الکتریسیته
تاریخچه الکتریسیته
اگرچه که الکتریسته به عنوان نتیجه واکنش شیمیایی‌ای که در یک پیل الکترولیک از زمانی که الساندرو ولتا در سال۱۸۰۰م این آزمایش را انجام داد، شناخته می‌شده است، اما تولید آن به این روش گران بوده و هست. در سال ۱۸۳۱م، میشل فارادی ماشینی ابداع کرد که از حرکت چرخشی تولید الکتریسته می‌کرد، اما حدود پنجاه سال طول کشید تا این فن آوری از نظر اقتصادی مقرون به صرفه شود. در سال ۱۸۷۸م، توماس ادیسون جایگزین عملی تجاری ای را برای روشنایی‌های گازی و سیستمهای حرارتی ایجاد کرد و به فروش رساند که از الکتریسته جریان مستقیمی استفاده می‌کرد که بطور منطقه‌ای تولید و توزیع شده بود، استفاده می‌کرد. در سیستم جریان مستقیم ادیسون، ایستگاه‌های تولید توان اضافی می‌بایست نصب می‌شدند. بدلیل اینکه ادیسون قادر نبود سیستمی را تولید کند که به ژنراتورهای چندگانه اجازه بدهد که به یکدیگر متصل شوند، گسترش سیستم او نیاز داشت که تمامی ایستگاه‌های تولید جدید مورد نیاز ساخته شوند.
نیاز به نیروگاه‌های اضافی ابتدا توسط قانون اهم بیان شده است: بدلیل اینکه تلفات با مربع جریان یا بار و با خود مقاومت متناسب است، بکار بردن کابل‌های طولانی در سیستم ادیسون به مفهوم داشتن ولتاژهای خطرناک در برخی نقاط یا کابل‌های بزرگ و گران قیمت و یا هر دوی اینها بود.
نیکولا تسلا که مدت کوتاهی برای ادیسون کار می‌کرد و تئوری الکتریسته را بگونه‌ای درک کرده بود که ادیسون درک نکرده بود، سیستم جایگزینی را ابداع کرد که از جریان متناوب استفاده می‌کرد. تسلا بیان داشت که دو برابر کردن ولتاژ جریان را نصف می‌کند و منجر به کاهش تلفات به میزان ۴/۳ می‌شود و تنها یک سیستم جریان متناوب اجازه انتقال بین سطوح ولتاژ را در قسمت های مختلف آن سیستم ممکن می‌سازد. او به توسعه و تکمیل تئوری کلی سیستم اش ادامه داد و جایگزین تئوری و عملی ای را برای تمامی ابزارهای جریان مستقیم آن زمان ابداع کرد و ایده های بدیعش را در سال ۱۸۸۷م در ۳۰ حق انحصاری اختراع به ثبت رساند.
در سال ۱۸۸۸م کار تسلا مورد توجه جرج وستینگهاوس که حق انحصاری اختراع یک ترانسفورماتور را در اختیار داشت و یک کارخانه روشنایی را از سال ۱۸۸۶م در گریت بارینگتون، ماساچوست راه اندازی کرده بود، قرار گرفت. اگرچه که سیستم وستینگهاوس می‌توانست از روشنایی‌های ادیسون استفاده کند و دارای گرم کننده نیز بود، اما این سیستم دارای موتور نبود. توسط تسلا و اختراع ثبت شده اش، وستینگهاوس یک سیستم قدرت برای یک معدن طلا در تلورید، کلورادو در سال ۱۸۹۱ ساخت که دارای یک ژنراتور آبی ۱۰۰ اسب بخار(۷۵ کیلو وات) بود که یک موتور ۱۰۰ اسب بخار (۷۵ کیلو وات) را در آنسوی خط انتقالی به فاصله ۵/۲ مایل (۴ کیلومتر) تغذیه می‌کرد. سپس در یک قرارداد با جنرال الکتریک که ادیسون مجبور به فروش آن شده بود، شرکت وستینگهاوس اقدام به ساخت یک نیرگاه در نیاگارا فالس کرد که دارای سه ژنراتور تسلای ۵۰۰۰ اسب بخار بود که الکتریسته را به یک کوره ذوب آلومینیوم در نیاگارا ، نیویورک و به شهر بوفالو، نیویورک به فاصله ۲۲ مایل (۳۵ کیلومتر) انتقال می‌داد. نیروگاه نیاگارا در ۲۰ آوریل ۱۸۹۵م شروع به کار کرد.
منشا الکتریسیته:
طبق نظریه الکترونی اتم، یک اتم از ذرات کوچکتری به نامهای الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است. که الکترونها دارای بار منفی و پروتون‌ها دارای بار مثبت و نوترون‌ها بدون بار هستند. تعداد الکترونها و پروتون‌های یک اتم در حالت عادی برابر است. بنابراین، اتم در حالت عادی از نظر بار الکتریکی خنثی است.
در اثر تماس، نزدیکی و یا برخورد اجسام بر همدیگر میان اجسام اندازه حرکت خطی مبادله می‌شود. در اثر تغییر اندازه حرکت نیروهائی ایجاد می‌شود. چگونگی شکل‌گیری این نیروها به ساختار اتمی تشکیل دهنده اجسام برمی‌گردد. به عبارتی این نیروها منشا الکتریکی و مغناطیسی دارند. در اثر مالش اجسام برهمدیگر، جسمی که در اتم‌های تشکیل دهنده خود اتمی از نوع دهنده الکترون داشته باشد، الکترون خود را به جسم دیگر که نسبت به آن خاصیت الکترونگاتیوی بیشتری دارد می‌دهد و مبادله الکترون بین اتم‌ها و در نهایت اجسام منجر به تولید الکتریسته می‌شود.
تقسیمات الکتریسیته:
الکتریسته ساکن (الکتریسیته مالشی):
اگر یک میله شیشه‌ای را به پارچه پشمی مالش دهیم، هردو جسم دارای بار میشوند. زیرا شیشه تعدادی الکترون از دست می‌دهد. و پارچه الکترون می‌گیرد. پس شیشه دارای بار مثبت و پارچه به همان مقدار دارای بار منفی میگردد. بار ایجاد شده در شیشه و پارچه درمحل تماس باقی می‌ماند.
الکتریسته القائی:
اگر میله با بار منفی را به دو کره فلزی بدون باری که با هم در تماس بوده و توسط پایه‌های عایقی از زمین جدا شده باشند، نزدیک کنیم. قبل از دور کردن میله، بدون دست زدن به پوسته کرات آنها را از هم جدا کنیم. کره نزدیک به میله دارای بار مثبت و کره دور از آن دارای منفی خواهد بود که مقدار بار روی کرات برابر هستند. این نوع بار دارشدن را باردار شدن به روش القا یا مجاورت می‌نامند.
الکتریسته جاری:
عبور پیوسته الکترون از یک هادی را الکتریسته جاری گویند. خلاف جهت حرکت الکترون را جهت قراردادی جریان الکتریکی جریان الکترونی) انتخاب می‌کنند. عامل برقراری جریان ثابت، اختلاف پتاسیل ثابتی می‌باشد، که در دو سر هادی برقرار است. و وسایل تولید این اختلاف پتاسیل ثابت پیل‌های شیمیائی، ژنراتورها و دیناموها می‌باشند.
اجسام رسانا و نارسانا:
بعضی از اجسام مانند فلزات که الکتریسته را به خوبی از خود عبور می‌دهند، رسانا نامیده میشوند. در این نوع اجسام الکترونهای آزاد اتم به‌راحتی در شبکه بلوری اجسام حرکت می‌کنند. و عمل رسانائی را انجام می‌دهند. اجسامی که الکترونهای آزاد (برای هدایت الکترون) ندارند، و نمی‌توانند الکتریسته را از خود عبور دهند، نارسانا یا عایق نامیده می‌شود. باید توجه نمود که رسانائی یا نارسانائی یک کمیت نسبی است.
توزیع بار الکتریکی در اجسام رسانا:
اگر جسم رسانائی بر روی پایه عایقی قرار گیرد. و در اثر مالش باردار شود. بار تولید شده در آن در سطح خارجیش پخش می‌شود، به‌طوری که در لبه‌ها و قسمت‌های نوک تیز چگالی سطحی بار بیشتر از سایر قسمت‌ها می‌باشد.
بار الکتریکی:
میزان باری که ذره بنیادی الکترون دارد را مبنا قرار می‌گیرد و چون مبادله بار از طریق الکترون صورت می‌گیرد شمارش تعداد الکترونهای مبادله شده بار الکتریکی جسم را به ما می‌دهد. به عبارتی اگر جسمی n تا الکترون دریافت نماید، بار الکتریکی آن از نوع منفی بوده (چون الکترون گرفته) و مقدارش n برابر بار الکترون خواهد بود. اگر بار الکتریکی را با علامت q و بار الکترون را با e نمایش دهیم، مقدار بارالکتریکی هر جسم از رابطه q=ne تبعیت می‌نماید. واحد بار الکتریکی به افتخار اولین قانون الکتریسته ((قانون کولن)) که آقای کولن کشف نمود، کولن نام دارد. بار الکتریکی یک الکترون در دستگاه برحسب کولن برابر است با: e=۱.۶x۱۰۱۹- c .در نظر داشته باشید که n>-۱ است.(یک کمیت کوانتومی است)
اثر بارهای الکتریکی برهمدیگر:
بر طبق قانون کولن دو بار الکتریکی همنام همدیگر را دفع و دو بار الکتریکی غیر همنام همدیگر راجذب می‌کنند. مقدار نیروی جاذبه یا دافعه بین بارها بر طبق قانون کولن با حاصلضرب اندازه بارها نسبت مستقیم و با مجذور فاصله بارها نسبت عکس دارد. این نیرو به جنس محیطی که بارها در آن واقع شده نیز وابسته است (بستگی نیرو به گذردهی الکتریکی محیط).
الکتریسیته ساکن
نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر می‌شود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی ، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول ، جریان برق می‌شود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده می‌کنیم.
● دید کلی
▪ چرا به عقب بدنه تانکرهای نفت جاده‌ای زنجیر کوتاهی که با سطح زمین تماس دارد؟
▪ آیا زدن رعد و برق بین ابرها نیز به علت وجود الکتریسیته ساکن در آنهاست؟
▪ چرا اگر میله فلزی را در دست بگیریم و مالش دهیم بار الکتریکی در آن ظاهر نمی‌شود؟
▪ چگونه می‌توان نشان داد یک میله فلزی هم در اثر مالش الکتریسیته‌دار می‌شود؟
● تاریخچه
یوناینان باستان از مشاهدات خود نتیجه گرفتند که هرگاه کهربا را با پارچه پشمی یا پوست مالش دهند، اجسام سبکی را به خود جذب می‌کند. واژه الکتریسیته از کلمه یونانی الکترون به معنی کهربا گرفته شده است. این واژه اولین بار در نوشته‌های تالس ( ۵۴۷ ـ ۶۴۰ ق . م ) بکار رفته است. ویلیام گیلبرت ( ۱۵۴۴ ـ ۱۶۰۳ م )با انتشار کتابی درباره مغناطیس نظریات گذشتگان را مورد بررسی قرار داد. و نتیجه گرفت که نیروهای الکتریکی و مغناطیسی از هم جدا می‌باشند.
برای مثال سنگ مغناطیس میتواند آهن و فقط چند ماده دیگر را جذب کند. در صورتی که کهربا و اجسامی که خاصیت الکتریکی دارند می‌توانند ذرات کوچک و سبک اجسام گوناگون را جذب کنند. وی عقیده داشت که اجسام الکتریکی اثر دافعه ندارد. در سال ۱۶۴۶ سرتوماس برادن تجربه‌های خود را درباره اثر دافعه الکتریکی منتشر نمود و اظهار کرد که بین مواد الکتریکی نیز همانند مواد مغناطیسی نیروهای جاذبه و داففه وجود دارند.
● سر تحولی و رشد
در سال ۱۶۶۳ اتونون گریکه ماشینی ساخت که بوسیله آن بار الکتریکی زیادی تولید می‌شد. آنگاه دانشمندان دیگری چون استن گری ( ۱۶۷۰ ـ ۱۷۳۶ ) و شارل دونی ( ۱۶۹۸ ـ ۱۷۳۹ ) تجربه‌های دقیقتری انجام دادند، به خود و نوع الکتریسیته پی بردند. برای ایجاد الکتریسیته ساکن‌تری که می‌توانستند جرقه‌ها و تکانهای ترسناک الکتریکی تولید کنند.
برای مثال یکی از استادان فیزیک دانشگاه لندن بارهای الکتریکی این گونه ماشینها را در یک بطری پر از مایع جمع کرد. مقدار الکتریسیته در بطری لیدن آن قدر زیاد بود که اگر شخصی بطری را در دست می‌گرفت و دست دیگر خود را به میله سر بطری می‌زد تکان شدیدی در بدن خود احساس می‌کرد.
در قرن هیجدهم میلادی بطری لیدن مورد توجه بنیامین فرانکلین (۱۷۵۶ ـ ۱۷۹۰) قرار گرفت، وی پس از آزمایشهای متعدد نتایج کار خود را در سال ۱۷۴۷ منتشر کرد. او معتقد بود که دو نوع الکتریسیته که قبل از وی کشف شده بود اساسا باهم تفاوتی ندارد، بلکه حتی جسمی در اثر مالش دارای الکتریسیته می‌شود. یکی از دو جسم دارای الکتریسیته اضافی یعنی بار مثبت و دیگر دارای الکتریسیته منفی می‌شود.
● قانون بقای بار الکتریکی
دو نوع بار الکتریکی وجود دارد و این بارهای الکتریکی که می‌توانند ساکن یا متحرک باشند و آثاری از خود ظاهر می‌سازند. از نظریه فارنکلین این نتیجه درست نیز بدست آمد که: «بارهای الکتریکی ایجاد نمی‌شوند و از بین نیز نمی‌روند بلکه از قسمتی از یک جسم به قسمت دیگر منتقل میشوند، همچنین بارهای مثبت و منفی از یکدیگر را خنثی می‌کنند، ولی هیچگاه نابود نمی‌شود.» این نتایج امروزه قانون بقای بار الکتریکی نامیده می‌شود که مانند قانون بقای جرم و انرژی از قوانین اساسی طبیعت محسوب می‌شود.
● خواص بارهای الکتریسیته
با بررسی خواص بارهای الکتریکی بهتر به ماهیت ماده پی می‌بریم. مثلا این خاصیت که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می‌رانند و بارهای الکتریکی یا نوع مخالف یکدیگر را می‌ربایند. این واقعیت را نشان می‌دهد که درون ماده نیروهای الکتریکی موجود است. نیروهای پیوستگی بین مولکول‌ها اجسام جامد یا مایع به سبب وجود نیروهای جاذبه الکتریکی بین بارهای الکتریکی از نوع مخالف است.
نیروهای متعددی که به هنگام تراکم ماده ظاهر می‌شود به علت وجود نیروهای رانشی بین بارهای الکتریکی ممنوع است. حرکت این بارهای الکتریکی ، موجب تولید جریان الکتریسیته و یا به اصطلاح متداول ، جریان برق می‌شود که ما در خانه و صنعت از آن استفاده می‌کنیم.
● تولید الکتریسیته بوسیله مالش
می‌دانید هرگاه شانه یا یک میله پلاستیکی را با لباس خود یا با یک تکه پارچه پشمی خشک مالش دهید. ذره‌های گرد و غبار یا خرده‌های کاغذ را جذب می‌کند. همچنین اگر در هوای خشک ، سطح آینه یا شیشه پنجره را با یک تکه پارچه خشک تمیز کنید این پدیده اتفاق می‌افتد و ذره‌های گرد و غبار معلق در هوا و کرکهای جدا شده از پارچه به سطح آینه یا شیشه می‌چسبند. به طوری که پاک کردن سطح آنها از این ذره‌ها دشوار است. عاملی که سبب جذب این ذرات می‌شود جاذبه الکتریکی نام دارد و اجسامی که در اثر مالش این خاصیت را پیدا می‌کنند دارای الکتریسیته ساکن میشوند.
● الکتریسیته مثبت و منفی
پدیده وضع الکتریکی نخستین بار در سال ۱۶۷۲ میلادی توسط اتوفن گریکه که با نام او آشنا هستید بیان شد. او مشاهده کرد که پرهای مرغ نخست جذب یک گلوله گوگردی باردار شده و سپس از آن رانده میشوند. صد و پنجاه سال بعد ، در فرانسه محققی به نام شارل دونی کشف کرد که دو جسم باردار همیشه یکدیگر را نمی‌رانند بلکه گاهی هم یکدیگر را می‌ربایند و به این نتیجه رسید که دو نوع بار الکتریکی وجود دارد. بطوری که بارهای الکتریکی ممنوع یکدیگر را می‌رانند و بارهای الکتریکی که نوع آنها مختلف است یکدیگر را می‌ربایند.
دونی برای تشخیص این دو نوع الکتریسیته یکی را الکتریسیته شیشه‌ای و دیگری از الکتریسیته صمغی (رزینی) نامید. الکتریسیته شیشه‌ای از مالیدن شیشه به پارچه ابر پشمی تولید می‌شود و الکتریسیته ضمغی از مالیدن کهربا ، گوگرد ، لاک و ابونیت و بسیاری از مواد دیگر به پشم یا پوست حیوان بدست می‌آید.
بعدها معلوم شد که این طرف نامگذاری در پاره‌ای از موارد گمراه کننده است. زیرا مثلا شیشه سنگی زبر و آن در اثر مالش ، الکتریسیته ضمغی تولید می‌کند و ابونیت بسیار صیقلی شده دارای نوع الکتریسیته شیشه‌ای می‌شود. از اینرو فرانکلین دانشمند آمریکایی اصطلاح امروزی الکتریسیته مثبت و منفی را بجای دو نوع شیشه‌ای و ضمغی وضع کرد.
● آزمایش ساده برای تولید الکتریسیته ساکن
بنا به روش سنتی و قدیمی ، در آزمایشهای الکتریسیته ساکن برای تولید الکتریسیته مثبت شیشه را با ابریشم و برای تولید الکتریسیته منفی ، ابونیت را با پوست حیوان و مانند پوست گربه مالش می‌دهند. ولی امروزه استات سلولز برای تولید الکتریسیته مثبت و پلیتن برای تولید الکتریسیته منفی مناسبتر تشخیص داده شده است. زیرا رطوبت هوا بر روی آنها کمتر اثر می‌گذارد.
● مواد الکتریسیته ساکن
▪ الکتروفور:
در سال ۱۷۷۵ میلادی آلساندرو داتا که در ایتالیا معلم فیزیک بود. نامهای به پریستلی (کاشف اسپزن) نوشت و در آن نامه شرح داد. که اسبابی به نام الکتروفور اختراع کرده است. الکتروفور را می توان یک نوع ماشین مولد الکتریسیته ساکن نامید. در این دستگاه صفحه نارسانا در اثر مالش با پوست حیوان دارای بار الکترون منفی می‌شود و با قرار دادن صفحه فلزی روی آن ، قسمت بالایی صفحه در اثر القا دارای بار منفی و قسمت پایین صفحه دارای بار مثبت می‌شود.
سطح پایینتر فلز بوسیله چند نقطه با سطح صفحه نارسانای زیرین تماس دارد. هرگاه سطح بالایی قرص بطور موقت به زمین وصل شود. الکترونها سطح بالایی زمین منتقل میشوند به این ترتیب صفحه فلزی دارای بار مثبت می‌شود.
مغناطیس
تاریخچه
علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است. زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز میتواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی میتواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.
در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است. در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد. جهت مطالعه زندگینامه علمی رولاند فیزیکدان برجسته آمریکایی به کتاب زیر مراجعه شود:
Phusics by John D.Miller,Physics
Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتریسیته و مغناطیس تا سال 1820 به موازات هم تکامل می یافت اما کشف بنیادی اورستد و سایر دانشمندان سبب شد که الکترومغناطیس به عنوان یک علم واحد مطرح شود. برای تشدید اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در سیم می‌توان را به شکل پیچه‌ای با دورهای زیاد در آورد و در آن یک هسته آهنی قرار داد. این کار را می‌توان با یک آهنربای الکتریکی بزرگ ، از نوعی که معمولا در پژوهشگاههای برای کارهای پژوهشی مربوط به مغناطیس بکار می‌رود، انجام داد.
تولد میدان مغناطیسی
دومین میدانی که در مبحث الکترومغناطیس ظاهر می شود، میدان مغناطیسی است. این میدانها و به عبارت دقیقتر آثار این میدانها از زمانهای بسیار قدیم ، یعنی از همان وقتی که آثار مغناطیسهای طبیعی سنگ آهنربا (Fe3O4 یا اکسید آهن III) برای اولین بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی و اکتشاف گذاشت با وجود این، جز در این مورد مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر نیز شناخته شده بود، تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند.
این کار تواأم با کارهای بعدی گاؤس ، هنری . فاراده و دیگران نشان دادند که این شراکت واقعی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد و این دو توأم تحت عنوان میدان الکترومغناطیسی حضور دارند. به عبارتی این میدانها به طرز جدایی ناپذیری در هم آمیخته شده‌اند.
حوزه عمل و گسترش میدان مغناطیسی
تلاش مردان عمل به توسعه ماشینهای الکتریکی ، وسایل مخابراتی و رایانه‌ها منجر شد. این وسایل که پدیده مغناطیسی در آنها دخیل است نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ایفا می‌کنند. با گسترش و سریع علوم از اعتبار این علوم اولیه کاسته نمی‌شود و همیشه سازگاری خود را با کشفیات جدید حفظ می‌کند.
مغناطیسهای طبیعی و مصنوعی
بعضی از سنگهای آهن یاد شده در طبیعت خاصیت جذب اشیای آهنی کوچک ، مانند براده‌ها یا میخهای مجاور خود را دارند. اگر تکه‌ای از چنین سنگی را از ریسمانی بیاویزیم ، خودش را طوری قرار می‌دهد که راستایش از شمال به جنوب باشد، تکه‌های چنین سنگهایی به آهنربا یا مغناطیس معروف است.
یک تکه آهن یا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا یا مغناطیده می‌شود، یعنی توانایی جذب اشیای آهنی را کسب می‌کند. خواص مغناطیسی این تکه آهن یا فولاد هر چه به آهنربا نزدیکتر باشد، قویتر است. وقتی که تکه‌ای از آهن و آهنربا با یکدیگر تماس پیدا کنند ، مغناطش یا آهنربا شدگی به مقدار ماکزیمم (میخ آهنی که به آهنربا نزدیک شود خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند و براده‌های آهنربا را جذب می‌کند) می‌باشد.
هنگامی که آهنربا دور شود، تکه آهن یا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زیادی از خواص مغناطیسی بدست آورده را از دست می‌دهند، ولی باز هم تا حدی آهنربا می‌مانند. از اینرو به آهنربای مصنوعی تبدیل میشوند و همان خواص آهنربای طبیعی را دارد. این پدیده را می‌توان با آزمایش ساده‌ای به اثبات رسانید. خاصیت آهنربایی که به هنگام تماس تکه آهن با آهنربا پیدا می‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقی می‌ماند، مغناطش موقت نامیده می‌شود. آزمایشهایی از این نوع نشان می‌دهد که مغناطش بازمانده خیلی ضعیفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکی از آن است.
هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده برای درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاری شده از آهن نرم و فولاد تابکاری نشده به مقدار زیادی قویتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ویژه درجاتی از آن که شامل مثلا آمیزه کبالت است، خیلی قویتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتیجه ، اگر دو میله یکسان ، یکی ساخته شده از آهن نرم و دیگری از فولاد را اختیار کنیم و آنها را در مجاورت آهنربای یکسانی قرار دهیم ، میله آهن نرم قویتر از فولاد آهنربا می‌شود.
ولی اگر آهنربا را دور کنیم، میله آهن نرم تقریبا بطور کلی مغناطیده می‌شود، در حالیکه میله فولاد مقدار قابل توجهی از خاصیت آهنربایی اولیه خود را حفظ می کند. در نتیجه ، آهنربای دائمی از میله فولادی از میله آهنی خیلی قویتر است. به این دلیل آهنرباهای دائمی را از درجات خاصی از فولاد درست می‌کنند نه از آهن.
آهنرباهای مصنوعی که بطور ساده با قرار دادن تکه‌ای فولاد در نزدیکی یک آهنربا یا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعیف هستند. آهنرباهای قویتر را با مالیدن تیغه فولادی با آهنربا در یک جهت بدست می‌آورند. البته در این حالت نیز آهنرباهایی که بدست می‌آید که از آهنربایی که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعیفتر است. هر نوع ضربه یا تکانی در طول مغناطش عمل را آسانتر می‌کند. برعکس تماس دادن آهنربای دائمی با تغییر ناگهانی و زیاد دمای آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.
وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمی که آهنربا می‌شود نیز بستگی دارد. میله‌های نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقریبا به کلی خاصیت آهنربایی را از دست می‌دهند. با وجود این ، اگر همین آهن را برای ساختن سیمی به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بریم، این سیم (ناپیچیده) خاصیت مغناطیسی خود را به مقدار زیادی حفظ خواهد کرد.
مغناطیس و انواع مغناطیس های مورد استفاده در سیستم MRI
هر ذره بارداری در حال حرکت، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند.
میدان مغناطیسی یک ذره باردار، مثل یک الکترون درحال حرکت، عمود بر مسیر حرکت ذره است. شدت میدان مغناطیسی به وسیله خطوط فرضی بیان می شود اگر حرکت ذره یک مسیر بسته باشد، همانند الکترون که به دور هسته می چرخد خطوط میدان مغناطیسی بر صفحه حرکت ذره عمود خواهند بود. الکترونها همچنین بدور یک محور درجهت عقربه های ساعت ویا خلاف عقربه های ساعت، می گردند.
این چرخش یک ویژگی از الکترون را به نام اسپین (spin) به وجود می آورد. اسپین الکترون یک میدان مغناطیسی را بوجود می آورد که اگر در هر لایه از اتم، یک زوج الکترون وجود داشته باشد، این میدان خنثی می گردد. خطوط میدان مغناطیسی همیشه حلقه های بسته ای هستند. این خطوط همانند میدان الکتریکی نقطه شروع و پایان ندارند. چنین میدانی دو قطبی (bipolar / dipolar) نامیده می شوند.
این میدان همیشه یک قطب شمال ویک قطب جنوب دارد. مغناطیس کوچکی که به وسیله اسپین الکترون بوجود می آید، دیپلهای مغناطیسی ( magnetic dipole)نامیده می گردد. چنین دیپلهایی با هم می توانند یک محدوده مغناطیسی ( magnetic domain) را بوجود می آورند.
نفوذ پذیری مغناطیسی (magnetic permeability):
نفوذ پذیری مغناطیسی توانایی ماده است برای جذب خطوط شدت میدان مغناطیسی
* طبقه بندی مواد مغناطیسی (classification of magnets)
مواد مغناطیسی براساس منشا خاصیت مغناطیسی طبقه بندی می گردند.
سه نوع کلی از مواد مغناطیسی وجود دارند: مواد مغناطیسی طبیعی، مواد مغناطیسی که بطور مصنوعی خاصیت مغناطیسی دائمی را دارا شده اند و مواد الکترو مغناطیس.
بهترین مثال مواد مغناطیسی طبیعی (natural magnet) ، کره زمین است. زمین دارای میدان مغناطیسی است، چون زمین به دور یک محور می چرخد.
مواد مغناطیسی دائمی (permanent magnet) که بطور مصنوعی ساخته می گردند به شکلها و اندازه های گوناگونی ساخته می گردند که عمدتاً از جنس آهن هستند. این مواد بوسیله قرار دادن آهن دریک میدان مغناطیسی الکتریکی ساخته می گردند.
مواد الکترومغناطیس تشکیل شده اند از یک سیم که بدور یک هسته آهنی پیچیده شده است (Electromagnet).
هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور داده می شود، یک میدان مغناطیسی ایجاد می گردد که شدت این میدان وابسته به جریان عبوری از سیم است.
تمام مواد می توانند طبق عکس العملهایشان درمقابل یک میدان مغناطیس خارجی طبقه بندی گردند.
برخی ازمواد هنگامی که در داخل یک میدان مغناطیسی برده میشوند، بی تاثیر می مانند چنین موادی را دیامغناطیس (diamagnetic) گویند. این مواد را نمی توان بطور مصنوعی مغناطیسی کرد و ضمناً این مواد جذب میدان مغناطیسی نمی گردند. مثالهایی از این مواد می توانند چوب، شیشه و پلاستیک باشند. مواد فرومغناطیس ( Ferromagnetic) که آهن (iron)، کبالت (cobalt) و نیکل (nickel) هستند، به شدت جذب میدان مغناطیسی می گردند و ضمناً می توانند تحت تاثیر یک میدان مغناطیسی، به مواد مغناطیسی دائمی تبدیل گردند. یک آلیاژ از آلومینیوم، کبالت و نیکل که آلنیکو ( Alnico) نامیده می گردد، یک ماده مغناطیسی مفیدتری نسبت به آهن و کبالت و نیکل دراین گروه از مواد مغناطیسی است و بیشتر استفاده می گردد. مواد پارامغناطیس (paramagnetic) تاحدی بین مواد فرومغناطیس و مواد دیا مغناطیس قرار میگیرند.
این مواد به طور اندکی جذب میدان مغناطیسی می گردند و در اثر قطع میدان مغناطیسی خارجی ، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مواد حاجبی (contrast agent) که در MRI استفاده میگردد پارامغناطیس هستند.
تاثیر پذیری مغناطیسی (magnetic susceptibility):
درجه مواد مختلف طی مغناطیسی شدن را تاثیرپذیری مغناطیسی گویند.
مثلاً هنگامی که یک چوب دریک میدان مغناطیس قوی قرار می گیرد، این چوب میدان مغناطیسی را شدت
نمی بخشد ولی هنگامی که آهن در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، این آهن به شدت میدان مغناطیسی را تقویت می کند پس چوب دارای تاثیرپذیری مغناطیسی کم است و آهن دارای تاثیرپذیری مغناطیسی زیاد است.
انواع مغناطیس های مورد استفاده در سیستم MRI
در سیستمهای MRI برای اعمال میدان مغناطیس خارجی، ممکن است انواع مغناطیس های زیر، مورد استفاده قرار گیرد:
1- مغناطیس دائمی Permanent Magnet
2- مغناطیس مقاومتی Resistive Magnet
3- مغناطیس ابر رسانا Superconductive Magnet
در سیستم MRI، میدان مغناطیسی خارجی باید دارای خواص زیر باشد:
الف- یکنواخت بودن شدت میدان ( Field Uniformity ) در منطقه مورد نظر
ب- ثابت بودن شدت میدان ( Field Stablity ) در مدت زمان آزمایش
ج- بالا بودن نسبت سیگنال به نویز SNR ( Signal to Noise Ratio )
مغناطیسهای دائمی ( Permanet Magnets )
این مغناطیس ها از آهنربای طبیعی ساخته شده اند،قدرت مغناطیسی آنها معمولاً از 05/0 تا 5/0 تسلا می باشد. این مغناطیس ها دارای یکنواختی میدان ( Field Uniformity ) پایین و شدت میدان ثابت در طول زمان آزمایش ( Field Stability ) می باشند.
مغناطیس های مقاومتی ( Resistive Magnets )
این مغناطیس ها براساس استفاده از خاصیت القاء مغناطیسی حاصل از عبور یک جریان الکتریکی از یک سیم پیچ، ساخته می شوند. یکنواختی شدت میدان در این مغناطیس ها خوب و پایداری آن متوسط است.
از این مغناطیسها برای ایجاد شدتهای بین 04/0 تا 5/0 تسلا استفاده می شود.
مغناطیسهای ابر رسانا ( Superconductive Magnets )
سیم پیچ این مغناطیس ها از مواد ابررسانا ( Superconductive) ساخته شده است. لذا بدلیل مقاومت الکتریکی خیلی کم، گرمای ناچیزی در آنها تولید می شود.
با این مغناطیس ها می توان میدانها قوی ( تا 2 تسلا یا بیشتر ) تولید نمود.
یکنواختی و پایداری شدت میدان مغناطیسی تولید شده خیلی خوب است.
برای ایجاد خاصیت ابررسانایی، این مغناطیس ها را در درجه حرارت هلیوم مایع ( 2/4 درجه کلوین ) همراه با نیتروژن مایع ( 77 درجه کلوین ) قرار می دهند.
در اثر افزایش درجه حرارت، خاصیت ابر رسانایی سیستم کاهش می یابد. این پدیده را Quench گویند.دیپلها (dipole)
هرماده مغناطیسی از دو قطبی ها تشکیل شده است که این دو قطبی ها با شکستن یک آهنربا از بین نمی روند، پس همواره ما دریک ماده مغناطیسی دو قطب شمال و جنوب را خواهیم داشت.
جذب و دفع (Attraction and Repulsion)
همانند بارهای الکتریکی، قطبهای مغناطیسی هم نام یکدیگر را دفع می کنند و قطب های مغناطیسی ناهمنام، همدیگر را دفع می کنند. همچنین بطور ساده، خطوط فرضی میدان مغناطیسی قطب شمال (N) را ترک می کنند و به قطب جنوب (S) وارد می شوند.
القاء مغناطیسی (magnetic induction)
همانند بار الکترواستاتیک که میتواند از یک جسم به جسم دیگر القاء گردد، مواد مغناطیسی هم می توانند بوسیله القاء، مغناطیسی گردند. خطوط فرضی میدان مغناطیسی که توصیف گردید، خطوط مغناطیسی (magnetic lines) القاء نامیده می شوند و تراکم این خطوط وابسته به شدت میدان مغناطیسی است.
اجسام فرومغناطیس می توانند به ماده مغناطیسی از طریق القاء تبدیل گردند.
هنگامی که یک ماده فرومغناطیس مثلاً یک قطعه آهن نرم ( soft Iron) به درون یک میدان مغناطیسی برده می شود،خطوط القاء تغییر پیدا می کنند و بوسیله آهن جذب می گردند و آهن بطور موقت به یک ماده مغناطیسی تبدیل می گردد ولی اگر یک ماده دیامغناطیسی مثل مس (copper) را جایگزین آهن کنیم، چنین اتفاقی نمی افتد.
نیروی مغناطیسی (magnetic force)
نیرویهای الکترومغناطیسی بوسیله تئوری میدان تابش الکترومغناطیسی ماکسول به هم مرتبط می گردند. این تئوری بیان می کند که نیرویی که بوسیله میدان مغناطیسی ایجاد می گردد، همانند نیرویی است که بوسیله میدان الکتریکی ایجاد میگردد.
تئوری میدان ماکسول:
نیروی مغناطیسی متناسب است با ضرب شدت قطبهای مغناطیسی تقسیم بر مربع فاصله بین آنها. واحد SI شدت نیروی مغناطیسی تسلا (Tesla) است. واحد قدیمی ترآن گوس (gauss) است که یک تسلا برابر است با 10.000 گوس. (1 T=10,000 G)
میدان مغناطیسی زمین
دید کلی
در هر نقطه‌ای در نزدیکی سطح زمین ، عقربه مغناطیسی آویزان از رشته یا واقع روی یک نقطه به ترتیب خاصی سمت گیری می‌کند (تقریبا در جهت شمال به جنوب). این واقعیت مهم به این معنا است که زمین میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند، مطالعه میدان مغناطیسی زمین برای مقاصد عملی و علمی از اهمیتی اساسی برخودار است.
از زمانهای قدیم ، قطب نماها ، یعنی وسایلی بر اساس استفاده از میدان مغناطیسی زمین برای سمت گیری نسبت به چهار جهت اصلی ، بکار گرفته می‌شدند. قطب نمای مرسوم شامل یک عقره مغناطیسی و یک صفحه مدرج است و در جهت یابیها کاربرد وسیعی دارد.
از میدان مغناطیسی زمین چه استفاده‌هایی می‌شود؟
در دریانوردی و هوانوردی جدید ، دیگر قطب نمای مغناطیسی تنها وسیله‌ای برای سمت گیری و تعیین مسیر کشتی یا هواپیما نیست. برای این منظور وسایل دیگری نیز وجود دارد. با وجود این ، از اهمیت قطب نمای مغناطیسی به هیچ وجه کاسته نشده است. تمام کشتیها و هواپیماهای امروزی به قطب نمای مغناطیسی مجهزند. زمین شناسان ، شکارچیان و مسافران نیز از قطب نما خیلی استفاده می‌کنند. وجود میدان مغناطیسی زمین انجام پاره‌ای از بررسیهای مهم دیگر را میسر ساخته است. از آن جمله می‌توان از روشهای اکتشاف و مطالعه ذخایر آهن نام برد.
قطبهای مغناطیسی زمین
مغناطیس زمین
پیرامون زمین را میدان مغناطیسی که ماینوتسفر یا مغناطو کره نامیده می‌شود احاطه نموده است. باید توجه داشت که نقاط به هم رسیدن خطوط میدان مغناطیسی روی سطح زمین قرار ندارد، بلکه قدری از آن پایینتر هستند. همچنین قطبهای مغناطیسی زمین با قطبهای جغرافیایی آن منطبق نیستند. محور میدان مغناطیسی زمین ، یعنی خط مستقیمی که از هر دو قطب مغناطیسی می‌گذرد، از مرکز زمین نمی‌گذرد و از اینرو قطر زمین نیست. مغناطو کره توسط دو عامل مشخص می‌شود: انحراف مغناطیسی و شیب مغناطیسی.
انحراف مغناطیسی عبارت است از زاویه انحراف عقربه مغناطیسی از نصف النهار جغرافیایی مورد نظر. خطوط واصل نقاط دارای انحراف مغناطیسی مساوی که خطوط هم گوشه نام دارند، در جنوب و شمال قطبین مغناطیسی که مخالف قطبین جغرافیایی است، همگرا می شود. برخی از محققان ، عدم تطابق قطبهای مغناطیسی و جغرافیایی را به توزیع نایکنواخت خشکی و آب در زمین توجیه می‌نمایند.
شیب مغناطیسی عبارت است از زاویه میان عقربه مغناطیسی نسبت به افق (در نیمکره شمالی سر شمالی عقربه و در نیمکره جنوبی عقربه به افق متمایل می شود). ضمن حرکت از استوا به سوی قطبین ، شیب مغناطیس افزایش می یابد. خط واصل نقاط دارای شیب صفر استوای مغناطیسی نام دارد . استوای مغناطیسی ، استوای جغرافیایی را در دو نقطه، یکی با 169˚ طول شرقی و دیگری با ˚23 طول غربی به جنوب و در نیمکره شرقی به شمال منحرف می گردد. در قطبین مغناطیسی شیب به ˚90 می رسد.
مغناطش خود بخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین
از مغناطش خودبخودی مواد در میدان مغناطیسی زمین استفاده‌های زیادی می‌شود. از جمله در ساخت مینهای مغناطیسی است که در عمق معینی زیر سطح آب قرار می‌دهند و با عبور کشتی از بالای آنها منفجر می‌شود. ساز و کاری که باعث صعود مین به سطح و انفجار آن می‌شود وقتی عمل می‌کند که عقربه مغناطیسی که میتواند حول میله‌ای افقی بچرخد، بر اثر میدان مغناطیسی کشتی که از بالای مین می گذرد، بتواند بگردد. معلوم شده است که کشتی همیشه خودبخود آهنربا می‌شود. برای محافظت در مقابل مینهای مغناطیسی دو روش بکار می‌برند:
مین روبی
این روش عبارت است از حمل مغناطیس نیرومندی که با طنابهای سیمی از هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع کم در منطقه مین گذاری شده آویزان می‌شود. گاهی کابل سیمی دایره شکلی را بطور شناور روی آب قرار می‌دهند و جریانی از آن می‌گذرانند. بر اثر میدان مغناطیسی یا جریان ، ساز و کار مینها عمل می‌کند و بدون هیچ خسارتی منفجر میشوند.
خنثی سازی میدان مغناطیسی کشتی
این روش به این ترتیب است که حلقه هایی از سیم عایق بندی شده را به کشتی وصل می‌کنند و جریانی را از آنها می‌گذرانند، بطوری که میدان مغناطیسی این جریان مساوی و در خلاف جهت میدان مغناطیسی کشتی (که یک مغناطیس دائمی است) باشد. وقتی که این میدانها باهم ترکیب شوند، همدیگر را خنثی می‌کند و کشتی بدون اینکه ساز و کار مین را به کار اندازد از روی آن می‌گذرد.
آنچه باید بدانیم
از مدتها پیش (قرن شانزدهم) معلوم شده است که شبکه پنجره قائم به مرور زمان آهنربا می‌شود.
یکی از اولین پژوهشگران میدان مغناطیسی زمین ، گیلبرت (Gilbert) آزمایش زیر را در کتاب خود شرح داده است. اگر شخصی به یک میله آهنی که از شمال به جنوب قرار گرفته است با چکش بکوبد، میله آهنربا می‌شود.
در تدارک پرواز به قطب شمال ، بیشترین توجه به سمت گیری هواپیما در نزدیکی قطب مبذول می‌شود، زیرا قطبهای مغناطیسی معمولی در این فاصله به کلی از کار کردن باز می‌ماند و عملا بدون استفاده هستند.