جهان چگونه کار می کند؟ on Telegram: “چرا آهنرباها دارای قطب شمال و جنوب هستند؟ الکترو…”

چرا آهنرباها دارای قطب شمال و جنوب هستند؟

الکترون‌های در حال چرخش (Spinning electrons) ممکن است به توضیح اینکه چرا آهن‌رباها دارای قطب شمال (N) و جنوب (S) هستند، کمک کند.
آهنربای طبیعی را انسان های پیش از میلاد مسیح هم می‌شناختند. در سدهٔ یازدهم میلادی بود که دریانوردان چینی و عرب از آهنربای طبیعی شناور به عنوان قطب‌نما استفاده کرده اند.
اگر بخواهیم با بریدن آهنربا قطب‌ها را از یکدیگر جدا کنیم، به نتیجهٔ جالب توجه می‌رسیم: یک آهنربا به دو آهنربا تبدیل می‌شود. هر قطعه، هر قدر هم نازک بریده شود، همیشه دارای دو قطب است. هیچکس، حتی در سطح اتمی هم، تاکنون نتوانسته است یک قطب مغناطیسی منزوی را، که تک‌قطبی مغناطیسی نامیده می شود، بیابد. آهنربا دارای یک قطب شمال است که به قطب جنوب آهنربای دیگر جذب می شود و بالعکس.
این خاصیت مغناطیدگی آهنربا است که آن‌ها را برای بسیاری مقاصد و کارهای روزمره کاربردی می‌کند، امروزه آهنربا ها را در دستگاه‌های اندازه‌گیری ، موتورها، بلندگوها، ضبط نوارها، حافظهٔ کامپیوترها، تنظیم باریکهٔ الکترون در تلویزیون‌ها، و هزار موارد دیگر به کار می‌برند.
اما این قطب ها چگونه به وجود می آیند؟ چرا آهنرباها دارای قطب شمال و جنوب هستند؟
گرگ بوبینگر، مدیر آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در تالاهاسی ایالت فلوریدا گفت: آهنرباها یکی از عمیق ترین اسرار در فیزیک محسوب می شوند، در حالی که مردم هزاران سال است که از آهنرباها استفاده می کنند، دانشمندان هنوز در حال کسب اطلاعات بیشتر و جدیدی در مورد نحوهٔ عملکرد آنها هستند.
اساسی ترین پاسخ در مورد اینکه چرا آهنرباها دارای قطب هستند در رفتار الکترون ها نهفته است. تمام ماده از جمله آهنرباها از اتم ساخته شده اند. در هر اتم، هسته توسط یک یا چند الکترون با بار منفی احاطه شده است. هر یک از این الکترون ها میدان مغناطیسی کوچک خود را تولید می کنند که دانشمندان از آن به عنوان "اسپین (چرخش حول محور خود)" یاد می کنند. اگر مقدار کافی از آن میدان های مغناطیسی کوچک در یک جهت باشد، خود ماده مغناطیسی می شود.
بوبینگر به لایوساینس گفت: «اسپین» یک الکترون چیزی شبیه یک مفهوم انتزاعی است. از نظر تکنیکی، هیچ کس اسپین الکترونی را ندیده است، آنقدر کوچک است که نمی‌توان آن را زیر میکروسکوپ دید. اما فیزیکدانان میدانند که الکترونها میدان مغناطیسی دارند زیرا آن را اندازه گیری کرده اند. و یکی از راه‌هایی که می‌توان آن میدان را ایجاد کرد این است که الکترون در حال چرخش باشد. اگر جهت چرخش را معکوس کنید و میدان مغناطیسی تغییر خواهد کرد.
در صورت امکان، الکترون ها تزویج می شوند تا اسپین های آنها خنثی شود و مغناطیس خالص یک اتم صفر شود. اما در برخی از عناصر، مانند آهن، این اتفاق نمی‌افتد. تعداد الکترون ها و نحوه قرارگیری آنها در اطراف هسته به این معنی است که هر اتم آهن دارای یک الکترون ترویج نشده خواهد بود که میدان مغناطیسی کوچکی تولید می کند.
در یک مادهٔ مغناطیسی نشده، این میدان‌های مغناطیسی منزوی سمت‌گیری های متفاوتی دارند( یا به عبارتی دیگر سمت‌گیری تکانهٖ زاویه‌ای از اتمی به اتم دیگر متفاوت است). در این حالت، آنها بیشتر یکدیگر را خنثی می کنند، بنابراین ماده به طور کلی مغناطیسی نیستند. اما در شرایط مناسب، میدان‌های مغناطیسی زیراتمی کوچک می‌توانند در یک جهت قرار بگیرند. شاید بتوان این را تفاوت بین انبوهی از افرادی که دور هم جمع می‌شوند، در مقابل همه سازمان‌دهی‌شده‌ها و روبه‌رو شدن در یک جهت تصور کرد. ترکیب این میدان‌های مغناطیسی بسیار کوچک، میدان مغناطیسی بزرگ‌تری ایجاد می‌کند،بنابراین ماده به یک آهنربا تبدیل می‌شود.
بسیاری از آهنرباهایی که در زندگی روزمره استفاده می شوند، مانند آهنرباهای یخچال، به عنوان آهنرباهای دائمی شناخته می شوند. در این مواد، میدان‌های مغناطیسی بسیاری از اتم‌های موجود در مواد به‌طور دائمی توسط نیروی بیرونی همراستا و همسو شده‌اند مانند قرار گرفتن در یک میدان مغناطیسی قوی‌تر.
اغلب، میدان مغناطیسی قوی تر توسط الکتریسیته ایجاد می شود. الکتریسیته و مغناطیس اساساً به هم مرتبط هستند، زیرا میدان های مغناطیسی توسط حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شوند. به همین دلیل است که یک الکترون در حال چرخش میدان مغناطیسی دارد. پائولو فراسین، دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی لارنس برکلی کالیفرنیا گفت:"اما دانشمندان همچنین می توانند از الکتریسیته برای ساخت آهنرباهای بسیار قدرتمند استفاده کنند. عبور جریان کافی از یک سیم پیچ، میدان مغناطیسی بسیار قوی ایجاد می کند که تا زمانی که جریان برقرار است، این میدان مغناطیسی همچنان پابرجا باقی می‌ماند.

ادامهٔ مطلب
-
«Channel of Science is for all»