مغنطة

في الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، يُعرَّف التمغنط بأنه الحقل المتجهي الذي يُعبِّر عن كثافة العزوم المغناطيسية الدائمة أو المستحثة في مادة مغناطيسية. وبناءً على ذلك، يُعرِّف الفيزيائيون والمهندسون التمغنط عادةً بأنه كمية العزم المغناطيسي لكل وحدة حجم. ^{[ 1 ]} ويُمثَّل التمغنط بمتجه زائف M. ويمكن مقارنة التمغنط بالاستقطاب الكهربائي ، وهو مقياس استجابة المادة للمجال الكهربائي في علم الكهرباء الساكنة .

يصف التمغنط أيضًا كيفية استجابة المادة للمجال المغناطيسي المطبق بالإضافة إلى الطريقة التي تغير بها المادة المجال المغناطيسي، ويمكن استخدامه لحساب القوى الناتجة عن تلك التفاعلات.

يمكن أن يكون أصل العزوم المغناطيسية المسؤولة عن التمغنط إما تيارات كهربائية مجهرية ناتجة عن حركة الإلكترونات في الذرات ، أو دوران الإلكترونات أو النوى. وينتج التمغنط الكلي عن استجابة المادة لحقل مغناطيسي خارجي .

تتميز المواد البارامغناطيسية بمغناطيسية مستحثة ضعيفة في المجال المغناطيسي، وتختفي هذه المغناطيسية عند إزالة المجال المغناطيسي. أما المواد الفيرومغناطيسية والفيرومغناطيسية ، فتتميز بمغناطيسية قوية في المجال المغناطيسي، ويمكن مغنطتها حتى في غياب المجال الخارجي، لتصبح مغناطيسًا دائمًا . ولا تكون المغنطة منتظمة بالضرورة داخل المادة، بل قد تختلف بين نقاطها المختلفة.

يمكن تعريف مجال التمغنط أو المجال M وفقًا للمعادلة التالية: $${\displaystyle \mathbf {M} ={\frac {\mathrm {d} \mathbf {m} }{\mathrm {d} V}}}$$

أين${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {m} }$هو العزم المغناطيسي الأولي و${\displaystyle \mathrm {d} V}$يمثل عنصر الحجم ؛ بعبارة أخرى، يمثل المجال المغناطيسي توزيع العزوم المغناطيسية في المنطقة أو الفضاء المعني. ويتضح هذا بشكل أفضل من خلال العلاقة التالية: $${\displaystyle \mathbf {m} =\iiint \mathbf {M} \,\mathrm {d} V}$$ حيث m هو العزم المغناطيسي العادي، ويشير التكامل الثلاثي إلى التكامل على حجم معين. وهذا يجعل المجال المغناطيسي (M) مماثلاً تماماً للمجال الكهربائي الاستقطابي ( P) ، المستخدم لتحديد عزم ثنائي القطب الكهربائي ( p) الناتج عن منطقة أو فضاء مماثل ذي استقطاب مماثل. $${\displaystyle \mathbf {P} ={\mathrm {d} \mathbf {p} \over \mathrm {d} V}،\quad \mathbf {p} =\iiint \mathbf {P} \،\mathrm {d} V،}$$ أين${\displaystyle \mathrm {d} \mathbf {p} }$هو عزم ثنائي القطب الكهربائي الأساسي.

تُعتمد على نطاق واسع تلك التعريفات لـ P و M باعتبارها "عزوم لكل وحدة حجم"، على الرغم من أنها قد تؤدي في بعض الحالات إلى غموض ومفارقات. ^{[ 1 ]}

يُقاس المجال المغناطيسي بوحدة أمبير لكل متر (A/m) في وحدات النظام الدولي للوحدات . ^{[ 2 ]}

يُوصَف سلوك المجالات المغناطيسية ( B ، H )، والمجالات الكهربائية ( E ، D )، وكثافة الشحنة ( ρ )، وكثافة التيار ( J ) بمعادلات ماكسويل . وسيتم شرح دور المغنطة أدناه.

تيار المغنطة

تساهم المغنطة M في كثافة التيار J ، والمعروفة باسم تيار المغنطة. ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \mathbf {J} _{\mathrm {m} }=\nabla \times \mathbf {M} }$

وبالنسبة لتيار السطح المقيد :

${\displaystyle \mathbf {K} _{\mathrm {m} }=\mathbf {M} \times \mathbf {\hat {n}} }$

وبالتالي فإن كثافة التيار الكلية التي تدخل في معادلات ماكسويل تُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {J} _{\mathrm {f} }+\nabla \times \mathbf {M} +{\frac {\partial \mathbf {P} }{\partial t}}}$

حيث J _f هي كثافة التيار الكهربائي للشحنات الحرة (وتسمى أيضًا التيار الحر )، والحد الثاني هو المساهمة من المغنطة، والحد الأخير مرتبط بالاستقطاب الكهربائي P.

يُصبح السلوك الزمني للمغنطة ذا أهمية بالغة عند دراسة المغنطة على المستوى النانوي والنانوثانية. فبدلاً من مجرد اصطفاف العزوم المغناطيسية الفردية في المادة مع المجال المطبق، تبدأ بالدوران حول هذا المجال وتصطف من خلال الاسترخاء مع انتقال الطاقة إلى الشبكة البلورية.

يشير انعكاس المغنطة، المعروف أيضًا بالتبديل، إلى العملية التي تؤدي إلى إعادة توجيه متجه المغنطة بزاوية 180 درجة (قوسية) بالنسبة لاتجاهه الأولي، من اتجاه مستقر إلى الاتجاه المعاكس. من الناحية التقنية، تُعد هذه العملية من أهم العمليات في المغناطيسية ، وهي مرتبطة بعملية تخزين البيانات المغناطيسية ، كما هو الحال في محركات الأقراص الصلبة الحديثة . ^{[ 5 ]} وكما هو معروف اليوم، لا توجد سوى بضع طرق ممكنة لعكس مغنطة مغناطيس معدني:

1. مجال مغناطيسي مطبق ^{[ 5 ]}
2. حقن الدوران عبر حزمة من الجسيمات ذات الدوران ^{[ 5 ]}
3. انعكاس المغنطة بواسطة الضوء المستقطب دائريًا ؛ ^{[ 6 ]} أي الإشعاع الكهرومغناطيسي الساقط المستقطب دائريًا

إزالة المغنطة هي تقليل أو إزالة المغنطة. ^{[ 7 ]} إحدى طرق القيام بذلك هي تسخين الجسم فوق درجة حرارة كوري ، حيث تمتلك التقلبات الحرارية طاقة كافية للتغلب على تفاعلات التبادل ، مصدر الترتيب المغناطيسي الحديدي، وتدمير هذا الترتيب. طريقة أخرى هي سحبه من ملف كهربائي يمر به تيار متردد، مما يُولّد مجالات تُعاكس المغنطة. ^{[ 8 ]}

من تطبيقات إزالة المغنطة التخلص من المجالات المغناطيسية غير المرغوب فيها. فعلى سبيل المثال، يمكن أن تتداخل المجالات المغناطيسية مع الأجهزة الإلكترونية مثل الهواتف المحمولة أو أجهزة الكمبيوتر، ومع عمليات التشغيل الآلي من خلال جعل القطع المعدنية تلتصق بالقطعة الأصلية. ^{[ 8 ]}

ثمة طريقة ثالثة، اكتُشفت مؤخرًا، وهي إزالة المغنطة فائقة السرعة، والتي تستخدم نبضات ليزرية مكثفة فائقة القصر (فيمتوثانية). ^{[ 9 ]} على عكس التسخين فوق درجة حرارة كوري، تتميز هذه العملية بسرعة فائقة (تحدث في أقل من بيكو ثانية) وتُعتبر عملية غير متوازنة. تُودع نبضة الليزر الطاقة مباشرةً في إلكترونات المادة. ثم تُنقل هذه الطاقة بسرعة إلى نظام الدوران المغزلي عبر آليات مثل تشتت الإلكترون-ماغنون، مما يؤدي إلى انهيار الترتيب المغناطيسي قبل وقت طويل من تسخين شبكة المادة بشكل ملحوظ. تُعد هذه الظاهرة مجالًا بحثيًا رئيسيًا لتطوير أجهزة تخزين البيانات المغناطيسية عالية السرعة وأجهزة الإلكترونيات الدورانية في المستقبل.

• مقياس المغناطيسية
• التمغنط المداري