مفهوم المغناطيسية
حركة دوران الإلكترونات وتفاعلها المتبادل هما المسؤولان عن نشأة الخواص المغناطيسية، وأفضل طريقة لوصف أنواع مختلفة من المواد المغناطيسية هي وصف استجابة المواد للمغناطيسية. قد يكون من المفاجئ بالنسبة لك أن جميع المواد هي مغناطيسية، والاختلاف الوحيد هو أن بعض المواد أكثر مغناطيسية من غيرها، ويتميز ذلك بمستوى التفاعلات بين اللحظات المغناطيسية. في عدد قليل من المواد، لا يوجد تفاعل جماعي للعزم المغناطيسي الذري، بينما تظهر المواد الأخرى تفاعلا قويا للعزم المغناطيسي الذري.
تصنيف المواد المغناطيسية
تستجيب خصائص المادة المغناطيسية للقوة المغناطيسية الخارجية، وبناءً على هذه الخصائص، يمكن تصنيف المواد الصلبة إلى ثلاثة أنواع
- بارامغناطيسي
- ديامغناطيسي “نامي مغناطيسيا”
- المغناطيسية الحديدية
خصائص البارا مغناطيسية
تطلق على الإلكترونات الموجودة بمفردها في المدار الإلكترونات البارامغناطيسية. يجب أن تتذكر أن المدار الذي يحتوي على إلكترون واحد لا يمكن أن يكون غير دوراني، وبالتالي، عندما يكون للذرة مدار واحد على الأقل يحتوي على دوران، فإن الذرة بأكملها تكون لها دوران. لذلك، تعتبر الذرة مغناطيسية عندما تحتوي على إلكترون واحد على الأقل. بمعنى آخر، يمكن أن تحتوي الذرة على عشرة إلكترونات مغناطيسية، ولكن طالما أنها تحتوي أيضا على إلكترون واحد (مغناطيسي شبها)، فإنها لا تزال تعتبر ذرة مغناطيسية.
تماما كما يتم توجيه الذرات المغناطيسية قليلا بعيدا عن المجال المغناطيسي، تتجذب الذرات البارامغناطيسية قليلا نحوه. تعود الخواص البارامغناطيسية إلى إعادة توجيه مسارات الإلكترونات بفعل المجال المغناطيسي الخارجي. لا تحتفظ البارامغناطيسات بأي قوة مغناطيسية في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي خارجي يؤثر عليها، حيث تعمل الحركة الحرارية على توجيه اتجاهات الدوران بشكل عشوائي. عادة، نلاحظ الأثر المغناطيسي الأقوى عند وجود إلكترونات d أو f، ويمكن أن يكون للعزم المغناطيسي على ذرة اللانثانيد حجما كبيرا للغاية، حيث يمكن أن تحمل ما يصل إلى سبعة إلكترونات غير مقترنة. يمكن استخدام هذا في حالة الجادولينيوم (III) وبالتالي في تصوير الرنين المغناطيسي.
خصائص الدايا مغناطيسية
المواد ذات النفاذية المغناطيسية تتنافر عادة من المغناطيس ، من الناحية الفنية ، تخلق هذه المواد الصلبة مجالًا مغناطيسيًا مستحثًا في اتجاه معاكس للقوة المغناطيسية المطبقة خارجيًا ويتم صدها بواسطة المجال المغناطيسي المطبق ، هذه الظاهرة هي فقط السلوك المعاكس الذي تظهره المواد المغناطيسية.
تنتج الحركة المدارية للإلكترونات المتواجدة على ذرات المواد الصلبة مجالات مغناطيسية، لأنها تخلق حلقات تيار صغيرة داخل الذرات. وعند تطبيق قوة مغناطيسية خارجية على المادة، تميل حلقات التيار هذه إلى الترتيب بطريقة تتعارض مع المجال المغناطيسي الخارجي المطبق.
في المواد المغناطيسية ، لا توجد لحظة مغناطيسية صافية دائمة لكل ذرة حيث يتم إقران جميع الإلكترونات ، بسبب تأثير قوة مغناطيسية خارجية ، تنشأ الخواص المغناطيسية من إعادة محاذاة مسارات الإلكترون ، معظم العناصر في الجدول الدوري مثل النحاس والفضة والذهب ، ذات طبيعة مغناطيسية ، أظهر مايكل فاراداي كذلك أن النفاذية المغناطيسية أو المغناطيسية هي خاصية للمادة وكل مادة أو مادة صلبة تتفاعل وفقًا لذلك.
البارا مغناطيسي والنامي مغناطيسي
يمكن تصنيف المواد إما كمواد مغناطيسية حديدية أو كمواد مغناطيسية شبه حديدية استنادا إلى استجابتها للمجال المغناطيسي الخارجي. المواد المغناطيسية الحديدية لها تأثير كبير غالبا، وغالبا ما يكون أكبر من تأثير المجال المغناطيسي الذي يتم تطبيقه. وهذا التأثير يستمر حتى في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي تطبيقي. نفاذية المغناطيسية هي خاصية تعكس قوة مقاومة المواد للمجال المغناطيسي المطبق، ولكنها ضعيفة جدا.
- تكون البارامغناطيسية أقوى من المغناطيسية العادية، ولكنها أضعف من المغناطيسية الحديدية. وعلى العكس من المغناطيسية الحديدية، فإن المغناطيسية البارامغناطيسية لا تستمر فقط بمجرد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي، حيث تتأثر الحركة الحرارية العشوائية على اتجاهات دوران الإلكترون.
- تتناسب قوة البارامغناطيسية مع قوة المجال المغناطيسي المطبق عليها، وتحدث البارامغناطيسية نتيجة لتشكيل مدارات الإلكترون حلقات تيار، والتي تنتج مجالا مغناطيسيا وتساهم في لحظة مغناطيسية، وفي المواد المغناطيسية، لا تتم إلغاء هذه اللحظات المغناطيسية للإلكترونات بعضها البعض تماما.
- تتميز جميع المواد بكونها مغناطيسية، حيث تحدث النفاذية المغناطيسية عندما تشكل حركة الإلكترون المدارية حلقات تيار صغيرة تنتج مجالات مغناطيسية. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، فإن الحلقات الحالية تتماشى مع المجال المغناطيسي وتعارضه، مما يشكل تباينا ذريا لقانون لينز، والذي ينص على أن الحقول المغناطيسية المستحثة تعارض التغيير الذي شكله المجال المغناطيسي الخارجي.
- إذا كانت الذرات تمتلك عزم مغناطيسي صافٍ، فإن البارامغناطيسية التي تتكون نتيجة لذلك تتفوق على النفاذية المغناطيسية، وذلك يحدث عندما يؤدي ترتيب عزوم المغناطيسية الذرية على مسافات بعيدة إلى إنتاج مغناطيسية حديدية.
- تعتبر المواد البارامغناطيسية أيضًا مغناطيسية، ولكن بسبب قوتها الأكبر، فهي تصنف على أنها بارامغناطيسية.
- تجدر الإشارة إلى أن أي موصل يظهر قوة مغناطيسية قوية في وجود مجال مغناطيسي متغير، لأن التيارات المارة ستعارض خطوط المجال المغناطيسي، وكذلك أي موصل فائق هو مغناطيس مثالي لأنه لا يوجد مقاومة لتشكيل الحلقات الحالية.
- بإمكانك تحديد إذا ما كان تأثير عينة معينة مغناطيسيا أو غير مغناطيسي بواسطة فحص تكوين الإلكترون في كل عنصر. إذا كانت الأجزاء الفرعية للإلكترون ممتلئة بالكامل بالإلكترونات، فستكون المادة مغناطيسية لأن الحقول المغناطيسية تلغي بعضها البعض. وإذا كانت الأجزاء الفرعية للإلكترون ممتلئة بشكل غير كامل، فستكون هناك لحظة مغناطيسية وسوف تكون المادة مغناطيسية.
المواد البارا مغناطيسية
تحتوي المواد البارامغناطيسية على بعض الإلكترونات غير المزاوجة بسبب هذه الإلكترونات غير المزاوجة ، فإن صافي العزم المغناطيسي لجميع الإلكترونات في الذرة لا يضاف إلى الصفر ، ومن ثم يوجد ثنائي القطب الذري في هذه الحالة ، عند تطبيق المجال المغناطيسي الخارجي ، يتحاذى ثنائي القطب الذري في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي المطبق ، بهذه الطريقة ، تكون المواد المغناطيسية ممغنطة بشكل ضعيف في اتجاه المجال الممغنط.
بكلمات بسيطة ، يمكننا القول أن هذه المواد عادة ما تعاني من انجذاب ضعيف للمغناطيس ، يُعرف هذا النوع من المغناطيسية باسم البارامغناطيسية ، يحدث هذا بشكل أساسي بسبب وجود إلكترونات غير مقترنة في المادة أو بسبب المحاذاة الجزئية لثنائي القطب الذري الموجه بشكل عشوائي على طول المجال.