مغناطش

مغناطش (به انگلیسی: Magnetization) یا قطبی‌سازی مغناطیسی، مقدار کمّی پدیده مغناطیسی شدن یا افزایش خاصیت مغناطیسی مواد است. در الکترومغناطیس کلاسیک، میدانی برداری‌ است که چگالی گشتاورهای مغناطیسی دائم یا القایی در یک مادهٔ مغناطیسی را نشان می‌دهد. منشاء گشتاور مغناطیسیِ مولدِ مغناطش می‌تواند جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترون‌های اتم، اسپین الکترون‌ها یا هسته باشد. مغناطش خالص از پاسخ یک ماده به میدان مغناطیسی خارجی حاصل می‌شود. مواد پارامغناطیس دارای یک مغناطش القایی ضعیف در میدان مغناطیسی هستند که در صورت نبود میدان مغناطیسی، ناپدید می‌شوند. مواد فرومغناطیس و فری‌مغناطیس در حضور یک میدان مغناطیسی، دارای مغناطش قوی می‌باشند. و میتوانند مغناطیسی شوند تا در نبود میدان خارجی نیز خاصیت مغناطیسی داشته باشند و به آهنربای دائمی تبدیل شوند. مغناطش در یک ماده، لزوما یکنواخت نمی‌باشد ولی میتواند در نقاط مختلف متفاوت باشد. مغناطش همچنین چگونگی پاسخ یک ماده به میدان مغناطیسی اعمالی و همچنین نحوه تغییر میدان مغناطیسی توسط ماده را نیز توضیح میدهد و نیروهای ناشی از آن واکنش‌ها را میتوان با مغناطش محاسبه کرد. میتوان آن را با قطبش الکتریکی نیز مقایسه کرد که میزان پاسخ متقابل یک ماده به یک میدان الکتریکی در الکترواستاتیک میباشد. مغناطش معمولا توسط فیزیکدانان و مهندسان به‌صورت مقدار گشتاور مغناطیسی در واحد حجم تعریف می‌شود. توسط یک شبه بردار توضیح داده میشود.

تعریف ویرایش

میدان مغناطش یا M توسط رابطه زیر تعریف میگردد:

$M={\operatorname {d} \!m \over \operatorname {d} \!V}$

بطوریکه dm المان گشتاور مغناطیسی و dv المان حجم می‌باشد؛ به بیان دیگر، میدان M توزیع گشتاورهای مغناطیسی در ناحیه مورد نظر است. بهتر است به‌صورت رابطه زیر بیان گردد:

$m=\iiint Mdv$

که m یک گشتاور مغناطیسی معمولی است و انتگرال سه گانه نشان دهنده اختلاط در یک حجم است. این باعث می شود که میدان M کاملاً مشابه میدان قطبش الکتریکی یا میدانP باشد، که برای تعیین گشتاور دوقطبی الکتریکی p تولید شده توسط ناحیه مشابه با چنین قطبشی استفاده می شود:

$P={\operatorname {d} \!p \over \operatorname {d} \!V},p=\iiint PdV$

بطوریکه dp المان گشتاور دو قطبی الکتریکی می‌باشد. تعاریف P و M به عنوان "گشتاور در واحد حجم" به‌طور گسترده پذیرفته شده اند، اگرچه در برخی موارد می توانند منجر به ابهامات و تناقضاتی شوند_.^[1]

میدان M در واحد SI برحسب آمپر بر متر اندازه‌گیری می‌شود.^[2]

معادلات مکسول ویرایش

معادلات مکسول رفتار میدان‌های مغناطیسی (B، H)، میدان‌ الکتریکی (E، D)، چگالی بار (ρ) و چگالی جریان (J) را توصیف میکنند. نقش مغناطش در زیر توضیح داده شده است.

روابط بین H ,B و M

مغناطش، میدان مغناطیسی کمکی H را به‌صورت زیر تعریف میکند:

(SI unites) $B=\mu 0(H+M)$

(Gaussian unites) $B=H+4\pi M$

برای محاسبات مختلف مناسب است. نفوذپذیری خلا $\mu 0$ تقریبا برابر با V.S)/(A.m)) $4\pi /10^{7}$ (در واحد SI) میباشد.

یک رابطه بین M و H در بسیاری از مواد وجود دارد. در دیامغناطیسها و پارامغناطیس‌ها، این رابطه معمولاً خطی است: $M=XH,B=\mu H=\mu 0(1+X)H$

که χ را حساسیت مغناطیسی حجمی و μ را نفوذپذیری مغناطیسی ماده می نامند. انرژی پتانسیل مغناطیسی در واحد حجم (یعنی چگالی انرژی مغناطیسی) پارامغناطیس (یا دیامغناطیس) در میدان مغناطیسی برابر است با: $-M.B=-XH.B=-{\operatorname {} \!X \over \operatorname {} \!1+X}.{\operatorname {B^{2}} \! \over \operatorname {\mu 0} \!}$

که گرادیان منفی آن نیروی مغناطیسی وارد بر پارامغناطیس (یا دیامغناطیس) در واحد حجم (یعنی چگالی نیرو) است.

در دیامغناطیس (X<0) و پارامغناطیس (X>0)، معمولا $|X|\ll 1$ و بنابراین $M\thickapprox X{\operatorname {B} \! \over \operatorname {\mu 0} \!}$ .

در فرومغناطیسها بین M و H هیچ مطابقت یک به یکی به‌دلیل پسماند مغناطیسی وجود ندارد.

قطبش مغناطیسی

قطبش مغناطیسی میتواند جایگزین مغناطش در تعریف باشد^[3]، I (اغلب از علامت J استفاده می‌شود تا با چگالی جریان اشتباه گرفته نشود.)

(واحدSI) $B=\mu 0H+I$

این مورد در قیاس مستقیم با قطبش الکتریکی است. $D=\epsilon 0E+P$ . بنابراین قطبش مغناطیسی با ضریب μ0 با مغناطش متفاوت است.

(واحدSI) $I=\mu 0M$

در حالی که مغناطش به طور معمول با A/m اندازه گیری می شود، قطبش مغناطیسی با تسلا اندازه گیری می شود.

جریان مغناطش

مغناطش M به چگالی جریان J کمک می کند که به‌عنوان جریان مغناطش شناخته بشود.^[4]

$Jm=\triangledown \times M$

و برای جریان سطح محدود:

$Km=M\times n$

چگالی کل جریانی که وارد معادلات ماکسول می شود بدین صورت به‌دست می آید:

$J=Jf+\triangledown \times M+{\partial p \over \partial t}$

که در آن Jf چگالی جریان الکتریکی بارهای آزاد است (جریان آزاد نیز نامیده می شود)، دومین جمله سهم مغناطیسی است، و جمله آخر مربوط به قطبش الکتریکی P است.

مغناطیس استاتیک

در غیاب جریان های الکتریکی آزاد و اثرات وابسته به زمان، معادلات ماکسول که مقادیر مغناطیسی را توصیف می کنند به مقادیر زیر کاهش میابند:

$\triangledown \times H=0$

$\triangledown .H=-\triangledown .M$

این معادلات را می توان در قیاس با مسائل الکترواستاتیکی حل کرد که در آن:

$\triangledown \times E=0$

$\triangledown .E={\operatorname {} \!\rho \over \operatorname {\epsilon } \!0}$

$-\triangledown .M$ نقش یک "چگالی بار مغناطیسی" ساختگی شبیه چگالی بار الکتریکی ρ را بازی می کند.

دینامیک ویرایش

رفتار وابسته به زمان در مغناطش در نانومقیاس و نانوثانیه مهم می شود. به‌جای هم‌تراز شدن با میدان اعمال‌شده، گشتاورهای مغناطیسی منفرد در یک ماده شروع به پیشروی در اطراف میدان اعمال‌شده می‌کنند و از طریق آرام‌سازی با انتقال انرژی به شبکه، هم‌تراز می‌شوند.

معکوس شدن ویرایش

معکوس شدن مغناطیسی، همچنین به عنوان سوئیچینگ شناخته می شود، به فرآیندی اشاره دارد که منجر به جهت گیری مجدد 180 درجه (قوس) بردار مغناطیسی با توجه به جهت اولیه آن، از یک جهت پایدار به جهت مخالف می شود. از نظر فن‌آوری، این یکی از مهم ترین فرآیندهای مغناطیس است که به فرآیند ذخیره سازی مغناطیسی داده ها، مانند استفاده در هارد دیسک ^[5] مدرن، مرتبط است. همانطور که امروزه می‌دانیم، تنها چند راه ممکن برای معکوس کردن مغناطش آهنربای فلزی وجود دارد:

میدان مغناطیسی اعمال شده.^[5]
تزریق اسپین(چرخش) از طریق پرتو ذرات پرخشی.^[5]
معکوس کردن مغناطیسی توسط نور قطبی شده دایروی^[6]؛ یعنی تابش الکترومغناطیسی که به صورت دایروی قطبی شده است.

مغناطیس زدایی ویرایش

مغناطیس زدایی، کاهش یا حذف مغناطش است^[7]. یکی از راه‌های انجام این کار، گرم کردن جسم بالاتر از دمای کوری(دمایی که در آن خاصیت مغناطیسی جسم دگرگون میشود.) آن است، جایی که نوسانات حرارتی انرژی کافی برای غلبه بر فعل و انفعالات مبادله، منبع نظم فرومغناطیسی و از بین بردن آن نظم را دارند. راه دیگر این است که آن را از یک سیم پیچ الکتریکی با جریان متناوب که از آن عبور می کند بیرون بکشید و میدان هایی را ایجاد کنید که مخالف مغناطش هستند^.[8]

یکی از کاربردهای مغناطیس زدایی حذف میدان های مغناطیسی ناخواسته است. به عنوان مثال، میدان‌های مغناطیسی می‌توانند با دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه یا رایانه، در ماشین‌کاری تداخل ایجاد کنند.