مغناطیس و الکتریسیته تاریخی طولانی و درازی دارند. الکتریسیته و مغناطیس ابتدا در قرن هشتم قبل از میلاد مورد توجه یونانیان باستان قرار گرفتند. مهمترین عاملی که موجب جذب و توجه مردم به الکتریسیته ومغناطیس شد، دو ماده طبیعی کهربا و کانی مگنتیت(سنگ مغناطیس) بود. کهربا، شیره برخی از درختانی است که چوب نرمی دارند؛ هنگامی که این شیره از درخت بیرون می آید، پس از
مدتی سفت می شود. این جامد سفت که رنگی بین قهوه ای و زرد دارد، کهرباست. و اگر کهربا را به پارچه ای بمالیم، باردار شده و می تواند تکه های برگ یا کاغذ را جذب کند.
سنگ مغناطیس، همان اکسید آهن است؛ که براده های آهن را جذب می کند. سنگ های مغناطیسی می توانند یکدیگر را جذب کنند. و علت این نامگذاری آنست که این سنگ در منطقه ای به نام “مگنزیا” یا “مغناطیس” برای نخستین بار کشف شد. که به ماهیت این سنگ، مغناطیس گفته می شود. اگر یک تکه از این سنگ ها را بر روی آب شناور کنیم، جهت آن در راستای شمال-جنوب قرار می گیرد. همین خاصیت سنگ مغناطیسی سبب شد که در قرون گذشته دریانوردان از آن بعنوان جهت یاب استفاده کنند.
دموکریتوس، که یکی از فلاسفه بزرگ باستان و بنیانگذار تئوری اتمی است، معتقد است که میان سنگ مغناطیسی جریانی از ذرات بسیار ریز به نام اتم وجود دارد. و در این جریان هنگامی که اتم به آهن یا سنگ مغناطیسی دیگر برخورد می کند، در برگشت به سوی سنگ مناطیس، سبب می شود که آهن را به دنبال خود بکشاند. ویلیام گیلبرت یکی از نخستین دانشمندانی است که در زمینه مغناطیس دست به آزمایش ها و بررسی های اساسی کرد. او مشاهده کرد که براده های آهن در اطراف سنگ مغناطیس در راستای منظمی قرار می گیرند. و همچنین سنگ مغناطیس در حالت آویزان یا حتی سوزن های آهنی در حالت شناور در راستای شمال-جنوب قرار می گیرند. او چنین پنداشت که علت این امر آنست که زمین یک سنگ مغناطیس بسیار بزرگیست که اینگونه عمل می کند. او برای اثبات نظریه خود، یک سنگ مغناطیس را به صورت یک کره بزرگ در آورد و سپس در اطراف و بر روی سطح این کره، سنگ های مغناطیسی کوچک و براده های آهنی قرار داد و مشاهده کرد که این براده ها در راستای شمال-جنوب قرار می گیرند.
قبل از اینکه به بحث در مورد خطوط و میدان مغناطیسی آهنربا و زمین بپردازیم، لازم است که به قطب های مغناطیسی و خاصیت آن اشاره ای کنیم.
در آهنربا یا همان سنگ مغناطیسی، دو ناحیه وجود دارد که نسبت به سایر نقاط دیگر آهنربا، خاصیت جذب براده های آهن بیشتر و راستای این براده ها به سمت این نواحی است. که به این دو ناحیه، قطب های مغناطیسی می گویند. اگر آهنربا را شناور قرار دهیم، قطبی که به سمت شمال است را قطب شمال یا شمال یاب، و قطب مقابل آن را قطب جنوب یا جنوب یاب می گویند. پس هر ماده مغناطیسی از دو قطب شمال وجنوب تشکیل شده است. در مغناطیس مانند الکتریسیته، قطب های ناهمنام یکدیگر را جذب و قطب های همنام یکدیگر را دفع می کنند. پس در خاصیت مغناطیسی، نیروی دفع وجذب نیز وجود دارد. آزمایش ها نشان می دهد که اگر در اطراف یک آهنربا، قطب نما یا سنگ های مغناطیسی کوچک قرار دهیم، نیروی حاصله از مغناطیس بر قطب های آن ها اثر گذاشته، به طوری که قطب شمال قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا و بلعکس قرار می گیرد. و این نشان می دهد، که در نقاط اطراف آهنربا، نیرویی وجود دارد که بر قطب های قطب نما وارد می شود و آن را در راستای مشخصی قرار می دهد. که به مجموعه ای از این نیروها یا نقاط، میدان مغناطیسی می گویند. میدان مغناطیسی اطراف آهنربا را توسط خطوطی نشان می دهند که این خطوط قطب جنوب(s) را به قطب شمال(n) وصل می کند. و جهت این خطوط از شمال(n) به جنوب(s) است. خطوط میدان مغناطیسی ویژگی هایی دارند که عبارتند از:
?) خطوط همانطور که قبلا گفته شد راستاو جهتشان از شمال به جنوب است.
?) خطوط یکدیگر را قطع نمی کنند.
?) تراکم خطوط در نزدیکی قطب ها بیشتر از نواحی دیگر است و این نشان دهنده آن است که نیروی مغناطیسی در این نواحی زیاد است.
?) برآیند نیروهای مماس بر خطوط میدان در یک نقطه برابر با نیروی مغناطیسی در آن نقطه است.
اکنون به سراغ علت تاثیر نیروی مغناطیسی بر براده های آهن می رویم. می دانیم که الکترون در ساختار تمام اجسام وجود دارد که الکترون ها دارای دو قطب مغناطیسی می باشند. بنابراین می توان نتیجه گرفت که تمام اجسام از ذراتی تشکیل شده اند که دارای دو قطب مغناطیسی هستند که به این ذرات، دو قطبی مغناطیسی می گویند و به موادی که دارای دوقطبی مغناطیسی هستند، مواد مغناطیسی می گویند. البته لزومی ندارد که بگوییم این دوقطبی ها همان الکترون ها هستند بلکه این دوقطبی ها ذرات بنیادی مغناطیس هستند همانطور که از الکترون بعنوان بار بنیادی در الکتریسیته یاد می کنیم. این دوقطبی های مغناطیسی مانند یک آهنربا عمل می کنند و در اطراف خود میدان مغناطیسی تولید می کنند. آهن نیز دارای این دوقطبی های مغناطیسی است اما در آهن دو قطبی های مغناطیسی به گونه ای رفتار می کنند، که خاصیت مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند. و هنگامی که در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرند، بر این دوقطبی ها نیروی مغناطیسی وارد می شود، به طوری که قطب شمال تمام این دوقطبی ها در جهت خطوط میدان قرار می گیرند. و آهن ساختار ساختمانی منظمی پیدا می کند و به یک آهنربا تبدیل می شود. که از آن می توان بعنوان یک قطب نما استفاده کرد. اگر این آهنربا را به دوقسمت تقسیم کنیم، این آهنربا باز هم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کند، زیرا دوقطبی های مغناطیسی در یک جهت قرار دارند و این دو قطبی ها عامل ایجاد خاصیت مغناطیسی در آهنربا هستند.
سوالی که پیش می آید این است که آیا فقط آهن تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرد؟ برای پاسخ به این سوال برمی گردیم به مواد مغناطیسی که از دو قطبی های مغناطیسی تشکیل شده اند در مواد مغناطیسی، حرکت و رفتار دوقطبی ها به گونه ای است که اثر میدان مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند. مواد مغناطیسی از نظر رفتار دوقطبی های مغناطیسی به سه دسته تقسیم می کنند:
الف) مواد پارامغناطیس ب) مواد دیامغناطیس پ) مواد فرومغناطیس
الف) مواد پارامغناطیس: موادی هستند که حرکت و جنبش دوقطبی هایشان راحت و آسان تر است. هنگامی که این مواد را در میدان مغناطیسی قرار دهیم، بر دوقطبی های آن نیرو وارد شده و تعداد زیادی از آن ها در خطوط میدان به طوری که قطب های شمال در جهت خطوط قرار می گیرند. و این امر سبب می شود که این مواد به یک آهنربای قوی تبدیل شود. اما چون حرکت وجنبش این دو قطبی ها سریع است، با برداشتن این مواد از میدان مغناطیسی، این دوقطبی ها به سرعت از مسیر خطوط خارج و به حالت کاتوره ای قبلی برمی گردند و این مواد در خارج از خطوط میدان به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مانند آلومینیوم.
ب) مواد دیامغناطیس : مواد دیامغناطیس موادی هستند که اگر در میدان مغناطیسی قرار بگیرند از آهنربا دفع می شوند. در این مواد برآیند گشتاور دو قطبی مغناطیسی صفر است و در واقع فاقد دوقطبی ذاتی هستند و هنگامی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، گشتاور دو قطبی در آن ها القا می شود اما جهت این دوقطبی های القا شده بر خلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی می باشد و این امر باعث می شود که ماده دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. البته این خاصیت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامی این خاصیت در مواد ظاهر می شود که خاصیت پارامغناطیسی آن ها ضعیف باشد.مانند: بیسموت.
پ) مواد فرومغناطیس : این مواد مانند مواد پارامغناطیس است اما با این تفاوت که در این مواد مجموعه ای از دوقطبی های مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که این مجموعه ها در راستا و جهت های متفاوتی قرار دارند به طوری که اثر میدان یکدیگر را خنثی می کنند. که به این مجموعه از دوقطبی های مغناطیسی که در یک استا قرار دارند، حوزه مغناطیسی می گویند. هنگامی که این مواد در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، بر حوزه های مغناطیسی نیرو وارد می شود و آن ها را در جهت میدان قرار می دهند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد. که از این لحاظ مواد فرومغناطیس را به دو دسته تقسیم می کنند:
?) مواد فرومغناطیس نرم: در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار آسان و سریع است و به همین خاطر در میدان مغناطیسی این حوزه ها به سرعت در جهت خطوط میدان قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی بسیار قوی بدست می آورند. اما همینکه این مواد را از میدان دور کنیم، جهت این حوزه ها به سرعت تغییر و به حالت کاتوره ای قبلی بر می گردند. مانند آهن
?) مواد فرومغناطیسی سخت: در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار سخت و کُند است و همین که در میدان قرار می گیرند، این حوزه ها به کندی در جهت خطوط قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی آن ها نسبت به مواد فرومغناطیس نرم ضعیفتر است؛ اما همین که از میدان دور می شوند بر خلاف مواد فرومغناطیس نرم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند.مانند آلیاژ های نیکل.
پس مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و به یک آهنربا تبدیل می شوند.
در قرن هیجدهم هانس اورستد نشان داد که در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی ایجاد می شود و بعد ها آمپر و مایکل فارادی در این زمینه دست به فعالیت های گسترده ای زدند. آن ها نشان دادند که در اطراف یک سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی تولید می شود و حتی موفق شدند که روابط کمی آن را محاسبه کنند. بنابراین منبع تولید میدان مغناطیسی عبارتند از:سنگ مغناطیس یا همان آهنربای طبیعی و جریان الکتریکی. البته بعدها ماکسول نتیجه گرفت که بر اثر تغییر جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی در فضا منتشر می شود و همچنین براثر تغییر میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی در فضا تولید می شود که نتیجه این، امواج الکترومغناطیسی است.
و از طرفی تغییر میزان عبور میدان مغناطیسی از یک رسانا، باعث تولید جریان الکتریکی در همان رسانا می شود. پس منبع تولید میدان الکتریکی عبارتند از: اختلاف پتانسیل بین دو سر رسانا و تغییر شار(میزان عبور میدان) مغناطیسی است.
پس می توان اینگونه نتیجه گرفت که الکتریسیته و مغناطیس باهم در ارتباطند و به جر‌‌أت می توان گفت که یکی بدون دیگری معنی ندارد. چون وجود یکی باعث پیدایش دیگری می شود.
می دانیم که ذرات باردار تحت تاثیر میدان الکتریکی یا نیروی کولنی قرار می گیرند. اگر این ذرات وارد میدان مغناطیسی شوند تحت تاثیر نیروی دیگری که همان نیروی مغناطیسی است می شوند. آزمایش ها نشان می دهند که میزان انحراف ذره باردار به بزرگی میدان، اندازه بار، سرعت و زاویه حرکت ذره بستگی دارد. اگر این ذره در راستای خطوط میدان حرکت کند، هیچ نیرویی مغناطیسی بر آن وارد نمی شود. نیروی مغناطیسی بر راستای حرکت ذره عمود است و بر سرعت آن تاثیری نمی گذارد و فقط جهت بردار حرکت آن را تغییر می دهد. به همین دلیل اگر ذره باردار وارد میدان مغناطیسی شود حرکت مارپیچی یا دایره ای خواهد داشت. اگر ذره به طور عمود بر راستای خطوط وارد میدان شود، چون اندازه سرعتش ثابت و نیروی وارده بر آن عمود بر جهت حرکت است، شتاب مرکز گرا خواهد گرفت و این امر موجب می شود که ذره در میدان یک مسیر دایره ای داشته باشد. البته ذره باردار بر اثر حرکتش مقداری از انرژی خود را به صورت امواج الکترومغناطیسی گسیل می کند و انرژی آن کاهش و سرعتش کم می شود و به همین خاطر شعاع حرکت دایره ای آن در طی مدت زمانی، کوچک و کوچکتر می شود. و اگر به صورت غیر عمود بر خطوط میدان وارد شود، حرکت مارپیچی خواهد داشت.
همین خاصیت ذرات باردار در میدان مغناطیسی سبب می شود که ما را از آسیب های ذرات باردار و پرانرژی کیهانی که به زمین برخورد می کنند، مصون نگاه دارد.
در اطراف کره زمین میدان مغناطیسی وجود دارد و طبق نظریه ای که گیلبرت پیشنهاد کرد، زمین یک آهنربای بزرگی است که قطب شمالش در قطب جنوب جغرافیایی و قطب جنوب مغناطیسی در قطب شمال جغرافیایی قرار دارد که میدان مغناطیسی در این دو قطب نسبت به سایر نواحی دیگر کره زمین قوی تر می باشند. ذرات باردار و پر انرژی کیهانی که به سوی زمین می آیند گرفتار میدان مغناطیسی زمین شده و حرکت مارپیچی به خود می گیرند که به این منطقه، کمربند “وان آلن” می گویند.این ذرات با حرکت مارپیچی خود به سمت دو قطب حرکت می کنند. این ذرات با نزدیک شدن به دو قطب بر اثر برخورد به لایه های بالایی جو قطب شمال و جنوب، مقدار زیادی از انرژی خود را ازدست می دهند که به صورت تابش آزاد و روشنایی را در دو قطب ایجاد می کنند که به این روشنایی، شفق های قطبی می گویند.
علت ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف زمین و یا آهنربا بودن زمین، سوالی است که ذهن دانشمندان را در طی چند ده مشغول کرده بود. نظریه ای که توانست در توضیح علت میدان مغناطیسی موفق ظاهر شود، را بیان می کنیم:
در درون زمین فلزاتی نظیر آهن و نیکل به صورت مذاب و گداخته وجود دارند که در حال حرکت و جنبش هستند. حرکت این مواد از هسته شروع شده و به نزدیکی سطح زمین نزدیک شده و دوباره به هسته و مرکز زمین بر می گردند. این مواد مذاب با حرکت رفت وبرگشتی که دارند باعث پیدایش جریان الکتریکی در درون زمین می شوند. از همین خاصیت الکتریکی مواد مذاب درون زمین، برای پیش بینی وقوع فوران آتشفشان یا زلزله استفاده می کنند. جریان الکتریکی که این مواد مذاب ایجاد می کنند، باعث پیداش میدان مغناطیسی در اطراف زمین می شود. خطوط میدان مغناطیسی به اینگونه هستند که از هسته به قطب جنوب جغرافیایی وصل و سپس از قطب جنوب به قطب شمال و از آنجا دوباره به هسته وصل می شوند. و به این گونه این خطوط در اطراف زمین رسم می شوند.
قطب های مغناطیسی زمین بر روی قطب های جغرافیایی آن منطبق نیستند و امروزه حدود ?? درجه اختلاف دارند.
بررسی ها و مطالعه آثار نشان می دهند که میدان مغنطیسی زمین ثابت نیست و تغییر می کند. آثاری که از روی سنگ های زمین بدست آمده حاکی از آنست که میدان مغناطیسی زمین به مدت حدود ?????? سال وارونه بوده و حدود ?????? سال دچار افت شدیدی می شود. علت این امر آنست که مواد مذاب و گداخته حرکت رفت و برگشتی کاتوره ای دارند که سرعتشان حدود ? سانتی متر در روز است. و جابجایی این مواد باعث تغییر جریان الکتریکی و درنتیجه میدان مغناطیسی زمین می شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار کاتوره ای تغییر میدان مغناطیسی در آینده دست یابند
