شرح المواد المغناطيسية والفيرومغناطيسية لفيزياء HSC

يلتصق المغناطيس بقوة بمشبك ورق فولاذي، لكنه بالكاد يؤثر في عملة نحاسية. فهل يعني ذلك أن الفولاذ مغناطيس وأن النحاس «غير مغناطيسي»؟ ليس تمامًا. يمكن أن ينجذب مشبك الورق بقوة من دون أن يكون هو نفسه مغناطيسًا دائمًا.

قبل أن تتابع القراءة، توقّع ما سيحدث إذا قرّبت القطب الشمالي لمغناطيس دائم من مسمار حديدي غير ممغنط. هل سينجذب المسمار، أم يتنافر، أم لن يتأثر؟

سينجذب. والأكثر إثارة للدهشة أن المسمار ينجذب أيضًا إذا قلبت المغناطيس وقرّبت منه قطبه الجنوبي. وفهم سبب ذلك يوضّح الفرق بين ثلاثة مفاهيم يسهل الخلط بينها: المغناطيسات والمواد المغناطيسية والمواد الفيرومغناطيسية.

01المغناطيس والمادة المغناطيسية ليسا الشيء نفسه

لنبدأ بأبسط تمييز مفيد.

المغناطيس يولّد مجالًا مغناطيسيًا عيانيًا خاصًا به. ويفعل المغناطيس القضيب الدائم ذلك حتى عندما لا يوجد أي مغناطيس آخر قريب منه.

المادة المغناطيسية هي مادة يتغير سلوكها المغناطيسي عند وضعها في مجال مغناطيسي. وفي الفيزياء المدرسية، يُستخدم هذا المصطلح أحيانًا بصورة عامة للإشارة إلى المواد التي تستجيب بقوة للمغناطيسات.

المادة الفيرومغناطيسية هي نوع محدد من المواد المغناطيسية يستجيب بقوة كبيرة لمجال مغناطيسي خارجي ويمكن ممغنطته. ومن الأمثلة المألوفة الحديد والكوبالت والنيكل، إضافةً إلى كثير من السبائك التي تحتوي عليها.

وهذا يعطينا قاعدة مهمة لاتخاذ القرار:

يخفي الجدول بعض التفاصيل الفيزيائية الأعمق. بالمعنى الدقيق، تستجيب جميع المواد تقريبًا بدرجة ما للمجال المغناطيسي. لكن في مسائل HSC التي تتناول التجاذب المغناطيسي القوي والمغنطة، تكون الفئة المهمة عادةً هي الفيرومغناطيسية.

إذن، عبارة «غير فيرومغناطيسي» لا تعني أن «الفيزياء تقول إنه لا يحدث أي تأثير مغناطيسي على الإطلاق». بل تعني أن المادة لا تُظهر السلوك القوي القائم على المجالات المغناطيسية الذي ندرسه هنا.

02ما الذي يجعل المادة الفيرومغناطيسية مختلفة؟

تخيّل أنك تقطع قضيبًا من الحديد إلى قطع أصغر فأصغر. في النهاية، تتوقف الصورة اليومية المتمثلة في قطع صغيرة من الحديد عن كونها مفيدة. فعلى المستوى الذري، تمنح الإلكترونات الذرات خصائص مغناطيسية.

في المادة الفيرومغناطيسية، تؤدي التفاعلات بين الذرات المتجاورة إلى اصطفاف كثير من العزوم المغناطيسية الذرية معًا. وتُسمى المنطقة التي تحتوي على عدد كبير من العزوم المصطفة مجالًا مغناطيسيًا.

يمكن تشبيه ذلك بساحة مدرسة مقسمة إلى مجموعات من الأشخاص يحملون أسهمًا صغيرة. يتفق كل من في المجموعة الواحدة على الاتجاه الذي يشيرون إليه، لكن المجموعات المختلفة تشير في اتجاهات مختلفة.

إذا كانت المجموعات موزعة على جميع الاتجاهات، فإن تأثيراتها تلغي بعضها إلى حد كبير. ولا يكون للساحة بأكملها اتجاه عام قوي.

وهذا يشبه تقريبًا ما يحدث في مادة فيرومغناطيسية غير ممغنطة. فهي تحتوي بالفعل على مجالات مغناطيسية. لكن هذه المجالات مرتبة ببساطة بحيث تكون المغنطة الصافية للجسم كله صغيرة جدًا أو معدومة.

وللتشبيه حدود. فالمجالات المغناطيسية ليست حرفيًا حشودًا من إبر بوصلة صغيرة تدور بصورة مستقلة. إذ ينشأ سلوك المجالات من تفاعلات كمومية بين العزوم المغناطيسية الذرية، وغالبًا ما تتضمن عملية المغنطة حركة حدود المجالات، إلى جانب تغيّر اتجاه العزوم.

03المادة الفيرومغناطيسية غير الممغنطة لا تزال تحتوي على مناطق مغناطيسية

هذه نقطة يقع فيها كثير من الطلاب.

قد يفكر طالب على النحو الآتي:

إذا كان المسمار الحديدي غير ممغنط، فلا بد أن ذراته لا تتصرف كمغناطيسات بعد.

قد يبدو ذلك منطقيًا لأن المسمار لا يتصرف مثل مغناطيس قضيب دائم. لكن الفكرة الناقصة هنا هي الإلغاء.

يمكن أن يحتوي المسمار على كثير من المجالات المرتبة مغناطيسيًا، بينما يظل عزمه المغناطيسي الكلي قريبًا من الصفر. يشير مجال في اتجاه ما، ويشير مجال آخر في اتجاه مختلف، فتُلغي مساهماتها بعضها إلى حد كبير.

عندما يُطبَّق مجال مغناطيسي خارجي، يتغير هذا التوازن.

تميل المجالات التي تكون مغنطتها مصطفة على نحو ملائم مع المجال المطبق إلى النمو، بينما تنكمش المجالات الأخرى. كما يمكن للعزوم المغناطيسية أن تدور باتجاه المجال.

والنتيجة هي زيادة المغنطة الصافية.

إذن فالمجال الخارجي لا ينشئ الفيرومغناطيسية من العدم. بل يغيّر ترتيب النظام المغناطيسي الموجود أصلًا في المادة.

04لماذا ينجذب مسمار حديدي إلى أي من القطبين؟

لنعد إلى التوقع الوارد في البداية.

افترض أنك قرّبت القطب الشمالي لمغناطيس دائم من مسمار حديدي غير ممغنط.

يتسبب مجال المغناطيس في أن يصبح المسمار ممغنطًا بالحث. فتتصرف النهاية الأقرب إلى المغناطيس كقطب جنوبي، بينما تتصرف النهاية الأبعد كقطب شمالي.

تتجاذب الأقطاب المتعاكسة القريبة بقوة. أما الأقطاب المتشابهة الأبعد فتنتج بالفعل تفاعلًا تنافريًا، لكنها أبعد مسافة، لذلك يغلب التجاذب القريب.

اقلب المغناطيس الدائم. تنعكس أيضًا المغنطة المستحثة في المسمار. فالنهاية الأقرب إلى القطب الجنوبي تتصرف الآن كقطب شمالي.

ومع ذلك يظل المسمار منجذبًا.

وهذا يخبرنا بشيء مهم:

التجاذب لا يثبت أن كلا الجسمين كانا مغناطيسين قبل تفاعلهما.

فقد يكون أحدهما مغناطيسًا دائمًا، بينما يكون الآخر مجرد مادة فيرومغناطيسية تصبح ممغنطة بفعل مجال الجسم الأول.

05تعتمد المغنطة الدائمة على ما يحدث بعد إزالة المجال

تخيّل الآن إزالة المغناطيس الخارجي.

توقّع ما يجب أن يحدث للمجالات. هل تعود جميعها فورًا إلى ترتيبها الأصلي؟

ليس بالضرورة.

تفقد بعض المواد الفيرومغناطيسية معظم مغنطتها المستحثة بمجرد اختفاء المجال الخارجي. بينما تحتفظ مواد أخرى بقدر كبير من الاصطفاف وتظل ممغنطة.

وهذا يعطينا تمييزًا مفيدًا بين المواد الفيرومغناطيسية اللينة مغناطيسيًا والصلبة مغناطيسيًا.

تشير كلمتا «لينة» و«صلبة» هنا إلى السلوك المغناطيسي، وليس ببساطة إلى ما إذا كانت المادة لينة أو صلبة عند لمسها.

06أين تندرج المغناطيسات الكهربائية في هذه الصورة؟

لا يشترط أن يكون المغناطيس قطعة دائمة من مادة فيرومغناطيسية.

فالتيار الكهربائي يولّد مجالًا مغناطيسيًا. لذلك يمكن لملف يمر فيه تيار أن يعمل بوصفه مغناطيسًا كهربائيًا، حتى من دون قلب حديدي.

يمكن أن تؤدي إضافة قلب فيرومغناطيسي إلى جعل التأثير المغناطيسي أقوى بكثير. فالمجال الناتج عن الملف يمغنط القلب، ما يؤدي إلى اصطفاف عدد أكبر من مجالاته.

وهذا يوضح آليتين مختلفتين يخلط الطلاب بينهما أحيانًا:

• التيار الكهربائي ينشئ مجالًا مغناطيسيًا حول الملف
• القلب الفيرومغناطيسي يستجيب لهذا المجال بأن يصبح ممغنطًا

الحديد ليس السبب الأصلي للمجال المغناطيسي للملف. السبب هو التيار. لكن الحديد يغيّر المجال الناتج بسبب استجابته الفيرومغناطيسية.

07أربع عبارات تبدو متشابهة لكنها تعني أشياء مختلفة

يجدر التمييز بينها بعناية.

«الجسم مغناطيس.»
له عزم مغناطيسي صافٍ كبير بما يكفي لإنتاج مجال مغناطيسي خارجي ملحوظ.

«المادة فيرومغناطيسية.»
يمكن لعزومها المغناطيسية الذرية أن تكوّن مجالات، ويمكنها أن تستجيب بقوة لمجال مغناطيسي مطبق.

«الجسم غير ممغنط.»
مجالاته مرتبة بحيث تُلغي تأثيراتها المغناطيسية بعضها إلى حد كبير عبر الجسم كله.

«الجسم تمت مغنطته.»
أصبحت مجالاته مصطفة بدرجة كافية لمنح الجسم مغنطة صافية غير صفرية.

لذلك يمكن أن يكون الجسم فيرومغناطيسيًا وغير ممغنط في الوقت نفسه.

تحل هذه الجملة أحد أكثر أوجه سوء الفهم شيوعًا في هذا الموضوع.

08المغناطيس لا يجذب كل معدن

هناك اختصار مغرٍ آخر:

معدن = مغناطيسي

لكنه غير صحيح.

يمكن للحديد والكوبالت والنيكل وكثير من المواد التي تحتوي عليها أن تُظهر سلوكًا فيرومغناطيسيًا قويًا. أما النحاس فلا يفعل ذلك. كما أن الألومنيوم لا يتصرف فيرومغناطيسيًا في الظروف المختبرية العادية في HSC.

ولهذا، فإن مجرد تحديد مادة ما بأنها «معدن» لا يكفي للتنبؤ بما إذا كان مغناطيس دائم سيجذبها بقوة.

حتى كلمة فولاذ تحتاج إلى بعض الحذر. فأنواع الفولاذ سبائك قائمة على الحديد، لكن خصائصها المغناطيسية الدقيقة تعتمد على تركيبها وبنيتها. وفي الاستدلال المعتاد في HSC، غالبًا ما تُعامل الأجسام الشائعة المصنوعة من الحديد والفولاذ على أنها فيرومغناطيسية ما لم تتضمن المسألة معلومات تشير إلى خلاف ذلك.

لذلك فالسؤال الأفضل ليس:

«هل هو معدن؟»

بل اسأل:

«هل المادة فيرومغناطيسية، وما حالة مغنطتها الحالية؟»

09الأسئلة والحلول

السؤال 1

يجذب مغناطيس دائم بقوة حلقة معدنية من الحديد لم تكن ممغنطة من قبل.

هل يثبت هذا التجاذب أن الحلقة كانت مغناطيسًا بالفعل؟ اشرح ما يحدث للحلقة مع اقتراب المغناطيس.

الحل 1

لا. لا يثبت التجاذب أن الحلقة كانت مغناطيسًا بالفعل.

الحديد مادة فيرومغناطيسية، ولذلك يغيّر مجال المغناطيس الدائم ترتيب المجالات المغناطيسية داخل الحلقة. وهذا يمنح الحلقة مغنطة صافية مستحثة.

يكتسب الجزء من الحلقة الأقرب إلى المغناطيس الدائم قطبًا مغناطيسيًا معاكسًا للقطب القريب من المغناطيس الدائم. ويكون التجاذب القريب الناتج أقوى من التفاعل الذي يشمل الطرف الأبعد.

الخطأ الشائع هو افتراض أن التجاذب لا يمكن أن يحدث إلا بين جسمين كانا بالفعل مغناطيسين دائمين. يمكن لمغناطيس دائم أن يجذب جسمًا فيرومغناطيسيًا غير ممغنط في البداية عن طريق إحداث مغنطة مستحثة فيه.

السؤال 2

ثلاث كتل صغيرة مصنوعة من الحديد والنحاس وسبيكة صلبة مستخدمة في المغناطيسات الدائمة. وقد سقطت الملصقات التي تحددها.

تنتج الكتلة A مجالًا مغناطيسيًا يمكن قياسه عندما تكون بمفردها.

لا تنتج الكتلة B مجالًا خارجيًا ملحوظًا بمفردها، لكنها تنجذب بقوة عند تقريب مغناطيس دائم منها.

أما الكتلة C فلا تُظهر أيًا من هذين السلوكين بدرجة ملحوظة في الصف.

حدّد المادة الأكثر احتمالًا لكل من A وB وC، واشرح استدلالك.

الحل 2

A هي سبيكة المغناطيس الدائم الصلبة، وB هي الحديد، وC هي النحاس.

تنتج الكتلة A مجالًا مغناطيسيًا ملحوظًا حتى من دون تطبيق مجال آخر عليها. وهذه هي الملاحظة المميزة المتوقعة من المغناطيس الدائم.

أما الكتلة B فتنجذب بقوة لكنها لا تنتج في البداية مجالًا خارجيًا ملحوظًا. وهذا يتفق مع الحديد غير الممغنط. تكون مجالاته في البداية ذات اصطفاف صافٍ ضئيل، لكن المجال الخارجي يمكنه إعادة ترتيبها وإنتاج مغنطة مستحثة قوية.

أما الكتلة C فهي على الأرجح نحاس. فالنحاس ليس فيرومغناطيسيًا، ولذلك لا يُظهر التجاذب القوي واصطفاف المجالات المتوقعين في الحديد.

والتمييز الأساسي هنا هو بين كون الجسم ممغنطًا بالفعل وكونه قادرًا على اكتساب مغنطة قوية.

السؤال 3

وُضع قضيبان من الحديد داخل ملفين منفصلين يمر فيهما تيار. يصبح القضيب P ممغنطًا بقوة أثناء مرور التيار، لكنه يحتفظ بقدر ضئيل جدًا من المغنطة بعد إيقاف التيار. أما القضيب Q فيظل ممغنطًا بقوة بعد إيقاف التيار.

يحتاج جهاز إلى قلب يستطيع تشغيل مجاله المغناطيسي وإيقافه بصورة متكررة.

أي القضيبين أنسب، وما سلوك المجالات الذي يفسر هذا الاختيار؟

الحل 3

القضيب P هو الأنسب لأنه يتصرف كمادة فيرومغناطيسية لينة مغناطيسيًا.

أثناء مرور التيار، ينتج الملف مجالًا مغناطيسيًا خارجيًا. وتستجيب المجالات في القضيب P بقوة، ما ينتج مغنطة صافية كبيرة.

عندما يتوقف التيار، يُفقد جزء كبير من هذا الاصطفاف، ولذلك يحتفظ القضيب بقدر قليل من المغنطة. وهذا مفيد في جهاز يجب أن يتوقف تأثيره المغناطيسي عند توقف التيار.

أما القضيب Q فيحتفظ بقدر كبير من اصطفاف المجالات بعد اختفاء المجال الخارجي. ويكون هذا السلوك مفيدًا للمغناطيسات الدائمة، لكنه أقل ملاءمة عندما يجب أن يعود الجهاز بصورة متكررة إلى حالة ضعيفة المغنطة.

النقطة المهمة هي أن «كون المادة أسهل في الاحتفاظ بمغنطتها» لا يعني تلقائيًا أنها «أفضل». فالسلوك المغناطيسي المطلوب يعتمد على ما يجب أن يفعله الجهاز.

السؤال 4

يقول طالب:

لا يمكن لقضيب حديدي غير ممغنط أن يحتوي على عزوم مغناطيسية ذرية مصطفة، لأنه لو كان يحتوي عليها لكان القضيب مغناطيسًا بالفعل.

اشرح بدقة ما الخطأ في هذا الاستدلال.

الحل 4

الخطأ هو الخلط بين الاصطفاف المحلي داخل المجالات المغناطيسية والاصطفاف الصافي عبر القضيب بأكمله.

داخل كل مجال مغناطيسي، تكون كثير من العزوم المغناطيسية الذرية مصطفة بالفعل. ومع ذلك، يمكن أن تشير المجالات المختلفة في القضيب غير الممغنط إلى اتجاهات مختلفة.

وعندئذٍ تُلغي مساهماتها بعضها إلى حد كبير، فتظل المغنطة الصافية للقضيب كاملًا صغيرة جدًا أو معدومة.

يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي خارجي إلى تغيير ترتيب المجالات. فيمكن للمجالات المصطفة بصورة ملائمة أن تنمو، كما يمكن للعزوم المغناطيسية أن تدور باتجاه المجال، فيصبح الإلغاء أقل اكتمالًا ويكتسب القضيب عزمًا مغناطيسيًا صافيًا.

إذن، الطالب محق في أن القضيب الممغنط بقوة يتطلب قدرًا كبيرًا من الاصطفاف الكلي، لكنه مخطئ في افتراض أن القضيب غير الممغنط لا يحتوي على أي ترتيب مغناطيسي محلي.

السؤال 5

يوضع القطب الشمالي لمغناطيس دائم بالقرب من الطرف الأيسر لقضيب حديدي غير ممغنط في البداية. وينجذب القضيب نحو المغناطيس.

يقدّم طالب التفسير الآتي:

يحوّل المغناطيس الطرف الأيسر من القضيب إلى قطب جنوبي والطرف الأيمن إلى قطب شمالي. ينجذب القطب الجنوبي بينما يتنافر القطب الشمالي، لذا يجب أن تتلاشى هاتان القوتان ويظل القضيب ساكنًا.

لكن الإلغاء المتوقع لا يحدث. اشرح السبب.

الحل 5

لا تتلاشى القوتان لأن تفاعلي التجاذب والتنافر يحدثان على مسافتين مختلفتين من المغناطيس الدائم.

يمغنط المجال الخارجي القضيب الحديدي. فيتصرف طرفه الأيسر، الأقرب إلى القطب الشمالي للمغناطيس الدائم، تقريبًا كقطب جنوبي مستحث. أما الطرف الأيمن فيتصرف تقريبًا كقطب شمالي.

يتعرض الطرف الأيسر للتجاذب، بينما يرتبط الطرف الأيمن الأبعد بتفاعل تنافري. ومع ذلك، تضعف التفاعلات المغناطيسية مع زيادة المسافة. لذلك يكون تفاعل التجاذب عند الطرف القريب أقوى من التفاعل المعاكس المرتبط بالطرف الأبعد.

وتكون القوة المحصلة باتجاه المغناطيس الدائم.

الخطأ هنا هو التعامل مع القطبين المستحثين كما لو أن القوتين المتساويتين والمتعاكستين يجب أن تتلاشيا تلقائيًا. فتساوي شدة القطبين المغناطيسيين لا يضمن تساوي القوى عندما تختلف المسافات وشدات المجال المغناطيسي.

السؤال 6

يريد طالب أن يثبت أن قطعة من مادة فيرومغناطيسية أصبحت مغناطيسًا دائمًا. فيقرّب منها مغناطيسًا دائمًا معروفًا ويلاحظ تجاذبًا قويًا.

لماذا لا تكفي هذه الملاحظة؟ صف نوع الدليل الذي يمكن أن يميز المغنطة الدائمة عن المغنطة المستحثة البسيطة.

الحل 6

التجاذب القوي وحده غير كافٍ لأن جسمًا فيرومغناطيسيًا غير ممغنط يمكن أن ينجذب نتيجة المغنطة المستحثة.

عندما يقترب المغناطيس المعروف، يمكن لمجاله أن يصطف المجالات داخل الجسم الذي يُختبر. ولذلك قد يصبح الجسم ممغنطًا مؤقتًا ويتعرض لتجاذب قوي حتى لو كانت مغنطته الصافية قبل ذلك صغيرة جدًا.

سيكون وجود دليل على بقاء المغنطة بعد إزالة المجال الخارجي أكثر فائدة. على سبيل المثال، يمكن اختبار الجسم للتحقق من وجود مجال مغناطيسي مستمر عندما يكون معزولًا عن المغناطيس الذي تسبب أصلًا في مغنطته.

ومن الأفكار المهمة بصورة خاصة أن السلوك أثناء وجود مجال خارجي لا يخبرك وحده بما سيحدث بعد اختفاء ذلك المجال. ويقود هذا التمييز مباشرةً إلى التباطؤ المغناطيسي والاستبقاء المغناطيسي والقسرية المغناطيسية، وهي مفاهيم تصف كيفية استجابة المواد الفيرومغناطيسية عندما يتغير مجال مغناطيسي مطبق ثم يُزال.