ميدان مغناطيسي :ميدان مغناطيسي يك ميدان نيروست، مثل ميدان جاذبة زمين. درست همان طور كه يك جسم در محدودة ميدان جاذبة زمين، جذب زمين مي شود، يك قطعة مغناطيسي نيز در ميدان مغناطيسيِ يك آهن ربا، جذب آهن ربا مي شود.
اين خاصيت مغناطيسي در آهن ربا به علت وجود دوقطبي هاي مغناطيسي است (يعني يك آهن ربا متشكل از آهن رباهاي ريز است). علت به وجود آمدن دوقطبي هاي مغناطيسي، حركت الكترون هاست. براي درك بهتر انواع حركت هاي الكترون، بهتر است قدري راجع به ساختمان اتم صحبت كنيم.
همان طور كه مي دانيم، اتم شامل مجموعه اي از ذرات باردار مثبت (پروتون ها) در هسته و مجموعه اي از ذرات باردار منفي (الكترون ها) در پوسته است. (نوترون در ايجاد خاصيت مغناطيسي تأثيري ندارد). الكترون ها در مدارهايي حلقوي به نام اُربيتال دور هسته مي چرخند. با نگاه به نمودار زير (كه براي Fe26 رسم شده است) قطعاً اين مجموعه را به خاطر خواهيد آورد:
fe26:1s2,2s2,2P6,3s3,3P6,3d4,4s2
اُربيتال ها به ترتيب با نام هاي K و L وM وN و... شناخته مي شوند و در هر اُربيتال اتم ها در لايه هاي s و p و d و f به دور هسته مي چرخند. جهت چرخش الكترون به دور هسته را «اسپين» مي گوييم. در تمام اين مقاله، مي خواهيم اين موضوع را تفهيم کنيم كه چرخش الكترون به دور هسته بُرداري به نام «گشتاور» ايجاد مي كند. حتماً قانون دست راست را به خاطر مي آوريد: اگر چهار انگشت در جهت چرخش الكترون ها خم بشوند، انگشت شصت دست راست، جهت نيرويي را نشان مي دهد که در اثر تغيير بردار حرکت الکترون توليد مي شود. مجموعة خطوط اين بردارهاي گشتاور، يك ميدان مغناطيسي را به وجود مي آورد. يعني وقتي يك جسم در فاصله اي نزديك چنين قطعه اي قرار بگيرد، اين مجموعه از نيروها بر آن وارد مي شوند و به اصطلاح آن را يا به طرف خود جسم مي كشند (جاذبه) و يا هُل مي دهند (دافعه).
دست راست امّا حتماً توجه داريد که دو نيرو در يك راستا، ولي در خلاف جهت هم، همديگر را خنثي مي كنند. بنابراين، اگر در يك لايه مانند s ــ كه در آن دو الكترون در خلاف جهت هم دور هسته مي چرخند ــ هر دو الكترون وجود داشته باشند، دوبردار نيرو در خلاف جهت توليد مي شوند كه همديگر را خنثي مي كنند. از اين رو، اگر جسمي در نزديكي آنها قرار بگيرد، يك نيرو آن را مي كشد و يك نيرو آن را هُل مي دهد و در کل هيچ نيرويي بر آن وارد نمي شود. پس مادة مورد نظر ما، با يك اربيتال پُر (داراي تعداد الكترون هاي زوج در لاية آخر كه براي Fe26، اربيتال d لاية آخر است) داراي خاصيت مغناطيسي نخواهد بود.
اما يك راه ديگر هم براي ايجاد خاصيت مغناطيسي در ماده وجود دارد. در اين روش، خاصيت مغناطيسي ناشي از نوع ديگري از حركت الكترون در اتم است. چون الكترون ها به جز حركت اُربيتالي (چرخش به دور هسته كه در بالا توضيح داده شد) مي توانند مثل كرة زمين به دور خود نيز بچرخند. در اين حالت نيز همان بردار گشتاور ايجاد مي شود و اگر تعداد الكترون ها در لاية آخر زوج باشد دوباره نيروهاي به وجودآمده همديگر را خنثي مي كنند.
جامداتي كه در آنها لاية d در حال پر شدن است، داراي خاصيت مغناطيسي خواهند بود، اما اين خاصيت مغناطيسي فقط ناشي از چرخش الكترون هاي لاية آخر ( : Fe26) است. زيرا لاية d به هسته نزديك است و جاذبة هسته به الكترون هاي اين لايه اجازه نمي دهد که به دور خود بچرخند. اما در جامداتي كه لاية f در حال پُر شدن است، چون فاصلة لايه از هسته زياد است، الكترون ها هم مي توانند به دور خودشان و هم به دور هسته بچرخند. پس دو بردار نيرو ناشي از دو نوع حركت به وجود مي آيد و واضح است كه خاصيت مغناطيسي بسيار بيشتر از حالت قبل خواهد شد. البته به اين موضوع هم بايد توجه كرد كه جهت چرخش به دور هسته (حركت اُربيتالي) و چرخش به دور خود (حركت وضعي) براي يك الكترون در خلاف هم هستند.
يك مادة مغناطيسي مجموعه اي از حوزه هاي مغناطيسي است. حوزة مغناطيسي، ناحيه اي است كه درون آن همة الكترون هاي لايه هاي منفرد در يك جهت به دور هسته و به دور خود مي چرخند. يعني يك مادة چندحوزه اي مجموعه اي از حوزه هاست كه در هر حوزه الكترون ها در جهتي خاص به دور هسته مي چرخند و مشخص است كه هر چرخش الكترون، بردار نيرو در راستاي خاص خود را به وجود مي آورد و مجموعة بردارهاي نيروي توليدشده، در جهات مختلف، به نوعي همديگر را خنثي مي كنند. يعني ميدان نيروي ما، مجموعه اي از نيروهاي پراكنده است. پس قدرت آن ضعيف تر خواهد شد.
براي درك اين موضوع به مثال زير توجه كنيد.
دو اتاق كنار هم را در نظر بگيريد. در اتاق اول 10 نفر وجود دارند. از اين 10 نفر، 1 نفر از جنوب به شمال، 2 نفر از غرب به شرق، 1 نفر از شرق به غرب و 4 نفر از شمال به جنوب در حركت اند. (اين اتاق دقيقاً همان مادة چندحوزه اي است كه در بالا به آنها اشاره شد و فلش ها جهت حركت آدم ها هستند.)
در اتاق دوم 4 نفر وجود دارند كه همگي از شمال اتاق به سمت جنوب اتاق در حركت اند. مشخص است كه در اتاق اول آدم ها با هم برخورد مي كنند. بنابراين، برآيند حركت آنها از شمال اتاق به جنوب اتاق خيلي كم تر از حركت دو نفر از شمال اتاق به جنوب آن است. اما در اتاق دوم، چهار نفر به راحتي حركت مي كنند و هيچ برخوردي بين آنها وجود ندارد. بنابراين، برآيند حركتيِ آنها معادل حركت 4 نفر است.
القاي مغناطيسي يعني اينكه بخواهيم ماده اي را كه براي مغناطيسي شدن مناسب است، مغناطيس كنيم. واضح است كه براي اين كار بايد حوزه هاي مغناطيسي غير هم جهت را هم جهت كنيم تا نيروهاي حاصل همديگر را خنثي نكنند. براي اين كار بايد قطعه را با يك آهن ربا مالش دهيم، يا آن را در جهت ميدان مغناطيسيِ زمين گداخته كنيم يا در اين جهت چكش كاري كنيم. اين كارها باعث چرخيدن فلش ها در هر حوزه مي شوند تا در نهايت تمام فلش ها هم جهت شوند، يعني جهت چرخش الكترون ها در هر حوزه عوض شود. با اين كار مرز بين حوزه ها حركت مي كند و حوزه هاي كوچك تر در حوزه هاي بزرگ ادغام (هضم) مي شوند.