مغناطیس

مغناطیس واژه‌ای است که برای نشان دادن پاسخ میکروسکوپی ماده به میدان مغناطیسی بکار می‌رود؛ و فاز مغناطیسی ماده را نسبت به این پاسخ دسته‌بندی می‌نماید. برای نمونه شناخته‌شده‌ترین فاز مغناطیس فرومغناطیس است که در آن ماده میدان پایدار مغناطیسی را در خود ایجاد می‌کند. نیکل، کروم، آهن، گادولینیوم و آلیاژهایشان ازین دسته‌اند. البته همهٔ مواد پاسخی در برابر میدان مغناطیسی ار خود نشان می‌دهند. برخی مانند پارامغناطیس جذب میدان می‌شوند و برخی دیگر مانند دیامغناطیس از میدان رانده می‌شوند. برخی دیگر هم رفتارهای پیچیده‌تری دارند. اثر میدان بر برخی مواد قابل چشم‌پوشی است که آن‌ها را نامغناطیس می‌نامند. آلومینیوم، مس، آب و گاز‌ها ازین دسته‌اند.
یک ماده می‌تواند چندین فاز (حالت) مغناطیسی را دارا باشد زیرا دما، فشار و شدت میدان بر فاز (یا همان حالت) مغناطیسی تأثیرگذار خواهد بود.

پیشینه

ارسطو و طالس را می‌توان نخستین کسانی دانست که دربارهٔ مغناطیس گفتگو داشته‌اند. البته در همین زمان (۶۰۰ پیش از میلاد) پزشک بنام هندی سوشروتا، آهنربا را در جراحی بکار می‌برده‌است.
در نوشته‌ای در سده چهارم پیش از میلاد در چین از نوعی سنگ آهن‌ربا صحبت شده‌است. همچنین در نوشته‌های چینی بین سال‌های ۲۰ تا ۱۰۰ پس از میلاد نیز آمده که این‌گونه سنگ سوزن را می‌رباید. شن‌کوا دانشمند برجستهٔ چینی (۴۱۰ تا ۴۷۴ خورشیدی) نخستین کسی بود که به ویژگی جهت‌دار بودن میدان در سوی شمال حقیقی/موقت در ستاره‌شناسی پی برد و قطب‌نما را ساخت.
الکساندر نکام دانشمند انگلیسی نخستین اروپایی بود که در سال ۵۶۶ خورشیدی(۱۱۸۷ میلادی) به شرح مغناطیس پرداخت. در ۶۴۸ خ (۱۲۶۹ میلادی) پیر پلرین دمریکورت نخستین مقاله در شرح ویژگی‌های آهنربا را نوشت. اشرف دانشمند یمنی ۱۳ سال پس از آن به بررسی ویژگی‌های آهنربا و قطب‌نما پرداخت.
در ۹۷۹ خ (۱۶۰۰ م) ویلیام گیلبرت نمونه‌ای از کره زمین بنام ترلا ساخت و با آن اثبات کرد که زمین خود سرچشمه نیروی مغناطیس است (پیش ازین باور این بود که سرچشمه نیروی مغناطیسی ستاره قطبی است)
رابطهٔ الکتریسیته و مغناطیس بوسیلهٔ اورستد دانمارکی در سال ۱۱۹۸ خ با دیدن انحراف قطب‌نما در نزدیکی جریان به‌طور اتفاقی اثبات شد. آمپر، فارادی و گوس این موضوع را پیگیری کردند. ماکسول با معادلات خود رابطه بین مغناطیس الکتریسیته اپتیک را در قالب الکترومغناطیس ارائه داد. انیشتن قانون نسبیت ویژه را در دستگاه مرجع لخت پیشنهاد داد.
الکترومغناطیس همچنان در کنار نظریه‌هایی مانند نظریه گاج، الکترودینامیک کوانتومی، خط فاصله، مدل استاندارد (ذرات بنیادی) به پیشرفتش ادامه می‌دهد.

سرچشمه

در مقیاس کلان رابطه بین ممان زاویه‌ای و مغناطیس بوسیلهٔ اثر انیشتن-دهاس (چرخش با مغناطیسی کردن) و اثر بارنت (مغناطیسی شدن با چرخش) بیان می‌شود.
در مقیاس خرد این رابطه با نسبت ژیرومغناطیس (نسبت ممان مغناطیسی به ممان زاویه‌ای) بیان می‌شود.
مغناطیس دارای دو سرچشمه‌است:
× جریان الکتریکی (بطور کلی بار الکتریکی) که میدان پدیدمی‌آورد. (روابط ماکسول را ببینید)
× بسیاری از ذرات ممان‌های مغناطیسی ذاتی (اسپین) دارند (همان‌طور که هر ذره‌ای جرم و بار دارد، ممان مغناطیسی هم دارد که می‌تواند صفر باشد)
در مواد مغناطیسی سرچشمهٔ مغناطیس چرخش اربیتالی زاویه‌ای الکترون به دور هسته و همچنین ممان ذاتی خود الکترون است (ببینید: ممان دوقطبی مغناطیسی الکترون). سرچشمه‌های دیگری نیز وجود دارند که کم‌اهمیت‌ترند مانند ممان مغناطیسی هسته که هزار بار کم اثرتر از اثر الکترون است.
الکترون‌ها آرایشی دارند که ممان‌هایشان همدیگر را خنثی می‌کنند بدین گونه که ممان‌های با علامت مخالف باهم جفت می‌شوند (بر اساس اصل طرد پاولی. ببینید: پیکره‌بندی الکترون) یا زیرلایه‌های الکترونی پر می‌شوند. اگر پیکره‌بندی الکترون به گونه‌ای باشد که لایه‌های الکترونی پر نشوند یا الکترون جفت‌نشده وجود داشته باشد، جهت‌گیری اتفاقی الکترون باز هم اثر مغناطیسی را خنثی می‌کنند.
گرچه که گاهی (بطور ناگهانی یا با کاربرد میدان بیرونی) ممان‌ها همسو شده و میدان مغناطیسی پدیدار می‌گردد.
رفتار مغناطیسی ماده وابسته به ساختار ماده (بویژه پیکره‌بندی الکترون) و دما می‌باشد (در دمای بالاتر همسو شدن ممان‌ها سخت‌تر است).

دیامغناطیس

دیامغناطیس ویژگی است که در آن، ماده پذیرفتاری مغناطیسی منفی (اما کوچک) دارد. دیامغناطیس مخالفت ماده با میدان است و این رفتار در همه مواد هست اما تنها در دیامغناطیس‌های خالص دیده می‌شود زیرا در دیگر مواد ویژگی پارامغناطیس چیرگی دارد. چون در ماده دیامغناطیس الکترون جفت‌نشده نداریم، مغناطیس در اثر اوربیتالی پدیدار می‌گردد. بر پایه فیزیک کلاسیک:
هنگامی که ماده‌ای در میدان قرار می‌گیرد، نیروی لرنز بر رویشان اثر می‌گزارد (سوای نیروی جاذبه کولمب). بسته به سوی چرخش الکترون، نیروی لرنز می‌تواند با افزایش نیروی هسته گلبرگی (نیریی که الکترون را به دور هسته می‌چرخاند) الکترون را از هسته دور یا با کاهش این نیرو الکترون را به هسته نزدیک سازد. این اثر ممان‌های مغناطیسی اوربیتال را اگر موازی میدان باشند کاهش و اگر ناموازی میدان باشند افزایش می‌دهد (بر پایه قانون لنز). که این باعث ایجاد ممان‌های کوچک بر خلاف میدان می‌شود.

پارامغناطیس

پارامغناطیس ویژگی است که در آن، ماده پذیرفتاری مغناطیسی مثبت (اما کوچک) دارد. ماده پارامغناطیس دارای دقیقاً بک الکترون جفت‌نشده‌است و در نتیجه الکترون‌های جفت‌نشده (همانند کیلاتهای گادولینیوم) خود را با میدان همسو کرده و آن را تقویت می‌کند.

فرومغناطیس

ماده فرومغناطیس مانند پارامغناطیس دارای الکترون جفت‌نشده‌است. ممان‌های مغناطیسی این مواد تمایل به موازی شدن با همدیگر و با میدان دارند. از اینرو هنگامی که میدان بیرونی برچیده شود ماده همچنان مغناطیسی می‌ماند.
هر ماده فرومغناطیسی دمای کوری Tc خود را دارد که در بالاتر از آن ویژگی فرومغناطیسی‌اش را به دلیل افزایش انرژی گرمایی و بی‌نظمی از دست می‌دهد.

پادفرومغناطیس

در ماده پادفرومغناطیس بر خلاف فرومغناطیس، تمایل ممان‌های الکترون‌های ظرفیت بر این است که در خلاف جهت همدیگر باشند. ممان مغناطیسی خالص درین مواد صفر است (زیرا ممان‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند). این مواد در دماهای کم وجود دارند و با افزایش دما می‌توانند رفتار فرومغناطیسی یا دیامغناطیسی از خود نشان دهند.

فری‌مغناطیس

همانند فرومغناطیس، ماده فری‌مغناطیس هم پس از مغناطیس شدن توانایی نگهداری آن را در نبود میدان دارد؛ و از سویی دیگر همانند پادفرومغناطیس اسپین جفت‌الکترن‌ها تمایل به جهت‌دار بودن برخلاف سوی همدیگر را دارند.
لویس نیل این باور را که مگنتایت (که نخستین ماده مغناطیسی کشف شده بود) یک فرومغناطیس است را رد و آن را فری‌مغناطیس دانست.

دوقطبی‌های مغناطیسی

یکی از سرچشمه‌های طبیعی مغناطیس دوقطبی است که دو قطب شمال و جنوب دارد. پیشینه دوقطبی قطب‌نما است که با استفاده از میدان مغناطیسی زمین موقعیت شمال را در روی کره زمین می‌نمایاند. شمال و جنوب یک دوقطبی همدیگر را می‌ربایند و از اینرو قطب مغناطیسی شمالگان (که در کانادا است) در اصل یک قطب جنوب از یک دوقطبی (زمین) است که قطب شمال آهنربا را می‌رباید.
هر میدانی انرژی دارد و سیستم‌ها به سویی می‌روند که انرژیشان را بکاهد. هنگامی که به یک دیامغناطیس میدان اعمال می‌کنیم، دوقطبی خود را با میدان ناهمسو می‌کند تا استحکام میدان را بکاهد و هنگامی که به یک فرومغناطیس میدان اعمال می‌کنیم خود را همسو با میدان کرده تا حوزه‌هایش را گسترش دهد.

تک‌قطبی

در واقعیت چیزی بنام تک‌قطبی مغناطیسی وجود ندارد. هرگاه یک دوقطبی را (همیشه یک سر دو قطبی شمال و سر دیگر جنوب است) به دونیم کنیم باز هم هر تکه یک دوقطبی خواهد بود و شمال و جنوب در آن به وجود می‌آید. از اینرو تک‌قطبی تنها در فیزیک تئوری وجود دارد. پاول دیراک نخستین کسی بود که تئوری وجود تک‌قطبی را با استفاده از تئوری کوانتم بیان داشت.

مغناطیس و جانداران

برخی اندامگان می‌توانند میدان مغناطیسی را شناسایی کنند که به این پدیده مغناطیس‌گیرایی گفته می‌شود. زیستمغناطیسی به شاخه‌ای از پزشکی گفته می‌شود که به پژوهش درین زمینه می‌پردازد. به میدان تولیدی به وسیلهٔ اندامگان بیومغناطیس می‌گویند.