مغناطیس — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

مغناطیس (علوم تیزهوشان هشتم)

آهن‌ربا از دور عمل می‌کند: میخی را حتی وقتی تکه‌ای چوب میان آنها باشد، حرکت می‌دهد. به همین خاطر جراح مغز می‌تواند با کمترین آسیب الکترود در مغز کار بگذارد و چشم‌پزشک برادهٔ آهن را از چشم بیرون بکشد.

آهن‌ربا و قطب‌ها

آهن‌ربا آهن، نیکل، کبالت و برخی آلیاژهای آنها را جذب می‌کند و اطرافش میدان مغناطیسی دارد. هر آهن‌ربا دو قطب شمال (N) و جنوب (S) دارد؛ قدرتش در دو انتها بیشترین و در وسط تقریباً صفر است. قطب‌های هم‌نام یکدیگر را می‌رانند و ناهم‌نام یکدیگر را می‌ربایند. قطب منفرد وجود ندارد: اگر آهن‌ربا را بشکنی، هر تکه دو قطب دارد. آهن‌ربای آویزان قطب N خود را رو به شمال جغرافیایی می‌گیرد (اصل قطب‌نما). آهن‌ربا از میان چوب، شیشه و کاغذ هم اثر می‌کند و نیرویش با افزایش فاصله سریع کم می‌شود. فقط مواد فرومغناطیس یعنی آهن، نیکل و کبالت قویاً جذب و آهن‌ربا می‌شوند؛ مس، آلومینیوم، طلا، نقره، چوب و پلاستیک تقریباً بی‌اثرند. فولاد چون آهن دارد آهن‌ربایی می‌شود؛ پس سکه‌ای که به آهن‌ربا می‌چسبد احتمالاً مغز فولادی دارد.

تشخیص آهن‌ربا از آهن

دو میلهٔ کاملاً شبیه داریم، یکی آهن و دیگری آهن‌ربا. بدون وسیلهٔ دیگر انتهای میلهٔ ۱ را به وسط میلهٔ ۲ و سپس انتهای میلهٔ ۲ را به وسط میلهٔ ۱ نزدیک می‌کنیم. اگر انتهای میلهٔ ۱ وسط میلهٔ ۲ را جذب کند ولی برعکس آن نشود، میلهٔ ۱ آهن‌ربا و میلهٔ ۲ آهن است. دلیل: انتهای آهن‌ربا قوی است و آهن را با القا جذب می‌کند، اما انتهای آهن آهن‌ربا نیست و وسط آهن‌ربا هم میدانی ندارد که آن را جذب کند. راه دیگر دافعه است: آهن همیشه جذب می‌شود و هرگز نمی‌راند، پس دافعه نشانهٔ قطعی آهن‌ربا بودن هر دو جسم است. همچنین اگر میله را از وسط آویزان کنیم، آهن‌ربا در راستای شمال-جنوب می‌ایستد.

آهن‌ربای درون زمین

چون قطب N آهن‌ربای آویزان همیشه رو به شمال است، باید آهن‌ربای دیگری قطب S خود را در شمال داشته باشد. درون زمین واقعاً آهن‌ربایی هست، اما نه یک میلهٔ فلزی؛ مواد مذاب درون زمین با چرخش خود آهن‌ربایی می‌سازند که قطب N آن در جنوب و قطب S آن در شمال زمین است. هستهٔ بیرونی از آهن و نیکل مذاب است و حرکت و چرخش آن جریان الکتریکی و در نتیجه میدان مغناطیسی پدید می‌آورد. هستهٔ زمین آهن‌ربای دائمی نیست، چون دمای آن بسیار بالاتر از دمای کوری است (دمایی که آهن در آن، حدود ۷۷۰ درجهٔ سلسیوس، خاصیت آهن‌ربایی خود را از دست می‌دهد).

قطب‌های جغرافیایی دو سر محور چرخش زمین و ثابت‌اند؛ قطب‌های مغناطیسی محل ورود و خروج خطوط میدان‌اند و آهسته جابه‌جا می‌شوند. قطب شمال جغرافیایی نزدیک قطبی است که از نظر آهن‌ربایی S است، چون N عقربه به آن جذب می‌شود. قطب‌نما آهن‌ربای کوچکی است که آزادانه می‌چرخد و جهت‌یابی را ممکن می‌کند؛ زاویهٔ میان شمال جغرافیایی و شمال قطب‌نما انحراف مغناطیسی است و نزدیک آهن‌ربا یا فلز قطب‌نما اشتباه می‌کند. میدان زمین حدود $5\times10^{-5}\,\text{T}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و میدان آهن‌ربای یخچالی در تماس حدود ۱۰۰ برابر آن است.

تغییر قطب‌های زمین

قطب مغناطیسی با قطب جغرافیایی فاصله دارد و این فاصله تغییر می‌کند؛ قطب شمال مغناطیسی در دهه‌های اخیر از کانادا به سوی سیبری حرکت کرده است. در تاریخ زمین قطب‌ها صدها بار به‌طور کامل وارونه شده‌اند، به‌طور میانگین هر چند صد هزار سال و به‌صورت نامنظم؛ آخرین بار حدود ۷۸۰ هزار سال پیش. علت دقیق هنوز روشن نیست و نظریهٔ رایج آن را به چرخش مواد مذاب نسبت می‌دهد. شاهد آن سنگ‌های آتشفشانی و بستر اقیانوس‌هاست که هنگام سرد شدن جهت میدان آن زمان را ثبت کرده‌اند. هنگام وارونگی میدان ضعیف می‌شود، جانوران مهاجر که با میدان جهت‌یابی می‌کنند دچار مشکل می‌شوند و سپر زمین در برابر بادهای خورشیدی ضعیف‌تر می‌شود. اگر در ۵ میلیون سال ۲۰ وارونگی رخ داده باشد، میانگین فاصله ۲۵۰ هزار سال است.

القای مغناطیسی

جسم آهنی نزدیک آهن‌ربا خودش به‌طور موقت آهن‌ربا می‌شود: سر نزدیک به قطب N آهن‌ربا قطب S می‌شود و جذب می‌شود و سر دیگر N؛ پس می‌توان زنجیره‌ای از میخ‌ها آویزان کرد. با دور شدن آهن‌ربا، آهن نرم خاصیتش را زود از دست می‌دهد ولی فولاد آن را مدتی نگه می‌دارد. علت در حوزه‌های مغناطیسی است: در آهن ناحیه‌های ریزی مثل آهن‌رباهای کوچک هست که در آهن معمولی نامنظم‌اند و اثر هم را خنثی می‌کنند؛ میدان آهن‌ربا آنها را هم‌جهت می‌کند. آهن نرم آسان آهن‌ربا می‌شود و زود خاصیت را از دست می‌دهد و در هستهٔ آهن‌ربای الکتریکی به کار می‌رود؛ فولاد سخت‌تر آهن‌ربا می‌شود و آهن‌ربای دائمی است. برای آهن‌ربا کردن میلهٔ فولادی، آن را بارها با یک قطب آهن‌ربا در یک جهت می‌مالیم؛ سری که مالش در آن تمام می‌شود قطب ناهم‌نام با قطب مالنده می‌شود. ضربه، گرم کردن بالاتر از دمای کوری و میدان متناوب آهن‌ربایی را از بین می‌برند.

تشخیص قطب‌های آهن‌ربای نامعلوم

برای تشخیص قطب باید از دافعه استفاده کرد، نه جاذبه. اگر آهن‌ربای معلوم بسیار قوی و آهن‌ربای نامعلوم بسیار ضعیف باشد، نزدیک کردن قطب N قوی به قطب N ضعیف با القا آن را به S تبدیل می‌کند و جاذبه دیده می‌شود؛ آنگاه به اشتباه آن قطب را S می‌دانیم. پس جاذبه قطعی نیست (ممکن است القا یا آهن معمولی باشد) ولی دافعه قطعی است. در عمل هر دو قطب آهن‌ربای نامعلوم را به قطب N معلوم نزدیک می‌کنیم؛ قطبی که می‌راند N است.

آهن‌ربای سه‌قطبی

اگر فقط قطب S یک آهن‌ربا را چند بار از وسط میله تا یک سر و سپس از وسط تا سر دیگر بکشیم و میله را در براده بریزیم، براده به دو سر و وسط میله می‌چسبد؛ یعنی آهن‌ربایی سه‌قطبی ساخته‌ایم. چون انتهای هر نیمه که آهن‌ربا از آن جدا شده قطب ناهم‌نام (N) می‌شود، هر دو سر N می‌شوند و وسط که میان دو نیمه مشترک است S قوی می‌شود: N–S–N، مثل دو آهن‌ربا که قطب‌های S آنها به هم چسبیده‌اند. پس امکان دارد و باز هم تک‌قطبی پدید نیامده است؛ قدرت S وسط برابر مجموع قدرت دو N است. آهن‌رباهای یخچالی نوارهای متناوب N و S دارند.

آهن‌ربای الکتریکی و کاربردها

اگر از سیمی که دور میخ آهنی پیچیده شده جریان بگذرد، میخ آهن‌ربا می‌شود و با قطع جریان خاصیتش از بین می‌رود؛ جریان الکتریکی میدان مغناطیسی می‌سازد. قدرت آن با تعداد دورهای بیشتر، جریان بیشتر و هستهٔ آهن نرم بیشتر می‌شود؛ تقریباً با حاصل‌ضرب تعداد دور و جریان متناسب است. آهن‌ربای دائمی همیشه کار می‌کند و قدرت و قطب ثابت دارد، اما قدرت آهن‌ربای الکتریکی قابل تنظیم است و با تغییر جهت جریان قطب‌هایش عوض می‌شود. کاربردها: جرثقیل قراضه‌بر، زنگ برقی، رله، موتور برقی، بلندگو و میکروفن، قطار شناور مغناطیسی بدون اصطکاک، دستگاه MRI، ذخیرهٔ اطلاعات در دیسک سخت و کارت بانکی و قطب‌نما. براده‌های آهن روی کاغذ بالای آهن‌ربا خطوط میدان را نشان می‌دهند که بیرون آهن‌ربا از N به S می‌روند، نزدیک قطب‌ها متراکم‌ترند و هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

اشتباه‌های رایج