المغناطيس عبارة عن أشياء رائعة استحوذت على خيال الإنسان لعدة قرون.من الإغريق القدماء إلى العلماء المعاصرين، كان الناس مفتونين بالطريقة التي يعمل بها المغناطيس وتطبيقاته العديدة.المغناطيس الدائم هو نوع من المغناطيس يحتفظ بخصائصه المغناطيسية حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي. وسوف نستكشف العلم وراء المغناطيس الدائم والمجالات المغناطيسية، بما في ذلك تركيبها وخصائصها وتطبيقاتها.
القسم 1: ما هي المغناطيسية؟
تشير المغناطيسية إلى الخاصية الفيزيائية لبعض المواد التي تسمح لها بجذب أو صد مواد أخرى بمجال مغناطيسي.يقال أن هذه المواد مغناطيسية أو لها خصائص مغناطيسية.
تتميز المواد المغناطيسية بوجود المجالات المغناطيسية، وهي مناطق مجهرية تصطف فيها المجالات المغناطيسية للذرات الفردية.عندما تتم محاذاة هذه المجالات بشكل صحيح، فإنها تخلق مجالًا مغناطيسيًا عيانيًا يمكن اكتشافه خارج المادة.
يمكن تصنيف المواد المغناطيسية إلى فئتين: مغناطيسية حديدية ومغناطيسية مسايرة.المواد المغناطيسية الحديدية مغناطيسية بقوة، وتشمل الحديد والنيكل والكوبالت.إنهم قادرون على الاحتفاظ بخصائصهم المغناطيسية حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي.من ناحية أخرى، المواد البارامغناطيسية ضعيفة المغناطيسية وتشمل مواد مثل الألومنيوم والبلاتين.إنها تظهر خصائص مغناطيسية فقط عندما تتعرض لمجال مغناطيسي خارجي.
للمغناطيسية العديد من التطبيقات العملية في حياتنا اليومية، بما في ذلك المحركات الكهربائية والمولدات والمحولات.تُستخدم المواد المغناطيسية أيضًا في أجهزة تخزين البيانات مثل محركات الأقراص الثابتة، وفي تقنيات التصوير الطبي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
القسم 2: المجالات المغناطيسية
تعد المجالات المغناطيسية جانبًا أساسيًا من المغناطيسية وتصف المنطقة المحيطة بالمغناطيس أو السلك الحامل للتيار حيث يمكن اكتشاف القوة المغناطيسية.وهذه المجالات غير مرئية، ولكن يمكن ملاحظة آثارها من خلال حركة المواد المغناطيسية أو التفاعل بين المجالات المغناطيسية والكهربائية.
تنشأ المجالات المغناطيسية نتيجة لحركة الشحنات الكهربائية، مثل تدفق الإلكترونات في سلك أو دوران الإلكترونات في الذرة.يتم تحديد اتجاه وقوة المجال المغناطيسي من خلال اتجاه وحركة هذه الشحنات.على سبيل المثال، في القضيب المغناطيسي، يكون المجال المغناطيسي أقوى عند القطبين وأضعف عند المركز، ويكون اتجاه المجال من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي.
تقاس قوة المجال المغناطيسي عادة بوحدات تسلا (T) أو غاوس (G)، ويمكن وصف اتجاه المجال باستخدام قاعدة اليد اليمنى، والتي تنص على أنه إذا كان إبهام اليد اليمنى يشير إلى في اتجاه التيار، فإن الأصابع سوف تتجعد في اتجاه المجال المغناطيسي.
للمجالات المغناطيسية العديد من التطبيقات العملية، بما في ذلك في المحركات والمولدات، وأجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وفي أجهزة تخزين البيانات مثل محركات الأقراص الثابتة.كما أنها تستخدم في مجموعة متنوعة من التطبيقات العلمية والهندسية، مثل مسرعات الجسيمات وقطارات الرفع المغناطيسي.
يعد فهم سلوك وخصائص المجالات المغناطيسية أمرًا ضروريًا للعديد من مجالات الدراسة، بما في ذلك الكهرومغناطيسية وميكانيكا الكم وعلوم المواد.
القسم 3: تكوين المغناطيس الدائم
المغناطيس الدائم، المعروف أيضًا باسم "المادة المغناطيسية الدائمة" أو "المادة المغناطيسية الدائمة"، يتكون عادةً من مزيج من المواد المغناطيسية أو الحديدية.يتم اختيار هذه المواد لقدرتها على الاحتفاظ بالمجال المغناطيسي، مما يسمح لها بإنتاج تأثير مغناطيسي ثابت مع مرور الوقت.
المواد المغناطيسية الأكثر شيوعًا المستخدمة في المغناطيس الدائم هي الحديد والنيكل والكوبالت، والتي يمكن خلطها مع عناصر أخرى لتحسين خصائصها المغناطيسية.على سبيل المثال، مغناطيس النيوديميوم هو نوع من المغناطيس الأرضي النادر الذي يتكون من النيوديميوم والحديد والبورون، بينما يتكون مغناطيس كوبالت السماريوم من السماريوم والكوبالت والحديد والنحاس.
يمكن أيضًا أن يتأثر تكوين المغناطيس الدائم بعوامل مثل درجة الحرارة التي سيتم استخدامها فيها، والقوة المطلوبة واتجاه المجال المغناطيسي، والتطبيق المقصود.على سبيل المثال، قد يتم تصميم بعض المغناطيسات لتحمل درجات الحرارة العالية، بينما قد يتم تصميم البعض الآخر لإنتاج مجال مغناطيسي قوي في اتجاه معين.
بالإضافة إلى المواد المغناطيسية الأولية، قد يشتمل المغناطيس الدائم أيضًا على طبقات طلاء أو طبقات واقية لمنع التآكل أو التلف، بالإضافة إلى التشكيل والتصنيع لإنشاء أشكال وأحجام محددة للاستخدام في تطبيقات مختلفة.
القسم 4: أنواع المغناطيس الدائم
يمكن تصنيف المغناطيس الدائم إلى عدة أنواع بناءً على تركيبه وخصائصه المغناطيسية وعملية التصنيع.فيما يلي بعض الأنواع الشائعة من المغناطيس الدائم:
1. مغناطيس النيوديميوم: تتكون هذه المغناطيسات الأرضية النادرة من النيوديميوم والحديد والبورون، وهي أقوى أنواع المغناطيس الدائم المتاحة.لديهم طاقة مغناطيسية عالية ويمكن استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك المحركات والمولدات والمعدات الطبية.
2. مغناطيس كوبالت السماريوم: تتكون هذه المغناطيسات الأرضية النادرة من السماريوم والكوبالت والحديد والنحاس، وهي معروفة بثباتها في درجات الحرارة العالية ومقاومتها للتآكل.يتم استخدامها في تطبيقات مثل الطيران والدفاع وفي المحركات والمولدات عالية الأداء.
3. مغناطيس الفريت: المعروف أيضًا باسم مغناطيس السيراميك، يتكون مغناطيس الفريت من مادة خزفية ممزوجة بأكسيد الحديد.تحتوي على طاقة مغناطيسية أقل من المغناطيسات الأرضية النادرة، ولكنها أقل تكلفة وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات مثل مكبرات الصوت والمحركات ومغناطيس الثلاجة.
4. مغناطيس النيكو: يتكون هذا المغناطيس من الألومنيوم والنيكل والكوبالت، ويتميز بقوته المغناطيسية العالية وثباته في درجات الحرارة.غالبًا ما يتم استخدامها في التطبيقات الصناعية مثل أجهزة الاستشعار والعدادات والمحركات الكهربائية.
5. المغناطيس المستعبد: يتم تصنيع هذه المغناطيسات عن طريق خلط مسحوق مغناطيسي مع مادة رابطة، ويمكن تصنيعها في أشكال وأحجام معقدة.غالبًا ما يتم استخدامها في تطبيقات مثل أجهزة الاستشعار ومكونات السيارات والمعدات الطبية.
يعتمد اختيار نوع المغناطيس الدائم على متطلبات التطبيق المحددة، بما في ذلك القوة المغناطيسية المطلوبة، واستقرار درجة الحرارة، والتكلفة، وقيود التصنيع.
القسم 5: كيف يعمل المغناطيس؟
يعمل المغناطيس عن طريق إنشاء مجال مغناطيسي يتفاعل مع المواد المغناطيسية الأخرى أو مع التيارات الكهربائية.يتم إنشاء المجال المغناطيسي عن طريق محاذاة العزوم المغناطيسية في المادة، وهي عبارة عن قطبين شمالي وجنوبي مجهري يولدان قوة مغناطيسية.
في المغناطيس الدائم، مثل القضيب المغناطيسي، تتم محاذاة العزوم المغناطيسية في اتجاه محدد، وبالتالي يكون المجال المغناطيسي أقوى عند القطبين وأضعف عند المركز.عند وضعه بالقرب من مادة مغناطيسية، فإن المجال المغناطيسي يبذل قوة على المادة، إما بجذبها أو صدها اعتمادًا على اتجاه العزوم المغناطيسية.
في المغناطيس الكهربائي، يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة تيار كهربائي يتدفق عبر ملف من الأسلاك.يقوم التيار الكهربائي بإنشاء مجال مغناطيسي متعامد مع اتجاه تدفق التيار، ويمكن التحكم في قوة المجال المغناطيسي عن طريق ضبط كمية التيار المتدفق عبر الملف.تستخدم المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع في تطبيقات مثل المحركات ومكبرات الصوت والمولدات.
التفاعل بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية هو أيضًا الأساس للعديد من التطبيقات التكنولوجية، بما في ذلك المولدات والمحولات والمحركات الكهربائية.في المولد، على سبيل المثال، يؤدي دوران المغناطيس بالقرب من ملف من الأسلاك إلى توليد تيار كهربائي في السلك، والذي يمكن استخدامه لتوليد الطاقة الكهربائية.في المحرك الكهربائي، يؤدي التفاعل بين المجال المغناطيسي للمحرك والتيار المتدفق عبر ملف السلك إلى إنشاء عزم دوران يدفع دوران المحرك.
ووفقا لهذه الخاصية يمكننا تصميم ترتيب خاص للأقطاب المغناطيسية للربط لتعزيز قوة المجال المغناطيسي في منطقة خاصة أثناء العمل مثل هالبيك
وقت النشر: 24 مارس 2023