میدان مغناطیسی از کجا به وجود می آید؟

میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی یعنی فضایی که توش نیرو وجود داره، مثل میدان جاذبه‌ای که زمین ایجاد می‌کنه. وقتی یک جسمی نزدیک زمین می‌شه، کشیده می‌شه به سمت زمین. حالا همین‌طور، وقتی یک تکه آهن‌ربا توی میدان مغناطیسی قرار می‌گیره، تکه‌های مغناطیسی به سمت آهن‌ربا جذب می‌شن.

این خاصیت مغناطیسی در آهن‌ربا به خاطر وجود دوقطبی‌های مغناطیسیه که ناشی از حرکت الکترون‌ها هست. برای اینکه بهتر بفهمیم این حرکات چطور کار می‌کنن، اول راجع به ساختمان اتم صحبت می‌کنیم.

ساختار اتم

اتم از پروتون‌های مثبت توی هسته و الکترون‌های منفی دورش ساخته شده. (نوترون‌ها تو این قضیه تأثیری ندارن). الکترون‌ها تو مدارهایی دور هسته می‌چرخند. این مدارها اسمشون اوربیتال هست و به نام‌های K، L، M و N شناخته می‌شن. الکترون‌ها در این مدارها تو لایه‌های s، p، d و f می‌چرخند. چرخش الکترون به دور هسته رو «اسپین» می‌گن.

این چرخش‌ها باعث می‌شن یک بردار به نام «گشتاور» ایجاد بشه. یادتون هست که با قانون دست راست چطور می‌گفتیم جهت نیرو رو مشخص کنیم؟ اگه چهار انگشت رو در جهت چرخش الکترون‌ها بزنید، انگشت شست جهت نیرویی رو نشون می‌ده که از تغییر حرکات الکترون‌ها به وجود اومده. حالا این مجموعه بردارها میدان مغناطیسی رو به وجود می‌آورند و وقتی یه جسم به این میدان نزدیک می‌شه، یا به سمتش کشیده می‌شه یا ازش دور می‌شه.

قانون دست راست

نکته‌ای که باید بهش توجه کنید اینه که اگه دو نیرو به همدیگه در خلاف جهت عمل کنن، همدیگه رو خنثی می‌کنند. برای مثال توی یک لایه مثل s، اگه دو تا الکترون به سمت‌های مخالف بچرخند، نیروی ایجاد شده همدیگه رو خنثی می‌کنن. بنابراین وقتی جسمی نزدیکشون باشه، نه جاذبه‌ای حس می‌شه و نه دافعه‌ای.

اما یه راه دیگه برای ایجاد خاصیت مغناطیسی وجود داره. الکترون‌ها نه تنها دور هسته می‌چرخند، بلکه می‌تونند مثل کره زمین دور خودشون هم بچرخند. اگه تعداد الکترون‌ها توی لایه آخر زوج باشه، نیروها همدیگه رو خنثی می‌کنن.

جامداتی که لایه d اون‌ها در حال پر شدنه، خاصیت مغناطیسی دارن ولی این خاصیت فقط به خاطر چرخش الکترون‌های لایه آخره. اما در مواد با لایه f در حال پر شدن، چون فاصله لایه از هسته بیشتره، الکترون‌ها می‌تونند هم به دور خودشون و هم به دور هسته بچرخند. دقیقاً در اینجا دو نیروی مختلف به وجود میاد و خاصیت مغناطیسی خیلی بیشتر می‌شه.

حوزه‌های مغناطیسی

حالا یک ماده مغناطیسی ترکیبی از چند حوزه مغناطیسیه. هر حوزه قسمتی هست که الکترون‌ها توش در یک جهت می‌چرخند. وقتی همه این حوزه‌ها بخوان با هم کار کنن، باید هم‌جهت بشن. اگه توی یک ماده، مدارهای الکترون‌ها در جهات مختلف بچرخند، می‌تونند همدیگه رو خنثی کنن و در نتیجه میدان ضعیف‌تری داشته باشن.

مثال از حوزه‌های مغناطیسی

حالا تصور کنید دو اتاق کنار هم دارید. اتاق اول مثلاً ۱۰ نفر داره که از جهات مختلف در حال حرکتند. اتاق دوم، ۴ نفر داره که همه از شمال به سمت جنوب در حال حرکت هستند. تو اتاق اول، آدم‌ها مدام به هم برخورد می‌کنند و در نتیجه حرکت کلیشون خیلی کمتر از اتاق دوم میشه که همه با هم راحت حرکت می‌کنند.

بیشتر بخوانید:
تدریس خصوصی

القای مغناطیسی

القا به معنی خلاصه اینکه یه ماده‌ای که باید مغناطیسی بشه رو مغناطیس می‌کنیم. برای این کار باید همه حوزه‌ها رو به یک سمت تنظیم کنیم، تا نیروها همدیگه رو خنثی نکنند. برای اینکه این کار رو کنیم می‌تونیم قطعه‌ رو با یک آهن‌ربا مالش بدیم یا توی جهت میدان مغناطیسی زمین حرارت بدیم. این کار باعث می‌شه که همه نیروها هم‌جهت بشن و در نهایت خاصیت مغناطیسی ماده بیشتر بشه.

علت میدان مغناطیسی زمین چیست؟

میدان مغناطیسی زمین ناشی از چندین عامل طبیعی است که عمدتاً به ساختار داخلی زمین و حرکت مواد درون هسته آن مربوط می‌شود. در اینجا به توضیح علل ایجاد میدان مغناطیسی زمین می‌پردازم:

1. هسته زمین: زمین دارای هسته‌ای داخلی و هسته‌ای خارجی است. هسته‌ی داخلی زمین عمدتاً از آهن و نیکل تشکیل شده و به حالت جامد است، و هسته‌ی خارجی مایع است. این فرق دما و فشار در بین دو هسته و حرکت مواد مذاب در هسته‌ی خارجی باعث ایجاد جریان‌های الکتریکی می‌شود.
2. حرکت گردش زمین: زمین به دور خودش می‌چرخد و این چرخش به همراه حرکت مواد مذاب در هسته‌ی خارجی، جریان‌های الکتریکی ایجاد می‌کند. این جریان‌ها باعث ایجاد میدان مغناطیسی می‌شوند.
3. قوانین الکترومغناطیسی: طبق قوانین الکترومغناطیسی، هر بار الکتریکی که در حال حرکت باشد، میدان مغناطیسی به وجود می‌آورد. بنابراین، حرکت الکترون‌ها در مواد رسانا و به ویژه در هسته‌ی مایع زمین، میدان مغناطیسی را ایجاد می‌کند.
4. اثر دینامو (Dynamo Effect): این پدیده به چگونگی تولید میدان مغناطیسی به واسطه‌ی جریان‌های الکتریکی و چرخش زمین مرتبط است. به عبارت دیگر، حرکت مایع در هسته‌ی زمین به ایجاد جریان‌های الکتریکی و در نتیجه ایجاد میدان مغناطیسی کمک می‌کند.
5. تقارن نامتقارن: زمین به طور کامل متقارن نیست و این عدم تقارن در توزیع مواد و حرارت در هسته باعث ایجاد نوسانات و تغییرات در میدان مغناطیسی می‌شود.

میدان مغناطیسی زمین نه تنها برای هدایت قطب‌نماها و ناوبری استفاده می‌شود، بلکه همچنین زمین را از اشعه‌های مضر خورشیدی و ذرات باردار محافظت می‌کند و به حفظ جو زمین کمک می‌کند.