مغنطة المواد الفيرومغناطيسية: فيزياء HSC

قرّب القطب الشمالي لمغناطيس من مسمار حديدي عادي. المسمار ليس مغناطيسًا دائمًا، ومع ذلك يتحرك نحو المغناطيس. الآن اقلب المغناطيس وقرّب قطبه الجنوبي من المسمار نفسه. ينجذب المسمار مرة أخرى.

توقّع ما الذي ينبغي أن يحدث إذا كان المسمار لا يملك بالفعل أقطابًا مغناطيسية خاصة به. لماذا لا يطرده أحد طرفي المغناطيس؟

الإجابة هي أن المغناطيس يغيّر المسمار. فمجاله المغناطيسي يعيد ترتيب البنية المغناطيسية داخل الحديد، فيحوّل المسمار مؤقتًا إلى مغناطيس. ولكي نفهم كيف يحدث ذلك، علينا أن ننظر داخل مادة فيرومغناطيسية.

01ابدأ بالنطاقات المغناطيسية

يحتوي الحديد على أعداد هائلة من العزوم المغناطيسية على المقياس الذري، وترتبط أساسًا بالإلكترونات. في المادة الفيرومغناطيسية، تجعل التفاعلات بين الذرات المتجاورة كثيرًا من هذه العزوم تصطف معًا.

وهي لا تكوّن عادةً كتلة واحدة مصطفّة تمامًا في الاتجاه نفسه عبر الجسم كله. بدلًا من ذلك، تنقسم المادة إلى مناطق تُسمّى النطاقات المغناطيسية.

داخل النطاق الواحد، تشير عديد من العزوم المغناطيسية في الاتجاه نفسه تقريبًا. وقد يشير نطاق مجاور في اتجاه مختلف.

تخيّل عدة مجموعات من الأصدقاء في حفلة. كل شخص داخل كل مجموعة ينظر تقريبًا في الاتجاه نفسه، لكن المجموعات المختلفة تواجه أجزاء مختلفة من الغرفة. عند النظر من أعلى، لا يوجد اتجاه عام واضح للحشد.

يشبه النطاق المغناطيسي إحدى هذه المجموعات إلى حد ما.

لكن هذا التشبيه يتوقف عن الدقة عند نقطة مهمة. فالنطاقات ليست مغناطيسات قضيبية صغيرة تطفو في الداخل وتدور ماديًا كوحدات كاملة. بل ينشأ سلوكها من العزوم المغناطيسية للإلكترونات، ويمكن أن تتغير المغنطة من خلال عمليات تشمل حركة الحدود بين النطاقات ودوران اتجاه المغنطة داخل النطاقات.

بالنسبة إلى فيزياء HSC، فإن النموذج الذهني المفيد هو:

• داخل النطاق، تكون عديد من العزوم المغناطيسية مصطفّة؛
• يمكن أن تشير النطاقات المختلفة في اتجاهات مختلفة؛
• يمكن لتأثيراتها المغناطيسية أن تلغي بعضها بعضًا إلى حد كبير؛
• يمكن لمجال مغناطيسي خارجي أن يغيّر التوازن بينها.

هذه النقطة الأخيرة تفسّر سلوك المسمار.

02غير ممغنط لا يعني خاليًا من البنية المغناطيسية

لا تزال قطعة الحديد غير الممغنطة تحتوي على نطاقات مغناطيسية.

تعني كلمة «غير ممغنط» أنه لا يوجد اصطفاف صافٍ كبير عبر الجسم كله. فالتأثيرات المغناطيسية للنطاقات التي تشير في اتجاهات مختلفة تلغي بعضها بعضًا في معظمها.

من السهل إغفال هذا الفرق.

فالجسم الفيرومغناطيسي غير الممغنط ليس مادة اختفى منها بطريقة ما كل عزم مغناطيسي ذري. البنية المغناطيسية لا تزال موجودة. لكنها ببساطة لا تملك اتجاهًا إجماليًا كبيرًا.

يمكن تلخيص ذلك كما يلي:

03ما الذي يفعله المجال المغناطيسي الخارجي؟

افترض أن قضيبًا حديديًا غير ممغنط في البداية وُضع في مجال مغناطيسي خارجي يتجه نحو اليمين.

قبل تطبيق المجال، تشير النطاقات في عدة اتجاهات. وبمجرد وجود المجال، تصبح الترتيبات الأكثر اصطفافًا مع المجال المطبق مفضّلة من ناحية الطاقة.

على مستوى HSC، يمكننا وصف النتيجة بأن النطاقات تصبح أكثر اصطفافًا مع المجال الخارجي.

وبصورة أدق، قد يشمل ذلك تحرك جدران النطاقات بحيث تنمو النطاقات ذات الاتجاه الملائم، إلى جانب دوران اتجاه المغنطة داخل النطاقات.

والنتيجة هي مغنطة صافية في اتجاه المجال المطبق.

تُسمّى هذه العملية المغنطة المستحثة عندما تكون المغنطة ناتجة عن مجال مغناطيسي خارجي.

لا تخلط بين هذا الاستخدام لكلمة «مستحثة» وبين الحث الكهرومغناطيسي. لا يلزم هنا وجود فيض مغناطيسي متغير أو قوة دافعة كهربائية مستحثة. نحن نتحدث عن مجال مغناطيسي يغيّر الحالة المغناطيسية لمادة.

04لماذا تنجذب قطعة حديد غير ممغنطة إلى أي من القطبين؟

لنعد إلى المسمار.

افترض أن القطب الشمالي لمغناطيس دائم يقترب من المسمار. يجعل المجال الناتج من المغناطيس النطاقات داخل المسمار تعيد ترتيب نفسها.

فيتكوّن عند الطرف الأقرب إلى القطب الشمالي قطب جنوبي فعّال. أما الطرف الأبعد فيتكوّن عنده قطب شمالي فعّال.

وهكذا تصبح الأقطاب المتعاكسة هي الأقرب بعضها إلى بعض، فينجذب المسمار.

اقلب المغناطيس الدائم. ستنعكس أيضًا المغنطة المستحثة في المسمار. فيصبح الطرف الأقرب إلى القطب الجنوبي شماليًا بصورة فعّالة.

ومرة أخرى تكون الأقطاب الأقرب متعاكسة، فينجذب المسمار.

وهذا يعطينا قاعدة مهمة للامتحان:

يمكن لجسم فيرومغناطيسي غير ممغنط أن ينجذب إلى أي من قطبي مغناطيس لأن المجال المطبق يستحث في الجسم مغنطة ذات اتجاه ملائم.

ولهذا فإن التجاذب وحده لا يثبت أن الجسم كان مغناطيسًا بالفعل.

أما التنافر فهو دليل أقوى بكثير. فليس لدى قطعة من الحديد اللين غير الممغنطة في البداية قطب مماثل ثابت ينتظر أن يتنافر مع مغناطيس الاختبار؛ إذ تعيد مغنطتها ترتيب نفسها استجابةً للمجال المطبق.

إذا كنت بحاجة إلى مراجعة العلاقة بين الأقطاب والمجالات، فراجع القوى بين المغناطيسات: التجاذب والتنافر والمجالات.

05ماذا يحدث عندما يختفي المجال الخارجي؟

إليك التنبؤ التالي.

افترض أنك تضع قضيبًا من الحديد وقضيبًا من الفولاذ كلًّا على حدة داخل المجال المغناطيسي القوي نفسه. يصبح كلاهما ممغنطًا. ثم توقف المجال.

هل يجب أن يعود كلا القضيبين إلى حالته الأصلية غير الممغنطة؟

لا.

تفقد بعض المواد الفيرومغناطيسية معظم اصطفافها الصافي عند إزالة المجال المطبق. بينما تحتفظ مواد أخرى بجزء كبير منه.

تُسمّى المغنطة التي تبقى بعد إزالة المجال الخارجي المغنطة المتبقية، أو المغنطة المتبقية الدائمة.

وهذا هو الأساس للتمييز بين المغناطيسات المؤقتة والدائمة.

المواد المغناطيسية اللينة

يسهل نسبيًا مغنطة المادة المغناطيسية اللينة كما يسهل نسبيًا إزالة مغنطتها.

تستجيب نطاقاتها بسهولة للمجال الخارجي، لكن جزءًا كبيرًا من الاصطفاف الصافي يختفي عند إزالة ذلك المجال.

الحديد اللين هو المثال المبسط المعتاد.

وهذا يجعل المواد المغناطيسية اللينة مفيدة عندما تريد وجود المغناطيسية أثناء مرور تيار، مع بقاء مغنطة قليلة بعد ذلك. ومن الأمثلة الواضحة قلوب المغناطيسات الكهربائية.

ينتج الملف اللولبي الذي يمر فيه تيار مجالًا مغناطيسيًا. ووضع قلب فيرومغناطيسي لين مناسب داخله يقوّي الاستجابة المغناطيسية بدرجة كبيرة. ويمكنك مراجعة المجال نفسه في المجال المغناطيسي داخل ملف لولبي: شرح فيزياء HSC.

المواد المغناطيسية الصلبة

تقاوم المادة المغناطيسية الصلبة التغيرات في حالتها المغناطيسية بدرجة أكبر.

بعد مغنطتها، يمكن أن يبقى اصطفاف كبير للنطاقات عند إزالة المجال الخارجي. ولذلك يستمر الجسم في إنتاج مجاله المغناطيسي الخاص.

وهكذا يمكن لمادة فيرومغناطيسية أن تصبح مغناطيسًا دائمًا.

وكلمة «صلبة» هنا تشير إلى السلوك المغناطيسي، وليس ببساطة إلى ما إذا كانت المادة تبدو صلبة ميكانيكيًا عند لمسها أو الضغط عليها.

06لماذا يبقى بعض الاصطفاف؟

يقول النموذج البسيط للنطاقات إن المجال الخارجي يشجع النطاقات على الاصطفاف. ولكن لو كانت هذه هي القصة كاملة، فقد يبدو أن إزالة المجال يجب أن تعيد الترتيب الأصلي فورًا.

تحتوي المواد الفيرومغناطيسية الحقيقية على بُنى داخلية يمكنها مقاومة حركة جدران النطاقات. فالعيوب وحدود الحبيبات وغيرها من السمات قد تجعل من الصعب على نمط النطاقات العودة إلى حالته السابقة.

يمكنك أن تتخيل جدران النطاقات وهي تحاول التحرك فوق أرضية خشنة بدلًا من جليد عديم الاحتكاك. يدفعها المجال الخارجي إلى مواضع جديدة، لكن عندما يزول الدفع، يعلق بعضها.

هذا التشبيه مفيد لفهم المغنطة المتبقية، لكنه ليس نموذجًا ميكانيكيًا دقيقًا. فلا يوجد شيء يحتك حرفيًا بأرضية. بل يمثّل «العلق» حواجز طاقة داخل المادة.

وكلما كانت هذه الحواجز أقوى، كان عكس المغنطة أصعب.

يُسمّى المقياس الذي يعبّر عن مدى مقاومة مادة مغناطيسية لإزالة مغنطتها بالقسرية المغناطيسية. وتمتلك مواد المغناطيسات الدائمة عمومًا قسرية مغناطيسية أكبر بكثير من المواد المغناطيسية اللينة.

ولا تحتاج إلى تخيّل أن المواد المغناطيسية الصلبة لديها «نطاقات أكثر» أو «مغناطيسات صغيرة أقوى». فالاختلاف الأساسي هو مدى سهولة تغير بنيتها المغناطيسية.

07للمغنطة ذاكرة

يقود ذلك إلى نتيجة مهمة على نحو قد يكون مفاجئًا: يمكن أن تعتمد الحالة المغناطيسية لجسم فيرومغناطيسي على تاريخه.

يمكن لقطعتين متماثلتين من مادة مغناطيسية أن تتعرضا للمجال نفسه في اللحظة الحالية ومع ذلك تتصرفا بصورة مختلفة، لأنهما وصلتا إلى ذلك المجال عبر تسلسلات مختلفة من المغنطة.

افترض أن قضيبًا من الفولاذ الصلب قد مُغنط بقوة نحو اليمين. ثم أزيل المجال الخارجي. تبقى مغنطة كبيرة نحو اليمين.

الآن طبّق مجالًا صغيرًا نحو اليسار.

قد يتوقع طالب أن أي مجال متجه إلى اليسار سيقلب المغنطة فورًا. لكن ذلك لا يحدث. فإذا كان المجال المعاكس أضعف من اللازم، فقد يقلل المغنطة الموجودة فحسب بدلًا من عكسها بالكامل.

يلزم مجال معاكس قوي بما يكفي للتغلب على مقاومة المادة لتغيير حالتها المغناطيسية.

هذه «الذاكرة» المغناطيسية جزء من الظاهرة المسماة بالتباطؤ المغناطيسي.

وبالنسبة إلى هذا الدليل، تكفي النتيجة الأساسية الآتية:

لا تعتمد المغنطة النهائية على المجال المطبق حاليًا فقط، بل تعتمد أيضًا على المجالات التي تعرضت لها المادة من قبل.

08المغنطة المستحثة والمغنطة المتبقية ليستا تفسيرين متنافسين

يتعامل الطلاب أحيانًا معهما باعتبارهما عمليتين مختلفتين تمامًا:

• تحدث المغنطة المستحثة في الحديد؛
• تحدث المغنطة المتبقية في الفولاذ.

وهذا تبسيط مفرط.

فكلتاهما تتضمنان تغيرات في بنية النطاقات المغناطيسية.

تصف «المغنطة المستحثة» المغنطة الناتجة عن مجال خارجي.

أما «المغنطة المتبقية» فتصف ما يبقى بعد إزالة ذلك المجال الخارجي.

يمكن لمادة مغناطيسية صلبة أن تكتسب أولًا مغنطة مستحثة ثم تحتفظ بجزء كبير منها. ويمكن كذلك لمادة مغناطيسية لينة أن تصبح ممغنطة بقوة أثناء وجود المجال، لكنها لا تحتفظ بعد ذلك إلا بمقدار ضئيل جدًا.

لذلك اطرح سؤالين منفصلين:

1. ماذا يحدث أثناء تطبيق المجال الخارجي؟
2. ماذا يبقى بعد إزالة المجال؟

هذا التمييز يحل كثيرًا من المسائل المتعلقة بالنطاقات المغناطيسية.

09عكس المجال ليس هو نفسه إزالة المغنطة

افترض أن مغناطيسًا دائمًا من الفولاذ يشير نحو اليمين. تضعه داخل ملف لولبي وتنتج مجالًا مغناطيسيًا قويًا نحو اليسار.

إذا كان المجال المعاكس قويًا بما يكفي، فيمكنه عكس مغنطة القضيب.

الآن أوقف المجال.

هل أزلت مغنطة القضيب؟

ليس بالضرورة. فقد تكون قد أنشأت ببساطة مغناطيسًا دائمًا يشير في الاتجاه الآخر.

ولهذا فإن إزالة المغنطة أكثر تعقيدًا من مجرد «تطبيق مجال معاكس».

تستخدم إحدى الطرق مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا تُخفَّض شدته تدريجيًا. تتم مغنطة المادة مرارًا في اتجاهات متناوبة، لكن كل انعكاس يصبح أضعف. ويقل الاصطفاف الصافي المتبقي تدريجيًا حتى تُترك المادة بمغنطة إجمالية صغيرة.

ويُعد تناقص السعة أمرًا بالغ الأهمية.

فالمجال المتناوب الكبير الذي يُوقف فجأة يمكن أن يترك مغنطة كبيرة تتوافق مع الجزء الأخير من الدورة.

10المفهوم الخاطئ المغري: النطاقات نفسها أقطاب شمالية وجنوبية

من الشائع رسم كل نطاق بسهم. وقد يجعل ذلك الأمر يبدو كما لو أن كل نطاق هو مغناطيس قضيب صغير صلب له طرف شمالي وطرف جنوبي محددان.

هذه الصورة مفيدة إلى حد معين فقط.

يمثّل السهم اتجاه مغنطة النطاق. وهو يساعدنا على تتبع التأثير المغناطيسي المشترك لعديد من العزوم المغناطيسية الذرية.

عندما تتم مغنطة مادة، فإننا لا نفرز جسيمات شمالية مجهرية دائمة إلى جانب وجسيمات جنوبية إلى الجانب الآخر. فالأقطاب الملحوظة للجسم كله تنشأ من مغنطته الكلية.

وهذا يفسر أيضًا لماذا لا يؤدي قطع مغناطيس قضيب إلى عزل قطب شمالي عن قطب جنوبي. فلكل قطعة مغنطتها الخاصة، ولذلك يتكوّن لها طرف شمالي وطرف جنوبي خاصان بها.

11الأسئلة والحلول

السؤال 1

يوضع قضيب حديدي غير ممغنط في البداية بالقرب من القطب الشمالي لمغناطيس قضيب.

أ. ما القطب المغناطيسي الذي يُستحث عند طرف القضيب الأقرب إلى المغناطيس القضيب؟

ب. ما القوة التي تؤثر بين القضيب والمغناطيس القضيب؟

ج. ماذا يحدث لمعظم مغنطة القضيب إذا كان من الحديد اللين وأُبعد المغناطيس القضيب؟

الحل 1

يصبح الطرف الأقرب إلى المغناطيس قطبًا جنوبيًا فعّالًا، ولذلك ينجذب القضيب نحو القطب الشمالي. وإذا كان القضيب من الحديد اللين، فإن معظم المغنطة المستحثة تختفي عند إزالة المجال الخارجي.

يحتوي الحديد في البداية على نطاقات تلغي مغنطاتها بعضها بعضًا إلى حد كبير. ويغيّر مجال المغناطيس القضيب ترتيب النطاقات، فيعطي القضيب مغنطة صافية.

ويكتسب الطرف الأقرب قطبية معاكسة لقطب المغناطيس القضيب القريب منه، مما ينتج التجاذب.

الخطأ المغري هو الاعتقاد بأن القضيب غير الممغنط لا يمكن أن تُستحث فيه أقطاب لأنه «لا يملك مغناطيسية». لكنه يحتوي بالفعل على عزوم مغناطيسية ونطاقات؛ وإنما يبدأ بمغنطة صافية صغيرة.

وبمجرد إزالة المجال الخارجي، تتغير بنية نطاقات الحديد اللين بسهولة نسبية، ولذلك لا يحتفظ القضيب إلا بقدر قليل من الاصطفاف المستحث.

السؤال 2

يتوفر قضيبان متماثلان في المظهر، X وY. القضيب X من الحديد اللين غير الممغنط. أما Y فمن الفولاذ الصلب وقد مُغنط بقوة من قبل.

يقرّب طالب القطب الشمالي لمغناطيس اختبار ضعيف من أحد طرفي X ويلاحظ التجاذب. ويؤدي الاختبار نفسه عند أحد طرفي Y أيضًا إلى التجاذب.

يستنتج الطالب أن كلا القضيبين غير ممغنط.

اشرح لماذا لا تكفي هذه الأدلة، وصف اختبارًا مغناطيسيًا يمكنه التمييز بين قضيب الفولاذ الممغنط وقضيب الحديد اللين غير الممغنط وفق نموذج النطاقات القياسي في HSC.

الحل 2

لا يدل التجاذب على أن القضيب غير ممغنط. والملاحظة المفيدة للتمييز هي التنافر: اختبر كلا طرفي كل قضيب باستخدام كلا قطبي مغناطيس الاختبار الضعيف. يمكن لقضيب الفولاذ الممغنط مسبقًا أن ينتج تنافرًا بين الأقطاب المتماثلة، بينما يُتوقع أن ينجذب الحديد اللين غير الممغنط في البداية لأن مغنطته تُستحث بواسطة مجال الاختبار.

يفشل استدلال الطالب لأن للتجاذب سببين محتملين.

بالنسبة إلى X، يستحث مغناطيس الاختبار مغنطة في الحديد اللين. وأيًا كان القطب المقترب، فإن الطرف القريب من X يكتسب قطبية معاكسة، ولذلك يحدث التجاذب.

أما Y، فلديه بالفعل مغنطة متبقية. فإذا صادف أن اقترب قطب الاختبار الشمالي من الطرف الجنوبي لـ Y، فسيحدث التجاذب أيضًا.

لذلك لا تستطيع قوة التجاذب وحدها أن تخبرنا أي الآليتين أنتجتها.

أما التنافر فمختلف. فإذا قُرِّب القطب الشمالي لمغناطيس الاختبار من الطرف الشمالي لمغناطيس من الفولاذ الصلب مستقر بما يكفي، تتنافر الأقطاب المتماثلة. وتكرار الاختبار عند كلا الطرفين وباستخدام كلا قطبي الاختبار يكشف القطبية الثابتة لـ Y.

المسار المغري هو استخدام عبارة «يجذب مغناطيسًا» بوصفها تعريفًا للمغناطيس. وهذا لا ينجح لأن المواد الفيرومغناطيسية يمكن أن تنجذب بفعل المغنطة المستحثة حتى لو كانت غير ممغنطة في البداية.

والافتراض هنا هو أن مغناطيس الاختبار ضعيف بما يكفي لئلا يعكس بدرجة كبيرة المغنطة المتبقية في Y.

السؤال 3

تتم مغنطة قضيب من الفولاذ الصلب بقوة بحيث تتجه مغنطته نحو اليمين. ثم يُزال مجال المغنطة.

بعد ذلك يُطبَّق مجال خارجي ثانٍ نحو اليسار، لكنه أضعف من المجال اللازم لعكس معظم المغنطة المتبقية للقضيب. ثم يُزال ذلك المجال الأضعف أيضًا.

يقول طالب:

«كان آخر مجال مغناطيسي متجهًا نحو اليسار، ولذلك لا بد أن القضيب أصبح الآن مغناطيسًا دائمًا يتجه نحو اليسار.»

هل الطالب محق بالضرورة؟ اشرح الحالة النهائية المحتملة للقضيب باستخدام النطاقات المغناطيسية والتاريخ المغناطيسي.

الحل 3

لا. وفق الشرط المذكور، يمكن أن يظل القضيب ممغنطًا نحو اليمين، رغم أن مغنطته المتبقية قد تكون أضعف من قبل.

في البداية، يُنتج المجال القوي المتجه نحو اليمين اصطفافًا صافيًا كبيرًا للنطاقات نحو اليمين. ولأن القضيب من الفولاذ الصلب، يبقى جزء كبير من ذلك الاصطفاف بعد إزالة المجال الأول.

يفضّل المجال اللاحق المتجه نحو اليسار المغنطة نحو اليسار. ويمكنه تحريك بعض جدران النطاقات أو تدوير بعض المغنطة بعيدًا عن اتجاهها الأصلي.

لكن السؤال ينص على أن هذا المجال المعاكس أضعف من أن يعكس معظم المغنطة المتبقية. وتقاوم الحواجز الداخلية هذا التغير.

ولذلك، بعد إزالة المجال الأضعف المتجه نحو اليسار، قد يظل للقضيب صافي مغنطة نحو اليمين:

\[ \text{المغنطة المتبقية الأصلية نحو اليمين} \;-\; \text{العكس الجزئي} \;>\; 0 \]

هذا التعبير مفاهيمي وليس معادلة عددية. وهو يعني أن التغير المعاكس لم يكن كبيرًا بما يكفي للتغلب على المغنطة الصافية الموجودة.

المسار المغري هو افتراض أن اتجاه مادة فيرومغناطيسية يتحدد فقط بواسطة أحدث مجال طُبّق عليها. لكن ذلك يتجاهل التباطؤ المغناطيسي. فللمواد المغناطيسية الصلبة ذاكرة: تعتمد حالتها النهائية على حالتها المغناطيسية السابقة وكذلك على المجال اللاحق.

السؤال 4

تتم مغنطة قضيب من الفولاذ الصلب بقوة من اليسار إلى اليمين، ثم يُزال من مجال المغنطة.

يُقطع القضيب بالضبط إلى نصفين، فتنتج القطعتان A وB. تُترك القطعة A دون تغيير. أما القطعة B فتخضع لمعالجة لإزالة المغنطة تجعل نطاقاتها ذات اصطفاف صافٍ قريب من الصفر.

يطرح طالب ادعاءين:

1. «قطع القضيب يفصل قطبيه الأصليين، ولذلك يجب أن تحتوي A على القطب الجنوبي فقط وB على القطب الشمالي فقط.»
2. «بعد إزالة مغنطة B، يجب ألا يعود المغناطيس الدائم قادرًا على التأثير فيها بقوة مغناطيسية.»

حدّد الخطأ في كل ادعاء. ثم توقّع كيف تتصرف القطعتان A وB عندما يُقرَّب منهما القطب الشمالي لمغناطيس دائم.

الحل 4

كلا الادعاءين خاطئ. بعد القطع، تبقى القطعة A مغناطيسًا أصغر له طرف جنوبي وطرف شمالي، وكذلك تكون B في البداية. وبعد إزالة مغنطة B، تصبح مغنطتها المتبقية صغيرة، لكنها لا تزال قابلة للانجذاب إلى المغناطيس الدائم عن طريق المغنطة المستحثة.

قبل القطع، تتجه المغنطة الصافية للقضيب من اليسار إلى اليمين.

ولا يؤدي قطعه إلى عزل الأقطاب المغناطيسية. فالمغنطة داخل كل قطعة متبقية تنتج أقطابًا مغناطيسية جديدة عند السطحين الناتجين عن القطع.

لذلك يصبح كل نصف مغناطيسًا كاملًا:

• لـ A طرفها الجنوبي وطرفها الشمالي الخاصان بها؛
• لـ B طرفها الجنوبي وطرفها الشمالي الخاصان بها.

تتعامل الحجة المغرية الأولى مع القطبين الشمالي والجنوبي كما لو كانا مادتين منفصلتين مخزنتين عند طرفين متعاكسين. وهذا غير صحيح. فالأقطاب نتائج لمغنطة الجسم.

تُترك القطعة A ممغنطة. ولذلك يمكن أن يؤدي تقريب قطب اختبار شمالي من A إلى التجاذب أو التنافر، بحسب أي طرف من A يُقرَّب منه.

ثم تُزال مغنطة القطعة B. وتصبح نطاقاتها ذات اصطفاف صافٍ صغير جدًا، ولذلك لا تعود تتصرف كمغناطيس دائم قوي.

لكن «غير ممغنطة بصورة دائمة» لا يعني «غير قادرة على الاستجابة لمجال». فالقطعة B لا تزال فيرومغناطيسية.

عندما يقترب القطب الشمالي للمغناطيس الدائم من B، يستحث المجال مغنطة في B. ويصبح طرفها القريب جنوبيًا بصورة فعّالة، مما ينتج قوة تجاذب.

تخلط الحجة المغرية الثانية بين المغنطة المتبقية والقابلية المغناطيسية. فإزالة المغنطة تزيل الاصطفاف الصافي الكبير؛ لكنها لا تمنع نطاقات المادة من الاستجابة لمجال خارجي جديد.

السؤال 5

يبدأ قضيب من الفولاذ الصلب ممغنطًا بقوة نحو اليمين. ويمكن وضعه داخل ملف لولبي ينتج مجالًا مغناطيسيًا موازيًا للقضيب.

افترض أن المجال يمكن جعله قويًا بما يكفي في أي من الاتجاهين لعكس مغنطة القضيب.

اقتُرحت طريقتان «لإزالة مغنطته».

الطريقة A: طبّق تيارًا متناوبًا قويًا لعدد كبير من الدورات. أبقِ سعة المجال ثابتة. خلال نصف الدورة الأخير، يتجه المجال نحو اليسار. أوقف التيار فجأة ليصبح صفرًا.

الطريقة B: طبّق تيارًا متناوبًا، لكن خفّض سعته تدريجيًا على مدى عدد كبير من الدورات حتى يقترب المجال من الصفر.

يقول طالب إن الطريقتين يجب أن تنجحا لأن كلًّا منهما يعرض القضيب لأعداد متساوية من المجالات المتجهة نحو اليسار ونحو اليمين، ولذلك ينبغي أن تلغي التأثيرات بعضها بعضًا.

قارن الحالة المغناطيسية النهائية المحتملة بعد كل طريقة. واشرح لماذا يؤدي مجرد عدّ الاتجاهات المتساوية للمجال إلى توقع خاطئ.

الحل 5

الطريقة B هي عملية إزالة المغنطة الفعلية. أما الطريقة A فيمكن أن تترك مغنطة متبقية كبيرة، وربما نحو اليسار في ظل الشروط المذكورة، لأن الحالة النهائية للقضيب تعتمد على تسلسل المجالات المطبقة ومقاديرها، لا على مجرد العد الحسابي لدورات المجال المتجهة نحو اليسار واليمين.

في الطريقة A، يكون كل نصف دورة كبيرًا بما يكفي لدفع المادة بدرجة كبيرة نحو المغنطة في اتجاهه.

يميل نصف الدورة المتجه نحو اليمين إلى إنتاج مغنطة قوية نحو اليمين. ثم يميل نصف الدورة التالي المتجه نحو اليسار إلى عكسها.

ولأن السعة لا تنخفض أبدًا، يُدفع القضيب مرارًا بين حالات ممغنطة بقوة بدلًا من أن يقترب تدريجيًا من مغنطة صفرية.

ويتجه نصف الدورة القوي الأخير نحو اليسار. فإذا أُوقف التيار فجأة بعد ذلك، يمكن للفولاذ الصلب أن يحتفظ بمغنطة كبيرة نحو اليسار.

إذن

\[ \text{دورات مجال موجبة وسالبة كثيرة ومتساوية} \not\Rightarrow \text{مغنطة نهائية تساوي صفرًا}. \]

كانت حجة الطالب بشأن الإلغاء ستنجح مع كميات تُجمع بصورة مستقلة وبسيطة. لكن المغنطة الفيرومغناطيسية لا تتصرف بهذه الطريقة لأن للمادة تباطؤًا مغناطيسيًا: فالاستجابة في لحظة معينة تعتمد على حالتها المغناطيسية السابقة.

أما الطريقة B فتغيّر ذلك التاريخ بصورة مقصودة.

في البداية، يكون المجال المتناوب كبيرًا بما يكفي لإحداث إعادة ترتيب كبيرة في بنية النطاقات. ثم تكون سعة كل انعكاس أقل من سعة الانعكاس الذي سبقه.

وبذلك يمر القضيب بتغيرات مغنطة متناوبة الاتجاه تصبح أصغر فأصغر تدريجيًا. ويقل الاصطفاف المتبقي أكثر فأكثر حتى تصبح المغنطة الصافية ضئيلة جدًا عندما يصل المجال المطبق إلى الصفر.

الفرق الحاسم ليس عدد الدورات المتجهة نحو اليسار ونحو اليمين. بل هو انخفاض السعة.

وهذا هو الدرس الأعمق عن المواد الفيرومغناطيسية: معرفة المجال المغناطيسي المطبق لا تكفي دائمًا للتنبؤ بحالتها. بل تحتاج أيضًا إلى معرفة تاريخها المغناطيسي.

هذه الفكرة هي الجسر إلى منحنيات التباطؤ المغناطيسي، والقسرية المغناطيسية، والمغنطة المتبقية. وهي تفسر أيضًا لماذا ينبغي أن تتصرف المادة المختارة لقلب مغناطيس كهربائي بصورة مختلفة جدًا عن المادة المختارة لصنع مغناطيس دائم.