المغناطيسية والعزم المغناطيسي

يمكن تقسيم توليد المجالات المغناطيسية إلى جانبين رئيسيين: الأول يعتمد على التيار الكهربائي المتحرك (الحث الكهرومغناطيسي)، والثاني يعتمد على دوران الجسيمات الأساسية المكونة للمادة. الأول هو التأثير المغناطيسي للتيار الكهربائي، وهو أكثر شيوعًا؛ فعندما يتدفق تيار كهربائي عبر موصل، تُولّد الحركة الاتجاهية للإلكترونات الحرة مجالًا مغناطيسيًا. أما الجانب الثاني فهو المجال المغناطيسي الناتج عن المادة نفسها، وهو الموضوع الرئيسي الذي سنناقشه اليوم.

كل شيء في العالم يمتلك مغناطيسية. من الطاولات والكراسي الصغيرة من حولنا إلى الكواكب والشمس في الكون، كل شيء يمتلك مغناطيسية، بغض النظر عن حالته (بلوري، غير متبلور، سائل، أو غازي)، أو درجة حرارته، أو ضغطه. يكمن الفرق في قوة المغناطيسية؛ فبعض المواد لها مغناطيسية قوية، بينما بعضها الآخر ضعيف. ويمكن القول إنه لا وجود للمادة بدون مغناطيسية.

يمكن تصنيف المادة إلى خمس فئات بناءً على خصائصها في مجال مغناطيسي خارجي: بارامغناطيسية، وديامغناطيسية، وفرومغناطيسية، وفريمغنطيسية، ومضادة للحديد. ما الذي يجعل المادة تمتلك مغناطيسية؟ وما الذي يجعل المواد المختلفة تمتلك هذه الخصائص المختلفة؟ يتطلب هذا البدء من أساس المادة - الذرة.

تتكون المادة من ذرات، وتتكون الذرات من نواة وإلكترونات. في الذرة، تمتلك الإلكترونات عزمًا مغناطيسيًا مداريًا نتيجةً لحركتها المدارية حول النواة؛ كما تمتلك الإلكترونات عزمًا مغناطيسيًا مغزليًا نتيجةً لحركتها المغزلية. ينشأ العزم المغناطيسي للذرة أساسًا من العزوم المغناطيسية المدارية والمغزلية للإلكترونات، والتي تُعدّ مصدر المغناطيسية في جميع المواد. (العزم المغناطيسي لنواة الذرة يساوي 1/1836.5 فقط من العزم المغناطيسي للإلكترون، لذلك عادةً ما يُتجاهل العزم المغناطيسي النووي).

العزم المغناطيسي لذرة معزولة واحدة

العزم المغناطيسي هو متجه اتجاهي. للإلكترونات في الذرة اتجاهان للدوران: لأعلى ولأسفل. في معظم المواد، يكون عدد الإلكترونات ذات الدوران لأعلى ولأسفل متساويًا، ويلغي عزومها المغناطيسية بعضها البعض، مما يؤدي إلى انعدام المغناطيسية الخارجية للذرة. في عدد قليل فقط من المواد يكون عدد الإلكترونات في اتجاهات دوران مختلفة داخل الذرة. في هذه الحالة، بعد أن تلغي العزوم المغناطيسية للإلكترونات ذات الدوران المتعاكس بعضها البعض، يتم أيضًا إلغاء العزوم المغناطيسية المغزلية المتبقية لبعض الإلكترونات، مما ينتج عنه عزم مغناطيسي إجمالي للذرة بأكملها. يعتمد العزم المغناطيسي للذرة الواحدة على بنيتها الذرية، وتحديدًا ترتيب الإلكترونات وعددها. ذرات جميع العناصر في الجدول الدوري لها عزومها المغناطيسية الخاصة.

العزم المغناطيسي للذرات في البلورات

يتناول النقاش أعلاه العزم المغناطيسي لذرة واحدة. ومع ذلك، في البلورات الصلبة أو المواد الصلبة غير المتبلورة، تقع الذرات في عقد بلورية. تتأثر هذه الذرات بالمجال الكهربائي النووي والمجال الكهروستاتيكي للذرات المجاورة. لذلك، يختلف العزم المغناطيسي للذرات في البلورات عن العزم المغناطيسي لذرة واحدة معزولة. على سبيل المثال، يُطلق على الحديد والكوبالت والنيكل اسم معادن انتقالية ثلاثية الأبعاد. في البلورات، تصبح بعض إلكترونات ذرات معينة إلكترونات مشتركة للذرات المجاورة، مما يغير التركيب الإلكتروني للذرات. تتجمد بعض العزوم المغناطيسية المدارية، ولا يتبقى سوى العزم المغناطيسي المغزلي للمساهمة في العزم المغناطيسي الذري في البلورة. ينتج عن هذا فرق بين العزم المغناطيسي الفعلي للذرات في البلورة والقيمة النظرية.

العزم المغناطيسي للمادة العيانية

كما نعلم من المحتوى السابق، يمتلك كل شيء في الكون مغناطيسية، تنبع أساسًا من المغناطيسية الذرية. ولأن الذرات المختلفة لها عزوم مغناطيسية مختلفة، تحدث تفاعلات بين العزوم المغناطيسية الذرية في المادة العيانية. ويختلف ترتيب العزوم المغناطيسية الذرية عند درجة حرارة الغرفة. بناءً على الخصائص المغناطيسية للمادة العيانية، نُصنفها إلى مواد بارامغناطيسية، وديامغناطيسية، وفرومغناطيسية، وفريمغنطيسية، ومضادة للحديد. وتشمل هذه الخصائص الثلاث التالية:

1. المغناطيسية م

تُعزى المغناطيسية العيانية للمادة إلى العزوم المغناطيسية لذراتها أو جزيئاتها. يُسمى إجمالي العزم المغناطيسي لكل وحدة حجم من المادة مغناطيسيتها، ويُرمز له بالرمز M، ووحداته A/m.

١. ليكن حجم المادة V، وعدد ذراتها n. العزم المغناطيسي لكل ذرة هو μJ. عندها، M = μJ1 + μJ2 + … + μJn، أو M = ΣμJ/v.

2. منحنى المغناطيسية (منحنى M~H)

عندما يكون المجال المغناطيسي الخارجي صفرًا، يمكن ترتيب العزوم المغناطيسية الذرية عشوائيًا. ومع ذلك، عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي غير صفري، وتحت تأثير المجال، يتوافق كل عزم مغناطيسي ذري مع اتجاه المجال المغناطيسي. عند هذه النقطة، تتغير مغنطة المادة (M). يُسمى المنحنى الذي يوضح العلاقة بين المغنطة (M) والمجال المغناطيسي الخارجي (H) بمنحنى المغنطة، ويُختصر بمنحنى المغنطة (M~H). تختلف منحنيات المغنطة باختلاف المواد.

3. القابلية المغناطيسية χ

على منحنى المغناطيسية M~H، تُسمى نسبة M إلى H عند أي نقطة بالقابلية المغناطيسية، ويُرمز لها بالرمز χ. χ = M/H، حيث وحدة M هي A/m، ووحدة H هي A/m أيضًا. وبالتالي، فهي قابلية مغناطيسية نسبية، وليس لها وحدة قياس.

نحن نستخدم حجم وترتيب العزوم المغناطيسية الذرية، وشكل منحنى المغناطيسية M~H، والمعلمات مثل القابلية المغناطيسية لوصف مغناطيسية المواد وتصنيفها.

المواد البارامغناطيسية

هذه مواد يمكن مغنطتها على طول اتجاه المجال المغناطيسي عند تقريبها منه، إلا أن مغنطتها ضعيفة جدًا ولا يمكن قياسها إلا بأجهزة دقيقة. عند إزالة المجال المغناطيسي الخارجي، يعود المجال المغناطيسي الداخلي أيضًا إلى الصفر، مما يؤدي إلى انعدام المغناطيسية. ومن الأمثلة على ذلك الألومنيوم والأكسجين.

لكل ذرة في المادة البارامغناطيسية عزم مغناطيسي، مما يمنحها عزمًا مغناطيسيًا ذريًا ذاتيًا. لا يوجد تفاعل بين الذرات المتجاورة في المواد البارامغناطيسية؛ لذلك، عند درجة حرارة الغرفة، تتوزع العزوم المغناطيسية الذرية عشوائيًا، وتكون قيمة إسقاط العزم المغناطيسي الذري (μJ) في أي اتجاه صفرًا. عند تطبيق مجال مغناطيسي خارجي H، لا يمكن للعزوم المغناطيسية الذرية لهذه المواد أن تدور إلا بزاوية صغيرة جدًا على طول اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي، وتزداد مغنطتها تدريجيًا مع زيادة المجال المغناطيسي الخارجي. حساسيتها المغناطيسية χ>0، وتتراوح قيمتها عادةً بين 10⁻⁵ و10⁻³.

لضمان أن تتوافق اللحظات المغناطيسية الذرية للمادة البارامغناطيسية تمامًا مع اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي، تشير التقديرات التقريبية إلى أن قوة المجال المغناطيسي الخارجي تتراوح بين 10⁹ إلى 10¹⁰ أمبير/متر، وهو أمر يصعب تحقيقه حاليًا باستخدام المجالات المغناطيسية الاصطناعية.

المواد الديامغناطيسية

هي مواد ذات قابلية مغناطيسية سلبية، أي أنه بعد المغنطة، يكون اتجاه المجال المغناطيسي معاكسًا لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. جميع المركبات العضوية تُظهر خاصية مغناطيسية مضادة؛ ومن أمثلة المواد الديامغناطيسية: الجرافيت والرصاص والماء.

في المواد الديامغناطيسية، تكون إسقاطات كلٍّ من العزوم المغناطيسية المدارية الذرية وعزوم الدوران المغناطيسي على المجال المغناطيسي صفرًا، مما يعني أن المواد الديامغناطيسية لا تمتلك عزمًا مغناطيسيًا ذريًا صافيًا. ومع ذلك، تحت تأثير مجال مغناطيسي خارجي، تُولّد مدارات الإلكترونات عزمًا مغناطيسيًا إضافيًا مُستحثًا، ويكون هذا العزم المغناطيسي المُستحث معاكسًا لاتجاه المجال المغناطيسي الخارجي، مما يُظهر مغناطيسية سالبة. تكون شدة مغنطة المواد الديامغناطيسية سالبة، معاكسة للمجال المغناطيسي الخارجي، وتزداد قيمتها المطلقة خطيًا مع زيادة المجال المغناطيسي الخارجي.

المواد المغناطيسية الحديدية

هذه مواد تحتفظ بمغنطتها حتى بعد زوال المجال المغناطيسي الخارجي، بمجرد مغنطتها. حتى الآن، اكتُشف 83 عنصرًا معدنيًا، أربعة منها تتمتع بخواص مغناطيسية حديدية عند درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة: الحديد، والكوبالت، والنيكل، والغادولينيوم. عند درجات حرارة منخفضة للغاية، يمكن لخمسة عناصر أخرى أن تتحول إلى عناصر مغناطيسية حديدية: التربيوم، والديسبروسيوم، والهولميوم، والإربيوم، والثوليوم.

في المواد المغناطيسية الحديدية، تمتلك الذرات عزومًا مغناطيسية ذرية متأصلة. تتشارك بعض الإلكترونات، وتكون العزوم المغناطيسية المغزلية للذرات المتجاورة متوازية (تُعرف أيضًا بالمغنطة التلقائية). منحنى مغنطة MH للمواد المغناطيسية الحديدية غير خطي، وتتغير القابلية المغناطيسية χ باختلاف المجال المغناطيسي. القابلية المغناطيسية χ للمواد المغناطيسية الحديدية عالية جدًا، حيث تتراوح بين 10⁵ و10⁷.

المواد المضادة للمغناطيسية

لا تُنتج هذه المواد مجالًا مغناطيسيًا. وهي نادرة نسبيًا، ويتم اكتشاف مواد جديدة مضادة للمغناطيسية باستمرار. معظم المواد المضادة للمغناطيسية لا توجد إلا في درجات حرارة منخفضة؛ وعند درجة حرارة معينة، تصبح عادةً بارامغناطيسية. على سبيل المثال، الكروم والمنغنيز مضادان للمغناطيسية.

في المواد المضادة للحديد المغناطيسي، تمتلك الذرات أيضًا عزومًا مغناطيسية ذرية متأصلة. تتشارك بعض الإلكترونات، لكن العزوم المغناطيسية الذرية المتجاورة تصطف في اتجاهين متعاكسين (يُعرف أيضًا بالترتيب المضاد للحديد المغناطيسي). منحنى مغنطة المواد الحديدية المغناطيسية خطي، بحساسية مغناطيسية χ>0، وتتراوح قيمته تقريبًا بين 10⁻⁴ و10⁻⁵، وهي قيمة صغيرة جدًا وثابتة. هذا يعني أنه عند مغنطة مادة مضادة للحديد المغناطيسي في مجال مغناطيسي خارجي، فإن عزومها المغناطيسية الذرية تتغير بشكل طفيف جدًا مع المجال المغناطيسي الخارجي، على غرار المواد البارامغناطيسية، التي تنتمي إلى مغناطيسية ضعيفة. تتغير الحساسية المغناطيسية χ للمواد المضادة للحديد المغناطيسية بتغير درجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل أدناه؛ تُسمى درجة حرارة نيهر (Tn).

المواد الحديدية المغناطيسية

المغناطيسية العيانية هي نفسها المغناطيسية الحديدية، إلا أن قابليتها المغناطيسية أقل (قابليتها المغناطيسية χ تتراوح بين 10² و10⁵). تشمل المواد الحديدية المغناطيسية عادةً الفريتات. يكمن أهم اختلاف لها عن المواد الحديدية المغناطيسية في بنيتها المغناطيسية الداخلية (ترتيب العزم المغناطيسي).

صورة: العزوم المغناطيسية الذرية للمواد دون المغناطيسية الحديدية ليست صفرًا. يوجد تفاعل تبادل غير مباشر، أو تفاعل تبادل RKKY، بين العزوم المغناطيسية الذرية المتجاورة، مما يؤدي إلى محاذاة العزوم المغناطيسية الذرية للشبكات الفرعية المتجاورة في ترتيب متعاكس. ومع ذلك، تختلف مقادير العزوم المغناطيسية الذرية للشبكات الفرعية المتجاورة. تُسمى هذه الظاهرة أيضًا بالترتيب دون المغناطيسي أو المغناطيسية التلقائية دون المغناطيسية. منحنى مغناطيسية M~H للمواد دون المغناطيسية غير خطي، مشابه لمنحنى المواد المغناطيسية الحديدية، مع حساسية مغناطيسية أقل قليلًا، ولكنه لا يزال ينتمي إلى المغناطيسية القوية.