربما سمعت أيضًا أن المجالات المغناطيسية موجودة حول الأسلاك العادية التي يتدفق من خلالها التيار. وبمجرد توقف التيار عن الحركة، يختفي المجال الكهرومغناطيسي أيضًا. هذا هو جوهر وشرط حدوثه المجال المغنطيسي.
نعلم من الفيزياء المدرسية أن أي أشياء وأشياء من حولنا تتكون من ذرات وجزيئات (جزيئات أولية صغيرة إلى حد ما). هذه الجسيمات الأولية بدورها لها البنية التالية. يوجد بالداخل نواة (تتكون من بروتونات ونيوترونات) (النواة لها شحنة موجبة)، وتدور الجزيئات الأصغر حول هذه النواة بسرعة كبيرة، وهي إلكترونات (له شحنة سالبة).
لذلك، جوهر المغناطيس هو كما يلي. وبما أننا اكتشفنا أن مجالاً مغناطيسياً ينشأ حول الشحنات الكهربائية المتحركة، وأن هناك إلكترونات في جميع الذرات والجزيئات، وهي في حالة حركة مستمرة، فإن الذرات والجزيئات لها مجالات مغناطيسية حولها (وهي صغيرة جداً من حيث القوة والحجم) ). بالإضافة إلى ذلك، تجدر الإشارة إلى أن المواد والأشياء المختلفة لها خصائص مغناطيسية مختلفة. يتمتع بعضها بخصائص مغناطيسية قوية جدًا، بينما يتمتع بعضها الآخر بخصائص مغناطيسية ضعيفة تشير إلى الغياب التام للمجالات.
هذا هو أساس طبيعة وجوهر المغناطيس. ولكن حتى تلك المواد التي لديها مجالات مغناطيسية عالية الكثافة (وهي مغناطيسات حديدية وأشهرها الحديد البسيط) ليست دائمًا مغناطيسية. لماذا هذا؟ لأن هناك تأثير أحادية الاتجاه والفوضى. اسمحوا لي أن أشرح ما هو عليه. لا يعتمد جوهر المغناطيس (مظهر المغناطيسية) على المادة فحسب، بل يعتمد أيضًا على موضع الذرات والجزيئات الموجودة داخل المادة. إذا تم توصيل مغناطيسين بحيث تتطابق أقطابهما في الاتجاه، فإن القوة المغناطيسية للمجالات ستقوي بعضها البعض، وسيصبح المجال الإجمالي الناتج أقوى. ولكن إذا تم وضع هذه المغناطيسات في أقطاب متقابلة بالنسبة لبعضها البعض، فمن الطبيعي أن تضطهد بعضها البعض، وسوف يضعف مجالها المشترك. وبالمثل، في المواد الداخلية، للحصول على أكبر مجال مغناطيسي، من الضروري أن تكون جميع ذرات وجزيئات المادة المغناطيسية أحادية الاتجاه مع أقطابها. ويتم تحقيق ذلك بطرق مختلفة.
وهكذا، اكتشفنا جوهر المغناطيس وطبيعة عمله. الآن قليلا عن كيفية صنع المغناطيس. إذا كنت بحاجة إلى صنع مغناطيس دائم (قطعة عادية من المغناطيس تمغنط بشكل دائم)، فخذ مادة مغناطيسية حديدية وضعها في مجال مغناطيسي ذي كثافة عالية بدرجة كافية لفترة معينة. وبعد ذلك يبدأ هذا المغناطيس الحديدي نفسه في الحصول على خصائص مغناطيسية. ونتيجة لوضعها في مجال مغناطيسي عالي الشدة، فإن الجزيئات الأولية للمادة تحولت في اتجاه واحد، مما أدى إلى ظهور تأثير أحادية الاتجاه للذرات والجزيئات.
لإنتاج المغناطيسات الكهربائية، أستخدم ملفات نحاسية بسيطة، يتم وضع قلب مغناطيسي بداخلها، مما يعزز التأثير المغناطيسي العام. أي أنه عندما يمر تيار مباشر عبر هذا الملف، فإنه يبدأ في جذب الأجسام الحديدية إلى نفسه. بعد كل شيء، يتدفق التيار عبر الملف (الجزيئات المشحونة). ونتيجة لذلك، سوف ينشأ حوله مجال كهرومغناطيسي. وكلما زاد عدد اللفات في الملف، وكلما زاد التيار الذي يمر عبره، زادت القوة المغناطيسية المتولدة حوله.
ملاحظة: لذلك، من حيث المبدأ، اكتشفنا طبيعة وجوهر المغناطيس. معرفة المبدأ العامهيكل وعمل المغناطيس (المغناطيس الكهربائي) الآن أصبح من الواضح لك لماذا يجذب المغناطيس الأجسام الحديدية إلى نفسه.
الخصائص البغيضة للمغناطيس واستخدامها في التكنولوجيا
المغناطيس والخصائص المغناطيسية للمادة.
إن أبسط مظاهر المغناطيسية معروفة منذ وقت طويل جدًا، وهي مألوفة لدى معظمنا. هناك نوعان من المغناطيس أنواع مختلفة. بعضها يسمى بالمغناطيس الدائم، وهو مصنوع من مواد "مغناطيسية صلبة". وهناك نوع آخر يتضمن ما يسمى بالمغناطيسات الكهربائية ذات قلب مصنوع من الحديد "المغناطيسي الناعم".
على الأغلب كلمة " مغناطيس"يأتي من الاسم المدينة القديمةمغنيسيا في آسيا الصغرى، حيث توجد رواسب كبيرة من هذا المعدن
الأقطاب المغناطيسية والمجال المغناطيسي.
إذا تم تقريب قضيب من الحديد غير الممغنط من أحد قطبي المغناطيس، فإن الأخير يصبح ممغنطًا مؤقتًا. في هذه الحالة، سيكون قطب القضيب الممغنط الأقرب إلى قطب المغناطيس معاكسًا في الاسم، ويكون القطب البعيد بنفس الاسم.
باستخدام موازين الالتواء، درس العالم كولومب التفاعل بين مغناطيسين طويلين ورفيعين. وأظهر كولومب أن كل قطب يمكن أن يتميز "بقدر معين من المغناطيسية"، أو "الشحنة المغناطيسية"، وقانون تفاعل الأقطاب المغناطيسية هو نفس قانون تفاعل الشحنات الكهربائية: قطبان متشابهان يتنافران، وقطبان مختلفان يجذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب طرديا مع "الشحنات المغناطيسية" المركزة في هذين القطبين، وتتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.
تطبيق المغناطيس
هناك أمثلة لا حصر لها على استخدام المواد المغناطيسية. يعد المغناطيس الدائم جزءًا مهمًا جدًا من العديد من الأجهزة المستخدمة في أعمالنا الحياة اليومية. يمكن العثور عليها في رأس الالتقاط ومكبر الصوت والغيتار الكهربائي ومولد كهربائي للسيارة والمحركات الصغيرة لأجهزة التسجيل وميكروفونات الراديو وعدادات الكهرباء وغيرها من الأجهزة. حتى أنهم يصنعون "فكوكًا مغناطيسية"، أي فكوكًا فولاذية ممغنطة للغاية تتنافر، ونتيجة لذلك، لا تحتاج إلى أدوات تثبيت.
يستخدم المغناطيس على نطاق واسع في العلوم الحديثة. هناك حاجة إلى مواد مغناطيسية للتشغيل في نطاقات الموجات الدقيقة، وللتسجيل والتشغيل المغناطيسي، ولإنشاء أجهزة تخزين مغناطيسية. تتيح محولات الطاقة المغناطيسية تحديد عمق البحر. من الصعب الاستغناء عن مقاييس المغناطيسية التي تحتوي على عناصر مغناطيسية شديدة الحساسية إذا كنت بحاجة إلى قياس المجالات المغناطيسية الضعيفة بشكل لا يذكر، بغض النظر عن مدى تعقيد توزيعها في الفضاء.
وكانت هناك حالات قاتلوا فيها بالمغناطيس وتبين أنها ضارة. هذا هو تاريخ زمن العظماء الحرب الوطنيةيوضح العمل المسؤول الذي قام به متخصصو المغناطيسية في تلك السنوات القاسية. لنأخذ، على سبيل المثال، مغنطة بدن السفينة. مثل هذه المغنطة "العفوية" ليست ضارة على الإطلاق: لا تبدأ بوصلات السفينة في "الكذب" فحسب، بل تخطئ في مجال السفينة نفسها في مجال الأرض وتشير بشكل غير صحيح إلى الاتجاه، بل يمكن للسفن المغناطيسية العائمة أن تجتذب الأجسام الحديدية. وإذا كانت هذه الأشياء مرتبطة بالألغام، فإن نتيجة الجذب تكون واضحة. ولهذا السبب كان على العلماء التدخل في حيل الطبيعة وإزالة مغناطيسية السفن على وجه التحديد حتى تنسى كيفية التعامل مع الألغام المغناطيسية.
يستخدم المغناطيس بشكل أساسي في الهندسة الكهربائية، وهندسة الراديو، وصناعة الأدوات، والأتمتة، والميكانيكا عن بعد.
مولدات الآلات الكهربائية والمحركات الكهربائية -الآلات الدورانية التي تحول إما الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (المولدات) أو الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (المحركات). يعتمد تشغيل المولدات على مبدأ الحث الكهرومغناطيسي: يتم تحفيز القوة الدافعة الكهربائية (EMF) في سلك يتحرك في مجال مغناطيسي. يعتمد تشغيل المحركات الكهربائية على حقيقة أن القوة تؤثر على سلك يحمل تيارًا موضوعًا في مجال مغناطيسي عرضي.
مقياس الدينامومتر الكهرومغناطيسيويمكن صنعه على شكل جهاز مصغر مناسب لقياس خصائص المحركات صغيرة الحجم.
تُستخدم الخواص المغناطيسية للمادة على نطاق واسع في العلوم والتكنولوجيا كوسيلة لدراسة بنية الأجسام المختلفة. هكذا نشأوا علوم:
الكيمياء المغناطيسية(الكيمياء المغناطيسية) - فرع من الكيمياء الفيزيائية يدرس العلاقة بين المغناطيسية و الخصائص الكيميائيةالمواد؛ بالإضافة إلى ذلك، تدرس الكيمياء المغناطيسية تأثير المجالات المغناطيسية على العمليات الكيميائية. تعتمد الكيمياء المغناطيسية على الفيزياء الحديثة للظواهر المغناطيسية. دراسة العلاقة بين الخواص المغناطيسية والكيميائية تجعل من الممكن توضيح الميزات التركيب الكيميائيالمواد.
تكنولوجيا الميكروويف
اتصال.تستخدم موجات الراديو الميكروويف على نطاق واسع في تكنولوجيا الاتصالات. بالإضافة إلى أنظمة الراديو العسكرية المختلفة، هناك العديد من خطوط الاتصالات التجارية بالموجات الدقيقة في جميع دول العالم. وبما أن موجات الراديو هذه لا تتبع انحناء سطح الأرض ولكنها تنتقل في خط مستقيم، فإن روابط الاتصال هذه تتكون عادةً من محطات ترحيل مثبتة على قمم التلال أو أبراج الراديو على فترات تبلغ حوالي 50 كيلومترًا.
المعالجة الحرارية المنتجات الغذائية. يستخدم إشعاع الميكروويف في المعالجة الحرارية للمنتجات الغذائية في المنزل وفي صناعة الأغذية. يمكن تركيز الطاقة المولدة بواسطة الأنابيب المفرغة عالية الطاقة في حجم صغير من أجل المعالجة الحرارية عالية الكفاءة للمنتجات فيما يسمى. أفران الميكروويف أو الميكروويف، وتتميز بالنظافة والصمت والاكتناز. تُستخدم هذه الأجهزة في قوادس الطائرات وعربات تناول الطعام بالسكك الحديدية و آلات البيعحيث يتطلب إعداد الطعام وطهيه بسرعة. تنتج الصناعة أيضًا أفران الميكروويف للاستخدام المنزلي.
بمساعدة المغناطيس حاولوا علاج (وليس بدون نجاح) الأمراض العصبية وألم الأسنان والأرق وآلام الكبد والمعدة - مئات الأمراض.
في النصف الثاني من القرن العشرين، انتشرت الأساور المغناطيسية على نطاق واسع، وكان لها تأثير مفيد على المرضى الذين يعانون من اضطرابات ضغط الدم (ارتفاع ضغط الدم وانخفاض ضغط الدم).
واحد " الباحث"- ادعى صانع الأحذية سبنس من بلدة لينليثجو الاسكتلندية، الذي عاش في مطلع القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، أنه اكتشف مادة سوداء معينة تعمل على تحييد القوى الجذابة والبغيضة للمغناطيس. ووفقا له، بمساعدة هذه المادة الغامضة والمغناطيسين الدائمين، يُزعم أنه يمكنه بسهولة الحفاظ على الحركة المستمرة لاثنين من الهواتف المتحركة الدائمة صناعة شخصية. ونقدم هذه المعلومات اليوم كمثال نموذجي للأفكار الساذجة والمعتقدات البسيطة، والتي وجد العلم صعوبة في التخلص منها حتى في العصور اللاحقة. يمكن للمرء أن يفترض أن معاصري سبنس لن يكون لديهم حتى ظل من الشك حول عدم معنى تخيلات صانع الأحذية الطموح. ومع ذلك، رأى أحد الفيزيائيين الاسكتلنديين أنه من الضروري ذكر هذه الحالة في رسالته المنشورة في المجلة حوليات الكيمياء"في عام 1818 حيث كتب:
"... قام السيد بلايفير والكابتن كاتر بفحص هاتين الآلتين وأعربا عن ارتياحهما لأن مشكلة الحركة الدائمة قد تم حلها أخيرًا."
وبالتالي، اتضح أن خصائص المغناطيس تستخدم على نطاق واسع في أشياء كثيرة، وهي مفيدة للغاية للبشرية جمعاء ككل.
أي جسيم مشحون متحرك يخلق مجالا مغناطيسيا. إذا كان هناك العديد من هذه الجزيئات وتتحرك حول نفس المحور، فسيتم الحصول على المغناطيس.
إذا كنت ستسأل أحد الحائزين على جائزة نوبل في الفيزياء هل تعرف كيف يعمل المغناطيس، فحاول صياغة سؤالك بشكل أكثر وضوحًا، وإلا فسوف تفعل ذلك. أنت تقوم بمخاطرة كبيرة، لقد حذرتك.
تتكون الذرة من نواة وإلكترونات تدور حولها. يمكن أن تدور الإلكترونات في مدارات مختلفة، والتي تسمى مستويات الإلكترون. يمكن أن يحتوي كل مستوى إلكتروني على إلكترونين يدوران في اتجاهات مختلفة.
لكن في بعض المواد، لا تقترن جميع الإلكترونات، وتدور عدة إلكترونات في نفس الاتجاه؛ وتسمى هذه المواد بالمغناطيسات الحديدية. وبما أن الإلكترون مجرد جسيم مشحون، فإن الإلكترونات التي تدور حول الذرة في نفس الاتجاه تخلق مجالًا مغناطيسيًا. والنتيجة هي مغناطيس كهربائي مصغر.
إذا تم ترتيب ذرات المادة بترتيب عشوائي، كما يحدث غالبًا، فإن مجالات هذه المغناطيسات النانوية تعوض بعضها البعض. ولكن إذا تم توجيه هذه المجالات المغناطيسية في نفس الاتجاه، فسوف تضيف ما يصل - وسوف تحصل على مغناطيس.
لماذا ليست كل العملات المعدنية مغناطيسية؟
إذا قمت بخلط زيت الآلة مع حبر طابعة الليزر، يمكنك الحصول على السائل الممغنط - وهو السائل الذي ينجذب بواسطة المغناطيس.
من الأفضل جذب المغناطيس للمغناطيسات الحديدية، لأنها تحتوي على إلكترونات دوارة غير متزاوجة. تتأثر الشحنات المتحركة في المجال المغناطيسي بقوة لورنتز، ولهذا السبب يجذب المغناطيس المغناطيسات الحديدية الأخرى.
ولكن ليس كل المعادن تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة في ذراتها؛ فقوة لورنتز تؤثر على الإلكترونات المتزاوجة في اتجاهين متعاكسين، لذلك لا تنجذب إلى المغناطيس. على سبيل المثال، العملات المعدنية الحديثة من 10 كوبيل و50 كوبيل و10 روبل هي مغناطيسية، ولكن واحد واثنين وخمسة روبل ليست مغناطيسية، لأنها مصنوعة من سبائك النحاس، وهي ليست مغناطيسية حديدية.
عندما يجذب المغناطيس الأجسام المعدنيةيبدو الأمر وكأنه سحر، ولكن في الواقع ترتبط الخصائص "السحرية" للمغناطيس فقط بالتنظيم الخاص لبنيتها الإلكترونية. ونظرًا لأن الإلكترون الذي يدور حول الذرة يخلق مجالًا مغناطيسيًا، فإن جميع الذرات عبارة عن مغناطيسات صغيرة؛ ومع ذلك، في معظم المواد، تلغي التأثيرات المغناطيسية المضطربة للذرات بعضها البعض.
يختلف الوضع في المغناطيس، حيث يتم ترتيب المجالات المغناطيسية الذرية في مناطق مرتبة تسمى المجالات. ولكل منطقة من هذه المناطق قطب شمالي وجنوبي. يتميز اتجاه وكثافة المجال المغناطيسي بما يسمى بخطوط القوة (الموضحة باللون الأخضر في الشكل)، والتي تترك القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل إلى الجنوب. كلما زادت كثافة خطوط القوة، زاد تركيز المغناطيسية. يجذب القطب الشمالي لأحد المغناطيسات القطب الجنوبي لمغناطيس آخر، بينما يتنافر القطبان المتشابهان. يجذب المغناطيس معادن معينة فقط، خاصة الحديد والنيكل والكوبالت، والتي تسمى المغناطيسات الحديدية. على الرغم من أن المواد المغناطيسية الحديدية ليست مغناطيسات طبيعية، إلا أن ذراتها تعيد ترتيب نفسها في وجود مغناطيس بحيث تتطور الأجسام المغناطيسية إلى أقطاب مغناطيسية.
سلسلة مغناطيسية
يؤدي لمس نهاية المغناطيس إلى مشابك الورق المعدنية إلى إنشاء قطب شمالي وجنوبي لكل مشبك ورق. يتم توجيه هذه الأقطاب في نفس اتجاه المغناطيس. أصبح كل مشبك ورق مغناطيسًا.
عدد لا يحصى من المغناطيسات الصغيرة
تحتوي بعض المعادن على بنية بلورية تتكون من ذرات مجمعة في مجالات مغناطيسية. عادةً ما يكون للأقطاب المغناطيسية للمجالات اتجاهات مختلفة (الأسهم الحمراء) وليس لها تأثير مغناطيسي صافي.
تكوين المغناطيس الدائم
- عادةً ما تكون المجالات المغناطيسية للحديد موجهة بشكل عشوائي (الأسهم الوردية)، ولا تظهر المغناطيسية الطبيعية للمعدن.
- إذا قمت بتقريب المغناطيس (الشريط الوردي) من الحديد، فإن المجالات المغناطيسية للحديد تبدأ في الاصطفاف على طول المجال المغناطيسي (الخطوط الخضراء).
- تصطف معظم المجالات المغناطيسية للحديد بسرعة على طول خطوط المجال المغناطيسي. ونتيجة لذلك، يصبح الحديد نفسه مغناطيسًا دائمًا.
اكتشف العلماء لماذا لا يجذب المغناطيس كل شيء
موسكو، 11 فبراير/شباط. طرح العلماء السؤال: لماذا لا يجذب المغناطيس كل الأشياء؟ اتضح أن بعض المعادن، بما في ذلك الحديد والنيكل، تنجذب بقوة للمغناطيس بسبب بنيتها، كما تنجذب جميع المعادن والمواد الأخرى الأخرى أيضًا، ولكن بقوة أقل بكثير، كما كتب Science.YoRead.ru.
تُظهر الصورة الشهيرة للضفدع المعلق في الهواء كيف تؤثر قوة المجال المغناطيسي على الأشياء والكائنات الحية. تمكن الضفدع من التعلق في الهواء لأن المجال المغناطيسي كان أكبر بمئة ألف مرة من المجال المغناطيسي للأرض. جاءت شعبية هذه الصورة بفضل عالم حصل على جائزة إيغ نوبل لصورته التي تصور ضفدعًا عائمًا.
بعد التجربة مع الضفدع، أصبح من الواضح أن المغناطيس يمكنه جذب كل شيء، ولكن لماذا يجذب الحديد بقوة أكبر؟ تكمن الإجابة على هذا السؤال في الاتصال غير العادي لذرات الحديد، والتي، على عكس المواد الأخرى، منسقة. وهذا يعني أن ذرات الحديد التي تنجذب إلى المغناطيس قادرة على جذب جميع الذرات القريبة إلى المغناطيس، مما يؤدي إلى زيادة المساحة بشكل كبير، وبالتالي قوة الجذب.
وفي وقت سابق، أعلن باحثون من معهد جورجيا للتكنولوجيا عن اكتشاف خاصيتين للذهب لم تكن معروفة من قبل، والتي يظهرها المعدن الثمين على المستوى المجهري. على مقياس الفيزياء النيوتونية، هذه الخصائص غائبة.
اكتشف العلماء أنه تحت تأثير المجال الكهربائي، تستطيع طبقة رقيقة من الذهب تغيير تركيبها الجزيئي من ثلاثي الأبعاد إلى مسطح. وبعد إيقاف المجال، أصبح الهيكل ثلاثي الأبعاد مرة أخرى.
وقد وجد أيضًا أنه عند تطبيق مجال كهربائي على سطح مطلي بالذهب مبرد، تكون العناقيد النانوية للمعادن الثمينة قادرة على إجراء الأكسدة الحفزية، وتحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون. ثاني أكسيد الكربونثاني أكسيد الكربون.
مقالات حول هذا الموضوع
