يبدو المغناطيس قادرا على جذب المعادن بسهولة، فهو يلتصق بباب الثلاجة، ويجذب قطع الحديد والنيكل بقوة. لكن عند تقريبه من ملعقة مصنوعة من الألومنيوم أو قطعة نقدية من النحاس، لا يحدث شيء مماثل، إذ لا يلتصق أي منهما بالمغناطيس.
يكشف هذا الاختبار البسيط أن القوة المغناطيسية لا تؤثر بالطريقة نفسها في جميع المعادن، فبعضها ينجذب بقوة، وبعضها ينجذب بدرجة ضعيفة للغاية، بينما تتعرض معادن أخرى لتنافر مغناطيسي طفيف.
وتفسر الفيزياء هذه الاختلافات من خلال الخصائص المغناطيسية للمواد، التي تحدد كيفية تفاعل ذراتها وإلكتروناتها مع المجال المغناطيسي.
لماذا يجذب المغناطيس الحديد ولا يجذب النحاس والألومنيوم؟ تفسير علمي بسيط
ثلاثة أنواع من السلوك المغناطيسي
تقسم المعادن وفقا لخصائصها المغناطيسية إلى ثلاث مجموعات رئيسية: المعادن الحديدية المغناطيسية، والمعادن البارامغناطيسية، والمعادن الديامغناطيسية.
1: المعادن الحديدية المغناطيسية: انجذاب قوي
تتميز هذه المعادن بقدرتها على التمغنط بدرجة كبيرة، وتشمل الحديد والكوبالت والنيكل والغادولينيوم.
وتحتوي ذرات هذه المواد على إلكترونات غير مزدوجة، كما توجد داخلها مناطق مجهرية تصطف فيها العزوم المغناطيسية في اتجاه واحد.
وعندما تتعرض هذه المواد لمجال مغناطيسي خارجي، تصطف هذه المناطق بسهولة في اتجاه المجال، ما يجعل المعدن نفسه يتحول إلى مغناطيس.
ولهذا السبب ينجذب الحديد والنيكل والكوبالت بقوة إلى المغناطيس، على عكس معظم المعادن الأخرى.
2: المعادن البارامغناطيسية: انجذاب ضعيف
تنجذب هذه المعادن إلى المغناطيس بدرجة ضعيفة، وتشمل الألومنيوم والكروم والتيتانيوم ومعظم عناصر مجموعة اللانثانيدات.
وتحتوي ذراتها أيضا على إلكترونات غير مزدوجة، لكن العزوم المغناطيسية لهذه الإلكترونات تكون موزعة في اتجاهات مختلفة عند غياب المجال المغناطيسي الخارجي، بحيث يعوض بعضها تأثير بعض.
وعند تعرض المعدن لمجال مغناطيسي، تصطف هذه العزوم جزئيا في اتجاه المجال، فيحدث انجذاب ضعيف للغاية.
وتكون هذه القوة محدودة إلى درجة يصعب معها ملاحظتها في الظروف اليومية العادية.
3: المعادن الديامغناطيسية: تنافر مغناطيسي طفيف
على عكس المجموعتين السابقتين، لا تنجذب هذه المعادن إلى المغناطيس، بل تتعرض لتنافر ضعيف للغاية.
وتشمل النحاس والبزموت والقصدير.
وتتميز ذرات هذه المعادن بأن إلكتروناتها تكون مزدوجة، ولا تمتلك عزما مغناطيسيا دائما.
وعندما تتعرض لمجال مغناطيسي خارجي، ينشأ داخل ذراتها تيار كهربائي ضعيف يؤدي إلى توليد مجال مغناطيسي معاكس للمجال الخارجي، ما ينتج عنه تنافر طفيف مع المغناطيس.
لكن هذا التنافر يكون ضعيفا إلى درجة لا يمكن ملاحظته في الظروف اليومية المعتادة.
لماذا يبدو الألومنيوم أحيانا وكأنه ينجذب إلى المغناطيس؟
عند تقريب مغناطيس قوي مصنوع من النيوديميوم من صفيحة ألومنيوم وتحريكها بسرعة، يمكن الشعور بمقاومة تعيق حركتها.
ورغم أن الصفيحة لا تلتصق بالمغناطيس، فإن حركتها تصبح أبطأ، وقد يبدو الأمر وكأن الألومنيوم يتفاعل مغناطيسيا معه.
لكن هذه الظاهرة لا ترتبط بالبارامغناطيسية، بل تحدث نتيجة ظاهرة فيزيائية مختلفة تعرف باسم التيارات الدوامية.
فعندما يتحرك المغناطيس بالنسبة إلى موصل كهربائي، يتغير التدفق المغناطيسي عبر المعدن. ووفقا لقانون لينز، ينشأ داخل المعدن تيار كهربائي مستحث يولد مجالا مغناطيسيا يعارض التغير الذي تسبب في نشأته.
وفي الألومنيوم والنحاس، تتحرك هذه التيارات ضمن مسارات مغلقة تشبه الحلقات، ولذلك تسمى التيارات الدوامية.
وتولد هذه التيارات قوة تعارض الحركة النسبية بين المغناطيس والمعدن، ما يؤدي إلى إبطائها.
تجربة ريتشارد فاينمان: حلقة ألومنيوم ترتفع في الهواء
شرح الفيزيائي الأمريكي ريتشارد فاينمان في كتابه «محاضرات فاينمان في الفيزياء» تجربة شهيرة تستخدم حلقة من الألومنيوم توضع عند نهاية مغناطيس كهربائي.
وعندما يمر تيار كهربائي متناوب عبر المغناطيس الكهربائي، ترتفع الحلقة في الهواء.
ويحدث ذلك لأن المجال المغناطيسي المتغير يولد تيارا كهربائيا داخل الحلقة، وينشئ هذا التيار بدوره مجالا مغناطيسيا خاصا به، يؤدي إلى تنافر الحلقة مع المغناطيس الكهربائي.
وإذا قطعت الحلقة، تختفي هذه الظاهرة، لأن التيار الكهربائي لن يعود قادرا على الدوران ضمن مسار مغلق، وبالتالي لن ترتفع الحلقة في الهواء.
وتوضح هذه التجربة أن سبب حركة الحلقة ليس الخصائص المغناطيسية للألومنيوم نفسه، بل التيار الكهربائي المستحث الذي ينشأ داخله.
تجربة الحلقة القافزة لإليهو طومسون
أجرى العالم إليهو طومسون تجربة مشابهة خلال القرن التاسع عشر، إذ استخدم حلقة مصنوعة من النحاس أو الألومنيوم ووضعها فوق أحد أقطاب مغناطيس كهربائي يعمل بتيار متناوب.
وعند تشغيل المغناطيس الكهربائي، كانت الحلقة تقفز إلى الأعلى بفعل التفاعل بين المجال المغناطيسي المتغير والتيارات الكهربائية المستحثة داخلها.
وأصبحت هذه الظاهرة تعرف باسم «الحلقة القافزة» (Jumping Ring)، وهي من التجارب الفيزيائية التي توضح كيفية تأثير المجالات المغناطيسية المتغيرة في المواد الموصلة للكهرباء.
ماذا يحدث عند إسقاط مغناطيس داخل أنبوب نحاسي؟
يقدم إسقاط مغناطيس قوي داخل أنبوب نحاسي عمودي مثالا أكثر وضوحا على تأثير التيارات الدوامية.
فعندما يسقط المغناطيس داخل الأنبوب، تكون سرعته أبطأ بكثير من سرعة سقوطه في الهواء، رغم أن النحاس لا ينجذب إلى المغناطيس.
ويرجع ذلك إلى أن حركة المغناطيس داخل الأنبوب تؤدي إلى توليد تيارات دوامية في جدرانه، وهذه التيارات تنشئ مجالا مغناطيسيا يعارض حركة المغناطيس ويعمل على إبطائها.
وتتناسب قوة الكبح الناتجة عن هذه الظاهرة مع سرعة سقوط المغناطيس، ولذلك يصل بعد فترة قصيرة إلى سرعة ثابتة تقريبا، ويواصل الهبوط ببطء وسلاسة.
أما عند استخدام أنبوب مصنوع من الألومنيوم، فتكون الظاهرة أضعف مقارنة بالنحاس، لكنها تظل قابلة للملاحظة.
وتعرض هذه التجربة كثيرا في المتاحف العلمية، لأنها توضح أن التفاعل بين المعادن والمغناطيس لا يقتصر على الانجذاب أو التنافر.
فالنحاس معدن ديامغناطيسي، لكن أبرز تأثير يظهر عند تحرك مغناطيس بالقرب منه هو إبطاء الحركة بفعل التيارات الدوامية، وليس انجذابه إلى المغناطيس.
الخلاصة: ليست كل المعادن قابلة للانجذاب إلى المغناطيس
تؤكد هذه الظواهر الفيزيائية أن المغناطيس لا يجذب جميع المعادن بالطريقة نفسها، إذ تختلف استجابة كل معدن وفقا لتركيبه الذري وخصائصه المغناطيسية.
* الحديد والكوبالت والنيكل: تنجذب بقوة إلى المغناطيس.
* الألومنيوم والتيتانيوم: تنجذب بدرجة ضعيفة للغاية، لا يمكن ملاحظتها عادة في الحياة اليومية.
* النحاس والبزموت: تتعرض لتنافر مغناطيسي طفيف بدلا من الانجذاب.
وفي المقابل، عندما يتحرك معدن موصل للكهرباء داخل مجال مغناطيسي، يمكن أن تتولد فيه تيارات دوامية تعمل على إبطاء حركته، حتى لو لم يكن من المعادن التي تنجذب إلى المغناطيس.
وهذا يفسر لماذا لا تلتصق ملعقة الألومنيوم بالمغناطيس، بينما يمكن للمغناطيس أن يسقط ببطء شديد داخل أنبوب نحاسي.
