ملتقى الفيزيائيين العرب

تاريخ المغناطيسية
بالرغم من أن بعض أنواع التأثير المغناطيسي كظاهرة الشفق القطبي في نصف الكرة الشمالي كان ملاحظاً من آلاف السنين إلا أن تطور المعرفة المغناطيسية لم يحدث إلا بعد اكتشاف الحديد. و تم ملاحظة أولى تأثيرات المغناطيسية عند اقتراب مصهور الحديد من أكسيد الحديد حبث تكونت الصيغة الكيميائية FeOFe2O3(Fe3O4) و هي عبارة عن معدن يعرف باسم حجر المغناطيس.
و أصل لفظ المغناطيس يعتريه بعض الغموض و لكن هناك تفسيران أكثر تردداً . أحدهما أن تسمية المغناطيس تنتسب إلى راعي يوناني اسمه (ماغنس) و هو الذي اكتشفه عندما التصقن مسامير نعله في معدن حجر المغناطيس. أما التفسير الآخر هو أن التسمية تنتسب إلى دولة قديمة في آسيا الصغرى تعرف باسم ماغنيسيا و فيها وجد حجر المغناطيس بوفرة.
و أول أطروحة عن الإبر الممغنطة و استخداماتها قدمها بطرس بريغرينوس في عام 1289. و قد وثقت هذه الدراسة عدداً من الخواص المغناطيسية منها:
1- أن القوة المغناطيسية تؤثر عن بعد
2- أن القوى المغناطيسية تجذب فقط المواد المغناطيسية
3- أن الأقطاب المتشابهة تتنافر و المختلفة تتجاذب
4-أن القطب الشمالي يشير نحو الشمال و الجنوبي يشير نحو الجنوب
و استطاعت أوربا اعتماداً على هذه الحقائق أن تجوب العالم مجتاحة البلدان أمامها .
و مع ذلك فشل بريغرينوس في ملاحظة أن الأرض نفسها مغناطيس . و لم يتوصل العلم إلى تلك الحقيقة إلا في عام 1600 على يد ويليام غلبرت .
أجرى غلبرت عدداً من التجارب التي فندت الحقائق و وثقها في كتابه عن المغناطيسية الذي لخص فيه معرفة عصره عن المغناطيسية و الكهربية و تعتبر دراسة غلبرت العلمية المنظمة من قبل الكثيرين أول عمل عظيم في تاريخ العلم.

آلة اخترعها غلبرت بريغرينوس عبارة عن حجر مغناطيس بيضاوي الشكل موضوع داخل صندوق خشبي موضح بداخله الجهات الأربع الأصلية و تقسيمات يبلغ عددها 360 . و وضعت الآلة داخل إناء به ماء لتحديد زاوية الشمس حيث تتم قراءة الزاوية عندما تتوقف الآلة عن الدوران
أصل المغناطيسية
إن دوران الإلكترون بالإضافة إلى قوة الدفع الزاوية للأوربيتالات ينتج عنها عزم قوة ثنائية القطب مكونة مجالاً مغناطيسياً ( كلاسيكياً يتم تمثيل الميكانيكا الكمية للدوران بكرة دوارة ذات شحنة ، أما النسخة الكمية فبها اختلافات ذات دلالة منها أنها تأخذ أوضاعاً منفصلة إلى أعلى و أسفل لا يمكن وصفها باستخدام متجه بشكل مشابه للحركة المدارية التي يتم تمثيلها في النموذج التقليدي بحلقة تيار مستمر. في الكثير من المواد (بخاصة تلك ذات الأوربيتالات الممتلئة بالإلكترونات) يكون عزم القوة في القطبين لكل الإلكترونات مساوياً للصفر ( بمعنى أن الدوران يكون في أزواج إلى أعلى و أسفل). فقط الذرات ذات الأوربيتلات الممتلئة جزئياً ( أي أن الإلكترونات لا تدور في أزواج) يمكن أن يكون لها عزم قوة مغناطيسية في غياب حقل مغناطيسي خارجي. فالمواد الفيرومغناطيسية تحتوي ذرات تدور في أوربيتالاتها إلكترونات غير مزدوجة . عندما تتراص هذه الأقطاب المغناطيسية الدقيقة في نفس الاتجاه فإنها تكون مجالاً مجهرياً يمكن قياسه.
هذه الأقطاب الثنائية الدائمة تميل إلى الاصطفاف متوازيةً مع حقل مغناطيسي خارجي في تأثير يسمى البارامغناطيسية ( هناك تأثير مشابه لهذا التأثير و لكنه أضعف يسمى الدايامغناطيسية حيث ينتج عن الحركة المدارية الناشئة عن الحقل الخارجي عزم قوة في اتجاه مضاد لهذا الحقل)
الفيرومغناطيسية تشتمل على ظاهرة إضافية حيث تميل الأقطاب إلى الاصطفاف بشكل تلقائي بدون تأثير حقل خارجي . و هذا عبارة عن تأثير محض لميكانيكا الكم.
وفقاً للكهرومغناطيسية الكلاسيكية فإن أي قطبين مغناطيسيين متقاربين سوف يميلان إلى الاصطفاف في اتجاهات متضادة ( و هذا يودي إلى تكوين مادة أنتيفيرومغناطيسية ) . أما في حالة المادة الفيرومغناطيسية وفقاً لمبدأ بولي أن أي إلكترونين في نفس المدار و الاتجاه لا يمكن أن يشغلا نفس المكان مما يقلل استجابتهما الإلكتروستاتيكية مقارنة بإلكترونين آخرين في اتجاهين متضادين. يتم التعبير عن ذلك رياضياً بشكل أكثر تحديداً باستخدام نظرية تعداد الدوران و التي تنص أنه "لأن الإلكترونات هي جسيمات تساوي قيمة دورانها نصف عدد صحيح فإن قيمة المعادلة الموجية لها تتغير إشارتها بتغير موقع هذه الجسيمات . و يمكن ملاحظة ذلك في نموذج التقريب لـ " هارتي _ فوك" لتقليل الطاقة الإلكتروستاتيكية الكامنة حيث يسمى هذا الفرق في الطاقة بـ" الطاقة التبادلية"

لماذا تكون بعض المواد مغناطيسية
اكتشف أورستيد في عام 1820 أن إبرة البوصلة المغناطيسية كانت تنحرف عند اقترابها من تيار كهربي؛ و مثل ذلك طفرة في فهم المغناطيسية قادت العالم أمبير فيما بعد إلى ملاحظة أن المجال المغناطيسي المتولد عن ملف كهربي يطابق المجال الموجود لدي المغناطيس الطبيعي.
• .

و افترض أمبير بعد ذلك أن كل التأثيرات المغناطيسية ناشئة عن دورة كهربية و أن تأثير المغناطيس في المواد لابد أنه بسبب (تيارات جزيئية) ناتجة من حركة الإلكترونات. و لكن وفقاً لهذا النموذج يكون هناك عدد محتمل من التيارات بشكل غير قابل للتطبيق كما أنه يقتضي وجود أصل آخر للمغناطيسية. هذه الآلية الثانية كانت هي الحركة الدورانية كما افترض (ديراك) في عام 01928، بعد أن توصل إلى حل كامل لمعادلات الكم النسبية التي تتحكم في حركة الإلكترونا

من الصعب تصور الحركة المغزلية للإلكترون إلا أن لها عزم قوة مغناطيسية صغير يشير إما إلى أعلى أو إلى أسفل. و في نطاق الذرة تكون الإلكترونات مرتبة في مدارات بحد أقصى إلكترونين في كل مدار يدوران في اتجاهي دوران متعاكسين ( بسبب مبدأ الاستبعاد لبولي) و هذه المدارات تتجمع في مجموعات متراصة . و في كل الذرات ماعدا ذرة الهيدروجين يوجد أكثر من إلكترون و تتفاعل هذه الإلكترونات كل منها مع الآخر كما تتفاعل مع النواة مكونة اقتراناً.
الاقتران:
كما يتضح مما سبق فإن مجموع عزوم القوة المغناطيسية يكون محصلة إسهامين لكل إلكترون هما :1 – قوة الدفع الزاوي لتحرك الإلكترون في مداره حول النواة ( بشكل أكثر تحديداً : قوة دفع النواة للإلكترون) . و هذه طبقاً لأمبير هي التيار الجزيئي و تعرف بالمساهمة المدارية.
2 – الحركة المغزلية للإلكترون نفسه.
في داخل نواة مفردة الإلكترون يعتمد إجمالي عزم القوة المغناطيسية على القوة المرتبطة بحركة الإلكترونات بالنسبة للنواة و حركتها بالنسبة لبعضها البعض و بين المدارات فيما بينها. و يلاحظ أن قوة الاقتران تكون ضعيفة في الذرات الخفيفة بل يمكن تجاهلها عند حساب إجمالي قوة الدفع الزاوي .
يمكن تحديد إجمالي عزم القوة المغناطيسية بعملية جمع بسيطة لمتجهات المجال. و تكون نتائج هذا الاقتران كالتالي: عند حساب عزم القوة في ذرة فإن تجمعات المدارات فقط تكون ذات إسهام في الناتج و هكذا فإن الإلكترونات تتراص في مجموعات مدارية بطريقة تزيد الحد الأقصى للدوران. إذا وضعنا هاتين النتيجتين معاً نرى أنه عندما تكون التجمعات المدارية نصف ممتلئة فإن الدورانات تزدوج في المدارات و يتناقص عزم القوة المغناطيسي. و هذا يفسر و جود ترتيب مغناطيسي في عناصر السلسلة الثالثة و عناصر وسط السلسلة الرابعة.

 أنواع المواد المغناطيسيةترجع المغناطيسية إلى حركة الإلكترونات في مداراتها حول النواة و طريقة استجابة كل منهل للآخر.
والطريقة الأنسب للتعرف على الأنواع المختلفة للمغناطيسية تكون بوصف استجابة المواد للحقول المغناطيسية. و قد تكون مفاجأة للبعض أن يعرف أن بعض المواد تزيد في مغناطيسيتها عن غيرها من المواد ، الفارق الوحيد هو أن بعض المواد ليس لديها استجابة لعزم القوة المغناطيسية في الذرة بينما في مواد أخرى تزداد هذه الاستجابة.
 و يمكن تقسيم المواد حسب سلوكها المغناطيسي إلى خمسة مجموعات رئيسية كالتالي:
1. المواد الدايامغناطيسية (المغناطيسية المزدوجة) (Diamagnetism)
2. المواد البارامغناطيسية (المغناطيسية المتوازية) (Para magnetism)
3. المواد الفيرومغناطيسية (المغناطيسية الحديدية ( (Ferromagnetism)
4. المواد الفيريمغناطيسية (Ferrimagnetism)
5. المواد الأنتيفيرومغناطيسية (المغناطيسية اللامتوازية)
(Antiferromagnetism)

 الخواص المغناطيسية لبعض المعادن المعروفةالمجموعة الأولى و الثانية تحتوي على مواد ليس لديها استجابة مغناطيسية و لذا فهي لا تعد مواداً مغناطيسية، بينما المجموعات الثلاث الأخيرة تندرج تحتها مواد ذات استجابة مغناطيسية واسعة المدى عند تعرضها إلى درجة حرارة حرجة.
و عادةً فإن المواد الفيرومغناطيسية و المواد الفيريمغناطيسية ( و هي التي تشبه الحديد في خصائصها) تعتبر مواد مغناطيسية في حين أن المواد في المجموعات الثلاث الباقية ذات مغناطيسية ضعيفة جداً و لذا نعتبرها عادةً مواد غير مغناطيسية.