▪ میدان مغناطیسی :میدان مغناطیسی‌ یك میدان نیروست، مثل میدان جاذبهٔ زمین. درست همان‌طور كه یك جسم در محدودهٔ میدان جاذبهٔ زمین، جذب زمین می‌شود، یك قطعهٔ مغناطیسی نیز در میدان مغناطیسیِ یك آهن‌ربا، جذب آهن‌ربا می‌شود.
این خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا به علت وجود دوقطبی‌های مغناطیسی است (یعنی یك آهن‌ربا متشكل از آهن‌رباهای ریز است). علت به وجود آمدن دوقطبی‌های مغناطیسی، حركت الكترون‌هاست. برای درك بهتر انواع حركت‌های الكترون، بهتر است قدری راجع به ساختمان اتم صحبت كنیم.
● ساختمان اتم
همان‌طور كه می‌دانیم، اتم شامل مجموعه‌ای از ذرات باردار مثبت (پروتون‌ها) در هسته و مجموعه‌ای از ذرات باردار منفی (الكترون‌ها) در پوسته است. (نوترون در ایجاد خاصیت مغناطیسی تأثیری ندارد). الكترون‌ها در مدارهایی حلقوی به نام اُربیتال دور هسته می‌چرخند. با نگاه به نمودار زیر (كه برای Fe۲۶ رسم شده است) قطعاً این مجموعه را به خاطر خواهید آورد:


fe۲۶:۱s۲,۲s۲,۲P۶,۳s۳,۳P۶,۳d۴,۴s۲


اُربیتال‌ها به ترتیب با نام‌های K و L وM وN و... شناخته می‌شوند و در هر اُربیتال اتم‌ها در لایه‌های s و p و d و f به دور هسته می‌چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپین» می‌گوییم. در تمام این مقاله،‌ می‌خواهیم این موضوع را تفهیم کنیم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداری به نام «گشتاور» ایجاد می‌كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر می‌آورید: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون‌ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نیرویی را نشان می‌دهد که در اثر تغییر بردار حرکت الکترون تولید می‌شود. مجموعهٔ خطوط این بردارهای گشتاور، یك میدان مغناطیسی را به وجود می‌آورد. یعنی وقتی یك جسم در فاصله‌ای نزدیك چنین قطعه‌ای قرار بگیرد، این مجموعه از نیروها بر آن وارد می‌شوند و به اصطلاح آن را یا به طرف خود جسم می‌كشند (جاذبه) و یا هُل می‌دهند (دافعه).
امّا حتماً توجه دارید که دو نیرو در یك راستا، ولی در خلاف جهت هم، همدیگر را خنثی می‌كنند. بنابراین،‌ اگر در یك لایه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته می‌چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نیرو در خلاف جهت تولید می‌شوند كه همدیگر را خنثی می‌كنند. از این رو، اگر جسمی در نزدیكی آنها قرار بگیرد، یك نیرو آن را می‌كشد و یك نیرو آن را هُل می‌دهد و در کل هیچ نیرویی بر آن وارد نمی‌شود. پس مادهٔ مورد نظر ما، با یك اربیتال پُر (دارای تعداد الكترون‌های زوج در لایهٔ آخر كه برای Fe۲۶،‌ اربیتال d لایهٔ آخر است) دارای خاصیت مغناطیسی نخواهد بود.
اما یك راه دیگر هم برای ایجاد خاصیت مغناطیسی در ماده وجود دارد. در این روش، خاصیت مغناطیسی ناشی از نوع دیگری از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون‌ها به جز حركت اُربیتالی (چرخش به دور هسته كه در بالا توضیح داده شد) می‌توانند مثل كرهٔ زمین به دور خود نیز بچرخند. در این حالت نیز همان بردار گشتاور ایجاد می‌شود و اگر تعداد الكترون‌ها در لایهٔ آخر زوج باشد دوباره نیروهای به‌وجودآمده همدیگر را خنثی می‌كنند.
جامداتی كه در آنها لایهٔ d در حال پر شدن است، دارای خاصیت مغناطیسی خواهند بود، اما این خاصیت مغناطیسی فقط ناشی از چرخش الكترون‌های لایهٔ آخر ( : Fe۲۶) است. زیرا لایهٔ d به هسته نزدیك است و جاذبهٔ هسته به الكترون‌های این لایه اجازه نمی‌دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتی كه لایهٔ f در حال پُر شدن است، چون فاصلهٔ لایه از هسته زیاد است، الكترون‌ها هم می‌توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نیرو ناشی از دو نوع حركت به وجود می‌آید و واضح است كه خاصیت مغناطیسی بسیار بیشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به این موضوع هم باید توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربیتالی) و چرخش به دور خود (حركت وضعی)‌ برای یك الكترون در خلاف هم هستند.
● حوزه‌های مغناطیسی
یك مادهٔ مغناطیسی مجموعه‌ای از حوزه‌های مغناطیسی است. حوزهٔ مغناطیسی،‌ ناحیه‌ای است كه درون آن همهٔ الكترون‌های لایه‌های منفرد در یك جهت به دور هسته و به دور خود می‌چرخند. یعنی یك مادهٔ چندحوزه‌ای مجموعه‌ای از حوزه‌هاست كه در هر حوزه الكترون‌ها در جهتی خاص به دور هسته می‌چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نیرو در راستای خاص خود را به وجود می‌آورد و مجموعهٔ بردارهای نیروی تولیدشده، در جهات مختلف، به نوعی همدیگر را خنثی می‌كنند. یعنی میدان نیروی ما، مجموعه‌ای از نیروهای پراكنده است. پس قدرت آن ضعیف‌تر خواهد شد.
▪ برای درك این موضوع به مثال زیر توجه كنید.
دو اتاق كنار هم را در نظر بگیرید. در اتاق اول ۱۰ نفر وجود دارند. از این ۱۰ نفر، ۱ نفر از جنوب به شمال،‌ ۲ نفر از غرب به شرق، ۱ نفر از شرق به غرب و ۴ نفر از شمال به جنوب در حركت‌اند. (این اتاق دقیقاً همان مادهٔ چندحوزه‌ای است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش‌ها جهت حركت آدم‌ها هستند.)
در اتاق دوم ۴ نفر وجود دارند كه همگی از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حركت‌اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم‌ها با هم برخورد می‌كنند. بنابراین، برآیند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خیلی كم‌تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به‌راحتی حركت می‌كنند و هیچ برخوردی بین آنها وجود ندارد. بنابراین، برآیند حركتیِ آنها معادل حركت ۴ نفر است.
● القای مغناطیسی
القای مغناطیسی یعنی اینكه بخواهیم ماده‌ای را كه برای مغناطیسی شدن مناسب است، مغناطیس كنیم. واضح است كه برای این كار باید حوزه‌های مغناطیسی غیر هم‌جهت را هم‌جهت كنیم تا نیروهای حاصل همدیگر را خنثی نكنند. برای این كار باید قطعه را با یك آهن‌ربا مالش دهیم، یا آن را در جهت میدان مغناطیسیِ زمین گداخته كنیم یا در این جهت چكش‌كاری كنیم. این كارها باعث چرخیدن فلش‌ها در هر حوزه ‌می‌شوند تا در نهایت تمام فلش‌ها هم‌جهت شوند، یعنی جهت چرخش الكترون‌ها در هر حوزه عوض شود. با این كار مرز بین حوزه‌ها حركت می‌كند و حوزه‌های كوچك‌تر در حوزه‌های بزرگ ادغام (هضم) می‌شوند.
ساده‌ترین مواد مغناطیسی که می‌شناسیم، آهنرباها هستند. آهن‌رباها نقش تعیین‌كننده‌ای در زندگی بشر دارند. در این فصل نشان می‌دهیم كه برای استفاده از برخی خواص مغناطیس، از جمله در كارت‌های اعتباری، باید از پودرهای مغناطیسی استفاده كرد. همچنین نشان می‌دهیم كه اندازهٔ پودرها تأثیر زیادی در خاصیت مغناطیسی آنها دارد.
● سرگذشت آهنربا
بزرگترین مادهٔ مغناطیسیِ زمین، خودِ زمین است. زمین آهنربایی دوقطبی است كه میدان مغناطیسی آن در جهت شمال به جنوب قرار دارد. یعنی اگر آهنربایی را در فضا معلق نگاه داریم، در این جهت قرار می‌گیرد.
اولین مادهٔ مغناطیسی كه بشر شناخت، اكسیدآهن بود. این ماده دارای خاصیت آهنربایی غیردائمی است. یعنی خاصیت مغناطیسی آن از بین می‌رود. مواد مغناطیسی در سه دستهٔ فلزات، سرامیک‌ها، و پلیمرها می‌گنجند. عمدهٔ مواد مغناطیسی جزء دستهٔ سرامیك‌ها هستند. سرامیك‌ها از طریق پیوند یونیِ یك فلز یا غیرفلز با كوچك‌ترین اتم‌های طبیعت، یعنی اكسیژن،‌ نیتروژن، بور و كربن به وجود می‌آیند. (البته هیدروژن كه كوچك‌تر از همه است در این بین نیست.)
خواص مغناطیسی اكسید آهن توسط «تالس» شناخته شد.
در قرن هفتم میلادی از این ماده آهنربا ساخته شد و در قطب‌نما به کار رفت.
آهنربا و دانش ساخت آن، پس از پانصد سال از چین به اروپا رسید. در اروپا‌ دانشمندی فرانسوی به نام گیلبرت، كتاب «قطعات آهنرباشده و آهنربای بزرگ زمینی» را نوشت. در این كتاب قدیمی‌ترین و ساده‌ترین روش‌های آهنربا كردن یك قطعهٔ مغناطیسی به شرح زیر بیان شده‌اند:
۱. مالش دادن یك قطعهٔ آهنی (قطعه‌ای که می‌خواهیم مغناطیسی شود) با یك آهنربا (دارای میدان مغناطیسی)؛
۲. گداخته كردن یك قطعهٔ آهنی (تا سرخ شود)‌ و سپس سرد كردن آن در جهت میدان مغناطیسی زمین؛
۳. چكش‌كاری یا كشش یك قطعهٔ آهنی در جهت میدان مغناطیسی زمین.
● نانوپودرهای مغناطیسی
می‌دانیم که اندازهٔ مواد و پدیده‌ها در مغناطیس در مقیاس بسیار ریز قرار دارد. از سوی دیگر، می‌دانیم كه یك ماده هر چه حوزه‌های کم‌تعدادتری داشته باشد، نیروی كمتری برای همجهت کردن حوزه‌های آن لازم است. اگر ماده تنها دارای یك حوزه باشد، در این صورت دیگر نیازی به همجهت كردن آن با دیگر حوزه‌ها نیست. از آنجا‌كه قطر این حوزه‌ها در محدودهٔ یک تا چند هزار نانومتر قرار دارد، اگر هر ذره فقط دارای یک حوزه باشد، می‌تواند نانوپودر به شمار رود. به این ترتیب، ذرات نانوپودر دارای تعداد حوزه‌های كمی هستند و مغناطیس كردن آنها كار ساده‌ای است. از طرف دیگر، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، می‌دانیم که موادی که از حالت طبیعی خارج شده‌اند، تمایل دارند که به حال طبیعی خود بازگردند و مغناطیس كردن یك ماده، ماده را از حالت طبیعی خود خارج می‌کند. اما چون نانوپوردها احتیاج به نیروی زیادی برای مغناطیس شدن ندارند و از حالت طبیعی خود خیلی فاصله نمی‌گیرند، پس از مغناطیس شدن، تمایل زیادی برای از دست دادن این خاصیت و بازگشت به حالت طبیعی ندارند.
▪ قانون دوم ترمودینامیک: بی نظمی در یک سیستم منزوی، در یک فرایند خودبه‌خودی، افزایش می‌یابد.
اما به طور كلی با گرم كردن یك مادهٔ مغناطیس‌شده تا دمای كوری، حوزه‌ها به جهت‌های اولیه خود برمی‌گردند و خاصیت خود را از دست می‌دهند.
دمای کوری دمایی است که در آن ماده کاملاً خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد.
● كاربردهای نانوپودرهای مغناطیسی
۱. ساخت آهنربا
برای ساخت آهنربا می‌توان به روشی که در ساخت قطعات از نانوپودرها توضیح داده شده است عمل كرد. یعنی پودرها را تحت فشار در دمای بالا قرار داد تا به هم بچسبند و یك قطعه درست شود. چنین قطعات آهنربایی در بلندگوها، هدفون‌ها و... استفاده می‌شوند. جالب است بدانید خودروهای جدید ۷۰ آهنربای دائمی دارند. حركت موتورهای DC، حركت سقف، شیشه‌های پنجره و... با استفاده از آهنرباها كنترل می‌شوند.
قطارهایی هم كه روی هوا حركت می‌كنند، بر مبنای نیروی دافعهٔ بین آهنرباها در ریل و كف قطار، روی هوا می‌ایستند. یكسو و غیرهمسو كردن جریان الكتریكی این آهنرباها را به وجود می‌آورد و موجب حرکت یا ترمز قطار می‌شود.
۲. قطعات آهنرباییِ کامپوزیت‌شده با پلیمرها
به جای روش حرارت تحت فشارِ پودرها که خاصیت مغناطیسی را کم می‌کند، می‌توان از پلیمرها كه در دمای نه چندان بالا ذوب می‌شوند استفاده كرد. به این شکل که پودرهای مغناطیسیِ مذاب را در آنها بریزیم و سرد كنیم تا جامد شوند. البته پلیمرها خاصیت مغناطیسی ندارند و بنابراین خاصیت مغناطیسی آهنربای تولیدشده كم می‌شود، ولی می‌توان از این نوع آهنربا در جایی كه آهنربا باید تحت ضربه كار كند، مثل درِ یخچال، استفاده كرد. (توجه کنید که ضربه خاصیت مغناطیسی را كم می‌كند.)
۳. در محیط‌های ذخیره اطلاعات
یکی از مهمترین كاربردهای پودر مغناطیسی، ذخیرهٔ اطلاعات در كارت‌های اعتباری است. در این محیط‌ها، پودر مغناطیسی به صورت ذرات ریزی که به‌سختی آهنربا می‌شوند و به‌سختی هم خاصیت آهنربایی خود را از دست می‌دهند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. حفظ و ماندگاری اطلاعات در چنین محیط‌هایی بسیار مهم است و پایداری خاصیت مغناطیسی در پودرها باعث می‌شود اطلاعات حکاکی‌شده‌ای که در قالب حوزه‌های مغناطیسی ثبت شده‌اند از بین نروند.

نویسنده: مهدی حبیب نژاد