مغناطیس

تاريخچه
علم مغناطيس از اين مشاهده که برخي سنگها (ماگنتيت) تکه‌هاي آهن را جذب مي کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطيس از ماگنزيا يا واقع در آسياي صغير ، يعني محلي که اين سنگها در آن پيدا شد، گرفته شده است. زمين به عنوان آهنرباي دائمي بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روي عقربه قطبهاي آهنربا ، از زمانهاي قديم شناخته شده است. در سال ۱۸۲۰ اورستد کشف کرد که جريان الکتريکي در سيم نيز مي‌تواند اثرهاي مغناطيسي توليد کند، يعني مي‌تواند سمت گيري عقربه قطب نما را تغيير دهد.

در سال ۱۸۷۸ رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکينز متوجه شد که يک جسم باردار در حال حرکت (که آزمايش او ، يک قرص باردار در حال دوران سريع) نيز منشاأ اثرهاي مغناطيسي است. در واقع معلوم نيست که بار متحرک هم ارز جريان الکتريکي در سيم باشد. جهت مطالعه زندگينامه علمي رولاند فيزيکدان برجسته آمريکايي به کتاب زير مراجعه شود:

Phusics by John D.Miller,Physics

Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتريسيته و مغناطيس تا سال ۱۸۲۰ به موازات هم تکامل مي يافت اما کشف بنيادي اورستد و ساير دانشمندان سبب شد که الکترومغناطيس به عنوان يک علم واحد مطرح شود. براي تشديد اثر مغناطيسي جريان الکتريکي در سيم مي‌توان را به شکل پيچه‌اي با دورهاي زياد در آورد و در آن يک هسته آهني قرار داد. اين کار را مي‌توان با يک آهنرباي الکتريکي بزرگ ، از نوعي که معمولا در پژوهشگاههاي براي کارهاي پژوهشي مربوط به مغناطيس بکار مي‌رود، انجام داد.

تولد ميدان مغناطيسي
دومين ميداني که در مبحث الکترومغناطيس ظاهر مي شود، ميدان مغناطيسي است. اين ميدانها و به عبارت دقيقتر آثار اين ميدانها از زمانهاي بسيار قديم ، يعني از همان وقتي که آثار مغناطيسهاي طبيعي سنگ آهنربا (Fe3O4 يا اکسيد آهن III) براي اولين بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب يابي اين ماده تاثير مهمي بر دريانوردي و اکتشاف گذاشت با وجود اين، جز در اين مورد مغناطيس پديده اي بود که کم مورد استفاده قرار مي گرفت و کمتر نيز شناخته شده بود، تا اينکه در اوايل قرن نوزدهم اورستد دريافت که جريان الکتريکي ميدان مغناطيسي توليد مي‌کند.

اين کار تواأم با کارهاي بعدي گاؤس ، هنري . فاراده و ديگران نشان دادند که اين شراکت واقعي بين ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي وجود دارد و اين دو توأم تحت عنوان ميدان الکترومغناطيسي حضور دارند. به عبارتي اين ميدانها به طرز جدايي ناپذيري در هم آميخته شده‌اند.
حوزه عمل و گسترش ميدان مغناطيسي
تلاش مردان عمل به توسعه ماشينهاي الکتريکي ، وسايل مخابراتي و رايانه‌ها منجر شد. اين وسايل که پديده مغناطيسي در آنها دخيل است نقش بسيار مهمي در زندگي روزمره ايفا مي‌کنند. با گسترش و سريع علوم از اعتبار اين علوم اوليه کاسته نمي‌شود و هميشه سازگاري خود را با کشفيات جديد حفظ مي‌کند.

مغناطيسهاي طبيعي و مصنوعي
• بعضي از سنگهاي آهن ياد شده در طبيعت خاصيت جذب اشياي آهني کوچک ، مانند براده‌ها يا ميخهاي مجاور خود را دارند. اگر تکه‌اي از چنين سنگي را از ريسماني بياويزيم ، خودش را طوري قرار مي‌دهد که راستايش از شمال به جنوب باشد، تکه‌هاي چنين سنگهايي به آهنربا يا مغناطيس معروف است.

• يک تکه آهن يا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا يا مغناطيده مي‌شود، يعني توانايي جذب اشياي آهني را کسب مي‌کند. خواص مغناطيسي اين تکه آهن يا فولاد هر چه به آهنربا نزديکتر باشد، قويتر است. وقتي که تکه‌اي از آهن و آهنربا با يکديگر تماس پيدا کنند ، مغناطش يا آهنربا شدگي به مقدار ماکزيمم (ميخ آهني که به آهنربا نزديک شود خاصيت آهنربايي پيدا مي‌کند و براده‌هاي آهنربا را جذب مي‌کند) مي‌باشد.

• هنگامي که آهنربا دور شود، تکه آهن يا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زيادي از خواص مغناطيسي بدست آورده را از دست مي‌دهند، ولي باز هم تا حدي آهنربا مي‌مانند. از اينرو به آهنرباي مصنوعي تبديل مي‌شوند و همان خواص آهنرباي طبيعي را دارد. اين پديده را مي‌توان با آزمايش ساده‌اي به اثبات رسانيد. خاصيت آهنربايي که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پيدا مي‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقي مي‌ماند، مغناطش موقت ناميده مي‌شود. آزمايشهايي از اين نوع نشان مي‌دهد که مغناطش بازمانده خيلي ضعيفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکي از آن است.
• هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده براي درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاري شده از آهن نرم و فولاد تابکاري نشده به مقدار زيادي قويتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ويژه درجاتي از آن که شامل مثلا آميزه کبالت است، خيلي قويتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتيجه ، اگر دو ميله يکسان ، يکي ساخته شده از آهن نرم و ديگري از فولاد را اختيار کنيم و آنها را در مجاورت آهنرباي يکساني قرار دهيم ، ميله آهن نرم قويتر از فولاد آهنربا مي‌شود.

 

ولي اگر آهنربا را دور کنيم، ميله آهن نرم تقريبا بطور کلي مغناطيده مي‌شود، در حاليکه ميله فولاد مقدار قابل توجهي از خاصيت آهنربايي اوليه خود را حفظ مي کند. در نتيجه ، آهنرباي دائمي از ميله فولادي از ميله آهني خيلي قويتر است. به اين دليل آهنرباهاي دائمي را از درجات خاصي از فولاد درست مي‌کنند نه از آهن.
• آهنرباهاي مصنوعي که بطور ساده با قرار دادن تکه‌اي فولاد در نزديکي يک آهنربا يا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعيف هستند. آهنرباهاي قويتر را با ماليدن تيغه فولادي با آهنربا در يک جهت بدست مي‌آورند. البته در اين حالت نيز آهنرباهايي که بدست مي‌آيد که از آهنربايي که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعيفتر است. هر نوع ضربه يا تکاني در طول مغناطش عمل را آسانتر مي‌کند. برعکس تماس دادن آهنرباي دائمي با تغيير ناگهاني و زياد دماي آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.
• وامغناطش بازمانده نه تنها

 

به ماده بلکه به شکل جسمي که آهنربا مي‌شود نيز بستگي دارد. ميله‌هاي نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقريبا به کلي خاصيت آهنربايي را از دست مي‌دهند. با وجود اين ، اگر همين آهن را براي ساختن سيمي به طول ۳۰۰ تا ۵۰۰ برابر قطر آن بکار بريم، اين سيم (ناپيچيده) خاصيت مغناطيسي خود را به مقدار زيادي حفظ خواهد کرد.
مغناطيس گرانشي

Gravitomagnetisem
فضا پيماي Gravity Probe B or GPB بيستم آوريل ۲۰۰۴ زمين را براي جستجوي نيرويي از طبيعت كه در وجودش ترديد است، ترك كرده است. اين نيرو كه هيچ وقت ثابت نشده مغناطيس گرانشي يا Gravitomagnetisem ناميده مي شود.

مغناطيس گرانشي بوسيله ستاره ها يا سياره هايي كه به دور خود مي چرخند توليد مي شود. كلير فرد ويل از دانشگاه واشنگتن مي گويد ” از نظر شكل شبيه يك ميدان مغناطيسي است كه توسط يك كره (توپ) باردار در حال چرخش توليد مي شود” بار را با جرم جايگزين كنيد مي شود مغناطيس گرانشي ما در حالي كه زندگي مي كنيم، مغناطيس گرانشي را احساس نمي كنيم. اما بر طبق نظريه عام اينشتين اين حقيقت دارد وقتي كه يك ستاره يا سياه چاله يا هر چيزي كه جرم زيادي دارد به دور خود مي پيچد فضا و زمان اطراف را به دور خود مي كشد.

عملي به نام كشش چارچوب

Frame dragging

ساختار فضا – زمان مثل يك گرداب پيچيده مي شود. انيشتين به ما مي گويد تمام نيروهاي گرانشي هم ارز با خم شدن (پيچيده شدن) فضا-زمان است كه مغناطيس گرانشي است.

مغناطيس گرانشي چه كار مي كند؟

ويل مي گويد ” مي تواند مدار اقمار را منحرف كند و باعث شود كه ژيروسكوپ قرار داده شده در زمين بلرزد. هر دو پديده خيلي كوچك هستند و اندازه گيري آن سخت است. محققان تحت رهبري اگنا كيوفليني Ignazio ciufolini فيزيكدان سعي مي كنند انحراف مسير اقماري را كه مغناطيس گرانشي آن را ايجاد مي كن آشكار كنند.