گونه يک آهنربا بسازيم؟

مي‌خواهيم چه کار کنيم؟
مي‌خواهيم با موادّ مختلف چند نوع آهنربا بسازيم و خواصّ مغناطيسيِ آنها را با هم مقايسه کنيم. براي اين کار، آنها را گرم مي‌کنيم تا ببينيم چقدر خاصيت مغناطيسيِ آنها در برابر حرارت پايدار است (زيرا حرارت خاصيت مغناطيسي را از بين مي‌برد).

چه چيزهايي لازم داريم؟

1. يك آهنرباي بزرگ و قوي
2. چهار نوع مادة آهنيِ مناسب براي درست کردنِ آهنربا (به شرحي که خواهد آمد)
3. يك چراغ حرارتي.

چهار نوع قطعة آهنيِ مناسب کدام‌اند؟
اندازه قطعات مغناطيسي، نشان‌دهنده تعداد حوزه‌هاي مغناطيسيِ آنهاست. بنابراين، چهار نوع قطعة آهني را که شکلِ پراکندگي بُردارهاي مغناطيسي در آنها با هم فرق دارد، به اين شرح انتخاب مي‌کنيم:

1. يك تكه آهن.‌ تكة آهن، يک قطعة سه‌بُعدي است، يعني در هر سه بُعد از فضا حوزه‌هاي مغناطيسي دارد.

 
شكل 1: تصوری از یک تکه‌آهن که ماده‌ای است سه‌بُعدي

2. يك ورق آهني.‌ اين لايه را مي‌شود يک مادة دوبُعدي در نظر گرفت. حوزه‌هاي مغناطيسي در سطح صفحه وجود دارند. در واقع، طول و عرض اين صفحه در مقايسه با ضخامت آن بسيار زيادند و بنابراين از ضخامت، در مقايسه با طول و عرض، صرف نظر مي‌شود و در عمل مي‌توان آن را يك مادة دوبُعدي يا صفحه در نظر گرفت.

 
شكل 2: تصوری از یک ورق آهن که در عمل ماده‌ای است دوبُعدي

3. يك تکه سيم از جنس آهن. اين سيم مثل يك خط است و چون طول و عرضِ سطح مقطع آن در مقايسه با ارتفاع آن بسيار ناچيز است، مي‌توان آن را ماده‌اي يك‌بُعدي به شمار آورد. در چنين ماده‌اي حوزه‌هاي مغناطيسي تنها در يك بُعد كه همان ارتفاع است وجود دارند.

 
شكل 3: تصوری از یک تکه سیم که می‌شود آن را ماده‌ای يك‌بُعدي به شمار آورد

4. يك مُشت پودر آهن. در پودر آهن، هر سه بُعدِ طول و عرض و ضخامت بسيار کم‌اند. بنابراين، مي‌توان ذراتِ آن را يك نقطه به شمار آورد که ماده‌اي است صفربُعدي. در واقع، حوزه‌هاي مغناطيسي در چنين ماده‌اي در هيچ‌يک از ابعاد توزيع نشده‌اند.

 
شكل 4: تصوری از یک ذره پودر آهن که ماده‌ای صفربُعدی تصور می‌شود

آزمايش را چگونه انجام دهيم؟
چهار نوع قطعه آهني را با يكي از سه روشِ پيشنهاديِ گيلبرت آهنربا مي‌كنيم. اين سه روش از اين قرارند:

  1. مالش دادن قطعه با آهنربا؛
  2. گداختن و قرار دادن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين؛
  3. چكش‌كاري يا كشيدن قطعه در راستاي ميدان مغناطيسي زمين.

قطعاتِ آهنربا را در فاصله‌اي مشخص از يک مشت بُراده آهن قرار مي‌دهيم تا ببينيم کدام‌يک براده بيشتري جذب مي‌کنند.
در مورد پودرها، ابتدا از آنها يک قطعه آهنربا درست مي‌کنيم. يعني آنها را به هم مي‌فشاريم و دما را بالا مي‌بريم. افزايش دما از خاصيت مغناطيسي مي‌کاهد و حتي افزايش بيش از حدّ دما، خاصيتِ مغناطيسي را کاملاً از بين مي‌برد، اما چون مقداري از بردارهاي نيرو در آن باقي مي‌مانند، اگر قطعة ساخته‌شده را دوباره در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، خاصيت آهنربايي بسيار بيشتر از قبل خواهد شد. از آنجا که سطحِ قطعات ساخته‌شده از پودر زبر هستند، مي‌توان به‌راحتي آنها را با چشم تشخيص داد.
فيلمي را که از پايينِ اين متن مي‌توانيد برداريد و ببينيد، نشان مي‌دهد که چگونه با حرارت دادن پودر تحت فشار مي‌توان يک آهنرباي قوي درست کرد. در اينجا مقداري پودر آهن را در يک قوطي کبريت (به عنوان قالب) ريخته و در دماي بالا حرارت داده‌ايم تا يک قطعه متشکل از پودرِ آهن توليد شود.
سطح تماس قطعات هم در ميزان برادة جذب‌شده ‌تأثير دارند و بنابراين، بايد ميزان براده جذب‌شده را نسبت به سطح قطعه در نظر بگيريم. آهنرباهايي که بُعدِ کمتري دارند، براده‌ بيشتري نسبت به سطحشان جذب مي‌کنند.

براي مقايسة ماندگاريِ خاصيت آهنربايي، قطعات آهنربا را به درجات مختلف حرارت مي‌دهيم و سپس آزمايش‌هاي گفته‌شده را تكرار مي‌كنيم. پيش‌بينيِ ما اين است که پودرها زودتر مغناطيس مي‌شوند و خاصيت آهنربايي بيشتري پيدا مي‌كنند و از آن طرف، ديرتر خاصيت آهنربايي خود را از دست مي‌دهند. آزمايش‌ها را انجام دهيد تا ببينيد چقدر پيش‌بينيِ ما درست از آب درمي‌آيد!

این مقاله را در سایت باشگاه نانو هم می توانید مطالعه کنید