جهت آهنربا و جهت مغناطش
۱. مقدمه
آهنرباها نقش حیاتی در جنبههای مختلف زندگی مدرن دارند، از عملکرد سادهی درزگیر درب یخچال گرفته تا عملکرد پیچیدهی دستگاههای تصویربرداری پزشکی پیشرفته و موتورهای الکتریکی. جهتگیری یک آهنربا و جهت مغناطش آن، خواص اساسی هستند که رفتار و عملکرد مغناطیسی آن را تعیین میکنند. درک این مفاهیم برای مهندسان، دانشمندان و متخصصان فناوری که با مواد مغناطیسی در کاربردهای مختلف کار میکنند، ضروری است.
۲. اصول مغناطیس
۲.۱ میدانهای مغناطیسی
میدان مغناطیسی ناحیهای در فضا است که نیروی مغناطیسی در آن قابل تشخیص است. این میدان با خطوط میدان مغناطیسی نمایش داده میشود که جهت و قدرت نسبی نیروی مغناطیسی را نشان میدهند. خطوط میدان مغناطیسی از قطب شمال آهنربا خارج شده و در قطب جنوب وارد میشوند. قدرت میدان مغناطیسی بر حسب تسلا (T) یا گاوس (G) اندازهگیری میشود، که در آن 1 T = 10,000 G است.
۲.۲ گشتاورهای مغناطیسی
گشتاور مغناطیسی یک آهنربا، معیاری از تمایل آن برای همسو شدن با یک میدان مغناطیسی خارجی است. این یک کمیت برداری است که هم بزرگی و هم جهت دارد. برای یک آهنربای میلهای ساده، گشتاور مغناطیسی به قدرت آهنربا و فاصله بین قطبهای آن مربوط میشود. جهت گشتاور مغناطیسی از قطب جنوب به قطب شمال آهنربا است.
۲.۳ خواص اساسی آهنرباها
آهنرباها دو نوع قطب اصلی دارند: شمال و جنوب. قطبهای همنام یکدیگر را دفع میکنند، در حالی که قطبهای ناهمنام یکدیگر را جذب میکنند. یک آهنربا میتواند بر سایر مواد مغناطیسی یا ذرات باردار متحرک نیرو وارد کند. آهنرباهای دائمی خواص مغناطیسی خود را برای مدت طولانی حفظ میکنند، در حالی که آهنرباهای الکتریکی را میتوان با کنترل جریان الکتریکی عبوری از یک سیمپیچ روشن و خاموش کرد.
۳. جهتگیری آهنربا
۳.۱ تأثیر میدانهای مغناطیسی خارجی
وقتی یک آهنربا در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار میگیرد، تمایل دارد خود را با میدان همتراز کند. قطب شمال آهنربا در جهت خطوط میدان مغناطیسی خارجی قرار میگیرد. این به این دلیل است که میدان مغناطیسی گشتاوری را بر آهنربا اعمال میکند و سعی میکند آن را بچرخاند تا به موقعیتی با حداقل انرژی پتانسیل برسد، که این اتفاق زمانی میافتد که آهنربا با میدان همتراز شود. به عنوان مثال، اگر یک سوزن قطبنما (یک آهنربای کوچک) در میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد، خود را به گونهای همتراز میکند که قطب شمال آن به سمت شمال جغرافیایی (که در واقع قطب جنوب مغناطیسی زمین است) قرار گیرد.
۳.۲ اشکال هندسی و جهتگیری
شکل آهنربا نیز بر جهتگیری آن تأثیر میگذارد. یک آهنربای میلهای قطب شمال و جنوب کاملاً مشخصی دارد و جهتگیری آن نسبتاً سرراست است. با این حال، برای اشکال پیچیدهتر مانند آهنرباهای حلقهای یا آهنرباهای استوانهای، جهتگیری میتواند پیچیدهتر باشد. در یک آهنربای حلقهای، خطوط میدان مغناطیسی حلقههای بستهای را درون حلقه تشکیل میدهند و جهتگیری حلقه نسبت به میدان خارجی به نحوه تعامل میدان با این حلقههای داخلی بستگی دارد. آهنرباهای استوانهای میتوانند الگوهای مغناطش متفاوتی مانند محوری (در امتداد محور استوانه) یا شعاعی (عمود بر محور) داشته باشند که بر جهتگیری آنها در یک میدان خارجی تأثیر میگذارد.
۳.۳ خواص و جهتگیری مواد
جنس آهنربا نقش مهمی در جهتگیری آن دارد. مواد مغناطیسی مختلف سطوح مختلفی از حساسیت مغناطیسی دارند، که معیاری از میزان سهولت مغناطیسی شدن یک ماده در یک میدان خارجی است. مواد فرومغناطیسی مانند آهن، نیکل و کبالت، حساسیت مغناطیسی بالایی دارند و میتوانند به شدت مغناطیسی شوند. آنها در مقایسه با مواد پارامغناطیسی که حساسیت مثبت ضعیفی دارند و مواد دیامغناطیسی که حساسیت منفی ضعیفی دارند و توسط میدانهای مغناطیسی دفع میشوند، تمایل دارند با میدان مغناطیسی خارجی راحتتر همسو شوند.
۴. جهت مغناطش
۴.۱ همترازی دامنههای مغناطیسی
در یک ماده مغناطیسی، اتمها یا مولکولها گشتاورهای مغناطیسی کوچکی دارند. این گشتاورهای مغناطیسی در مناطقی به نام حوزههای مغناطیسی گروهبندی میشوند. در یک ماده غیرمغناطیسی، حوزههای مغناطیسی به صورت تصادفی جهتگیری شدهاند، بنابراین اثر مغناطیسی خالص آنها خنثی میشود. هنگامی که یک ماده مغناطیسی میشود، یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال میشود که باعث میشود حوزههای مغناطیسی در جهت میدان همسو شوند. با همسو شدن حوزههای بیشتر و بیشتر، ماده مغناطیسی میشود و یک میدان مغناطیسی خالص تولید میشود.
۴.۲ روشهای مغناطیسیسازی
۴.۲.۱ استفاده از سلونوئیدها
سلونوئید یک سیمپیچ است که جریان الکتریکی از آن عبور میکند. وقتی جریانی از سلونوئید عبور میکند، میدان مغناطیسی مشابه آهنربای میلهای ایجاد میکند. برای مغناطیسی کردن یک ماده با استفاده از سلونوئید، ماده درون سلونوئید قرار میگیرد و جریان مستقیم (DC) از سیمپیچ عبور میکند. میدان مغناطیسی تولید شده توسط سلونوئید، حوزههای مغناطیسی موجود در ماده را همسو میکند و آن را مغناطیسی میکند. جهت مغناطش به جهت جریان در سلونوئید بستگی دارد. اگر جریان در یک جهت جریان یابد، قطب شمال ماده مغناطیسی شده در یک انتهای سلونوئید قرار میگیرد و اگر جریان معکوس شود، قطب شمال در انتهای دیگر آن قرار میگیرد.
۴.۲.۲ میدانهای مغناطیسی دائمی
روش دیگر مغناطش، استفاده از آهنربای دائمی است. یک آهنربای دائمی قوی به مادهای که قرار است مغناطیده شود، نزدیک میشود. میدان مغناطیسی آهنربای دائمی باعث میشود که حوزههای مغناطیسی در ماده همسو شوند. این روش اغلب برای کارهای مغناطیسی در مقیاس کوچک یا ساده استفاده میشود. به عنوان مثال، برای مغناطیسی کردن یک پیچگوشتی به طوری که بتواند پیچهای فلزی کوچک را بردارد، میتوان یک آهنربای دائمی قوی را در امتداد طول پیچگوشتی در یک جهت مالش داد.
۴.۳ مغناطیسزدایی و مغناطیسزدایی مجدد
مغناطیسزدایی فرآیند کاهش یا حذف مغناطیسشدگی یک ماده است. این کار را میتوان با گرم کردن ماده تا دمایی بالاتر از دمای کوری آن، که دمایی است که در آن یک ماده فرومغناطیسی خواص مغناطیسی خود را از دست میدهد، انجام داد. روش دیگر، قرار دادن ماده در معرض یک میدان مغناطیسی متناوب است که به تدریج قدرت آن کاهش مییابد. این باعث میشود که حوزههای مغناطیسی دوباره به صورت تصادفی جهتگیری کنند. سپس میتوان با استفاده از روشهای شرح داده شده در بالا، مغناطیسشدگی مجدد را انجام داد.
۵. کاربردها
۵.۱ الکترونیک
در الکترونیک، آهنرباها در طیف وسیعی از دستگاهها استفاده میشوند. به عنوان مثال، در بلندگوها، آهنرباهای دائمی برای ایجاد یک میدان مغناطیسی استفاده میشوند که با یک سیمپیچ حامل جریان تعامل دارد و باعث لرزش سیمپیچ و تولید صدا میشود. در هارد دیسکها، آهنرباها با مغناطیسی کردن نواحی کوچک روی سطح دیسک، برای ذخیره دادهها استفاده میشوند. جهتگیری مغناطیسی در این نواحی نشان دهنده دادههای دودویی (0 و 1) است.
۵.۲ پزشکی
تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) یک تکنیک تصویربرداری پزشکی است که از میدانهای مغناطیسی قوی و امواج رادیویی برای تولید تصاویر دقیق از داخل بدن استفاده میکند. بیمار در یک آهنربای بزرگ قرار میگیرد و میدان مغناطیسی، اتمهای هیدروژن را در بدن همتراز میکند. سپس از امواج رادیویی برای برهم زدن این همترازی استفاده میشود و سیگنالهای ساطع شده توسط اتمها هنگام بازگشت به حالت اولیه خود، شناسایی و برای ایجاد تصاویر استفاده میشوند. آهنرباها همچنین در مغناطیس درمانی استفاده میشوند، اگرچه شواهد علمی برای اثربخشی آن هنوز مورد بحث است.
۵.۳ انرژی
در بخش انرژی، آهنرباها در ژنراتورها و موتورها استفاده میشوند. در یک ژنراتور، یک سیمپیچ در یک میدان مغناطیسی میچرخد که باعث القای جریان الکتریکی در سیمپیچ میشود. در یک موتور الکتریکی، جریان الکتریکی از طریق یک سیمپیچ در یک میدان مغناطیسی عبور میکند و باعث چرخش سیمپیچ میشود. آهنرباهای دائمی اغلب در این دستگاهها برای ایجاد میدانهای مغناطیسی لازم استفاده میشوند.
۶. پیشرفتهای اخیر و چشماندازهای آینده
۶.۱ مواد مغناطیسی با کارایی بالا
تحقیقات اخیر بر توسعه مواد مغناطیسی با کارایی بالا، مانند آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب، متمرکز شده است. این آهنرباها خواص مغناطیسی بسیار بالایی دارند و در کاربردهایی که در آنها به یک میدان مغناطیسی قوی در حجم کم نیاز است، مانند موتورهای خودروهای الکتریکی و توربینهای بادی، استفاده میشوند. با این حال، عرضه عناصر خاکی کمیاب محدود است و تحقیقات برای یافتن مواد جایگزین یا بهبود بازیافت آهنرباهای عناصر خاکی کمیاب در حال انجام است.
۶.۲ مغناطیس در مقیاس نانو
در مقیاس نانو، مواد مغناطیسی خواص منحصر به فردی از خود نشان میدهند. نانوذرات مواد مغناطیسی میتوانند در کاربردهای متنوعی مانند دستگاههای ذخیرهسازی مغناطیسی با چگالی ذخیرهسازی بالاتر و در حسگرهای مغناطیسی با حساسیت بهبود یافته مورد استفاده قرار گیرند. محققان همچنین در حال بررسی استفاده از آهنرباهای نانومقیاس در کاربردهای پزشکی مانند دارورسانی هدفمند با استفاده از نانوذرات مغناطیسی هستند.
۶.۳ اسپینترونیک
اسپینترونیک یک حوزه نوظهور است که الکترونیک و مغناطیس را با هم ترکیب میکند. این حوزه بر اساس اسپین الکترونها بنا شده است، نه فقط بار آنها. دستگاههای اسپینترونیک در مقایسه با دستگاههای الکترونیکی سنتی، پتانسیل سریعتر بودن، بهرهوری انرژی بیشتر و ظرفیت ذخیرهسازی بالاتری دارند. آهنرباها نقش حیاتی در دستگاههای اسپینترونیک ایفا میکنند، زیرا از آنها برای کنترل اسپین الکترونها استفاده میشود.
۷. نتیجهگیری
جهتگیری آهنربا و جهت مغناطش، مفاهیم اساسی در حوزه مغناطیس هستند. درک این مفاهیم برای طراحی و عملکرد دستگاههای مغناطیسی در صنایع مختلف ضروری است. تأثیر میدانهای مغناطیسی خارجی، اشکال هندسی و خواص مواد بر جهتگیری آهنربا، و همچنین روشهای مغناطش، به طور کامل بررسی شده است. کاربردهای آهنربا در الکترونیک، پزشکی و انرژی، اهمیت آنها را در جامعه مدرن برجسته میکند. پیشرفتهای اخیر در مواد مغناطیسی با کارایی بالا، مغناطیس در مقیاس نانو و اسپینترونیک، چشماندازهای آینده هیجانانگیزی را برای حوزه مغناطیس ارائه میدهد. با ادامه تحقیقات، میتوانیم انتظار داشته باشیم که در سالهای آینده شاهد کاربردهای نوآورانهتری از آهنرباها باشیم.
