المغناطيسية الحديدية: الأسباب والأمثلة

ما هي المغناطيسية الحديدية

المغناطيسية الحديدية هي نوع من المغناطيسية حيث يمكن أن تصبح بعض المواد ممغنطة وتحتفظ بمغنطتها حتى بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي. هذا هو أحد أكثر أشكال المغناطيسية شيوعًا وشهرةً، ويُشاهد في مواد مثل الحديد والكوبالت والنيكل. تتمتع المواد المغناطيسية الحديدية بتفاعل قوي مع المجالات المغناطيسية، مما يسمح لها بالتصرف كمغناطيس دائم.

أسباب المغناطيسية الحديدية

يكمن السبب الرئيسي للمغناطيسية الحديدية في الدوران والعزوم المغناطيسية للإ لكترونات. يولِّد كل إلكترون مجالًا مغناطيسيًّا صغيرًا بسبب دورانه. في معظم المواد، تُلغى هذه العزوم المغناطيسية لأن هذه العزوم المغناطيسية تشير في اتجاهات عشوائية. ومع ذلك، في المواد المغناطيسية الحديدية، تميل الإلكترونات في مناطق معينة (المجالات) إلى الاصطفاف في نفس الاتجاه، مما ينتج عنه عزم مغناطيسي صافٍ للمادة.

وتشمل العوامل الرئيسية التي تساهم في المغناطيسية الحديدية ما يلي:

1 -محاذاة الإلكترون سبين: إن العامل الأكثر أهمية في المغناطيسية الحديدية هو محاذاة مغازل الإلكترونات داخل المادة. عندما تتحاذى هذه المغازل تتحد مجالاتها المغناطيسية لتكوين مجال مغناطيسي كلي قوي.

2-التفاعل التبادلي: التفاعل التبادلي هو تأثير ميكانيكي كمي يجعل الإلكترونات المتجاورة تحاذي إلكتروناتها في نفس الاتجاه. ويحدث هذا التفاعل بسبب مبدأ باولي للاستبعاد وقوة كولوم بين الإلكترونات.

3-المجالات المغناطيسية: في المواد المغناطيسية الحديدية، تنقسم المادة إلى مناطق صغيرة تسمى المجالات المغناطيسية. وداخل كل مجال، تكون العزوم المغناطيسية للذرات متحاذية، ولكن قد يختلف اتجاه المجالات ككل. عندما تُمغنط المادة المغناطيسية الحديدية، تصطف النطاقات مما يسبب مغنطة صافية.

4-درجة حرارة كوري: كل مادة مغناطيسية حديدية لها درجة حرارة محددة تُعرف ب درجة حرارة كوري التي تفقد المادة فوقها خواصها المغناطيسية الحديدية. وفوق درجة الحرارة هذه، تؤدي الطاقة الحرارية إلى تعطيل محاذاة الإلكترونات المغناطيسية مما يؤدي إلى تحول المادة إلى مادة شبه مغناطيسية.

أمثلة على المواد المغناطيسية الحديدية

توجد المواد المغناطيسية الحديدية بشكل شائع في الحياة اليومية والتطبيقات الصناعية. ومن أشهر المواد المغناطيسية الحديدية ما يلي:

1-الحديد (Fe): أكثر المواد المغناطيسية الحديدية شيوعًا واستخدامًا على نطاق واسع. تُستخدم في صناعة المغناطيس الدائم والمحولات الكهربائية وأجهزة التخزين المغناطيسية.

2-الكوبالت (Co): يشتهر الكوبالت بنفاذيته المغناطيسية العالية، وغالبًا ما يستخدم في المغناطيس الدائم عالي الأداء وفي إنتاج بعض السبائك.

3-النيكل (Ni): معدن مغناطيسي حديدي آخر يستخدم على نطاق واسع، وغالبًا ما يستخدم في السبائك والأجهزة المغناطيسية.

4-السبائك (مثل النيكو): تُستخدم سبائك مثل النيكو ( مزيج من الألومنيوم والنيكل والكوبالت) على نطاق واسع في المغناطيس الدائم، خاصة في التطبيقات التي تتطلب مجالات مغناطيسية قوية.

5-المعادن الأرضية النادرة:تُستخدم بعض العناصر الأرضية النادرة، مثلالنيوديميوم (Nd)، في مغناطيسات عالية القوة (مغناطيس النيوديميوم)، التي توجد عادة في المحركات ومكبرات الصوت والأجهزة الطبية.

6-أكاسيد الحديد: أكسيد الحديد (Fe₃O₄)، المعروف أيضًا باسم المغنتيت، هو مادة مغناطيسية حديدية تحدث بشكل طبيعي وغالبًا ما تستخدم في التطبيقات المغناطيسية مثل تخزين البيانات.

تطبيقات المواد المغناطيسية الحديدية

تؤدي المواد المغناطيسية الحديدية دورًا أساسيًا في التكنولوجيا الحديثة والتطبيقات الصناعية المختلفة. وتشمل بعض التطبيقات الرئيسية ما يلي:

1-المغناطيس الدائم: تُستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في صناعة المغناطيس الدائم، وهي مكونات أساسية في أجهزة مثل المحركات ومكبرات الصوت والمولدات الكهربائية.

2-المحركات والمحولات الكهربائية: تُستخدم النوى المغناطيسية الحديدية في المحركات والمحولات الكهربائية لتركيز المجالات المغناطيسية وتعزيزها، مما يحسن الكفاءة والطاقة.

3-تخزين البيانات: تعتمد محركات الأقراص الصلبة والأشرطة المغناطيسية على الخصائص المغناطيسية للمواد المغناطيسية الحديدية لتخزين البيانات.

4-التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): تُستخدم الموادالمغناطيسية المغناطيسية في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي لتوليد مجالات مغناطيسية قوية للتصوير الطبي.

5-المستشعرات المغناطيسية: تُستخدم المواد المغناطيسية المغناطيسية في أجهزة الاستشعار التي تكتشف المجالات المغناطيسية، كما هو الحال في البوصلات وتطبيقات السيارات.

6-الرفع المغناطيسي: تُستخدَم المواد المغناطيسية الحديدية في الأنظمة التي تعتمد على الرفع المغناطيسي، مثل القطارات فائقة السرعة (ماجليف) التي تطفو فوق المسارات باستخدام مجالات مغناطيسية قوية.

أنواع المغناطيسية

يمكن تصنيف المغناطيسية إلى عدة أنواع، لكل منها خصائص مميزة:

1-المغناطيسية الحديدية: كما نوقش، يحدث هذا النوع من المغناطيسية عندما تُظهر مواد مثل الحديد والكوبالت والنيكل خصائص مغناطيسية قوية وتحتفظ بالمغنطة بعد إزالة المجال الخارجي.

2-المغناطيسية البارامغناطيسية: المواد التي لها حساسية مغناطيسية ضعيفة وإيجابية ولا تكون ممغنطة إلا في وجود مجال مغناطيسي خارجي. ومن أمثلة ذلك الألومنيوم والبلاتين.

3-المغناطيسية القطعية: مواد ذات استجابة مغناطيسية ضعيفة وسالبة للمجال المغناطيسي الخارجي. ومن أمثلتها النحاس والجرافيت.

4-المغناطيسية المضادة: المواد التي يكون فيها للذرات أو الأيونات المتجاورة ذرات أو أيونات متعاكسة في المجال المغناطيسي، مما يؤدي إلى عدم وجود عزم مغناطيسي صافٍ. مثال على ذلك أكسيد المنجنيز (MnO).

5-المغناطيسية الحديدية: مشابه للمغناطيسية المضادة ولكن مع وجود مغازل متعاكسة غير متساوية، مما ينتج عنه عزم مغناطيسي صافٍ. ويُعدّ المغنتيت (Fe₃O₄O₄) مثالاً على مادة مغناطيسية حديدية.

6 -للمزيد من الأساسيات المغناطيسية، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الأسئلة الشائعة (FAQs)

ما هي المغناطيسية الحديدية؟

المغناطيسية الحديدية هي نوع من المغناطيسية حيث يمكن أن تصبح بعض المواد ممغنطة وتحتفظ بمغنطتها حتى بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي. ويحدث ذلك بسبب محاذاة الإلكترونات المغناطيسية في المادة.

لماذا تحتفظ المواد المغناطيسية الحديدية بالمغنطة؟

تحتفظ المواد المغناطيسية الحديدية بالمغنطة لأن العزوم المغناطيسية للإلكترونات داخل المادة تصطف في نفس الاتجاه، مكوِّنةً نطاقات مغناطيسية. وعندما تصطف هذه المجالات تصبح المادة مغناطيسية دائمة.

ما درجة حرارة كوري؟

درجة حرارة كوري هي درجة الحرارة التي تفقد المادة المغناطيسية المغناطيسية فوقها خواصها المغناطيسية الحديدية وتصبح شبه مغناطيسية بسبب اختلال محاذاة الإلكترونات المغناطيسية بواسطة الطاقة الحرارية.

هل يمكن للمواد المغناطيسية الحديدية أن تفقد مغنطستها؟

نعم، يمكن للمواد المغناطيسية الحديدية أن تفقد مغنطتها إذا تعرضت لدرجات حرارة عالية أو مجالات مغناطيسية خارجية أو صدمة فيزيائية تعطل محاذاة المجالات المغناطيسية.

ما بعض التطبيقات الشائعة للمواد المغناطيسية الحديدية؟

تُستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في تطبيقات مثل المغناطيس الدائم، والمحركات الكهربائية، والمحولات، وأجهزة تخزين البيانات (مثل محركات الأقراص الصلبة)، والمعدات الطبية مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.