دانلود تحقیق مغناطیس

علم مغناطیس از این مشاهده که برخی سنگها (ماگنتیت) تکه‌های آهن را جذب می کردند سرچشمه گرفت.

واژه مغناطیس از ماگنزیا یا واقع در آسیای صغیر ، یعنی محلی که این سنگها در آن پیدا شد، گرفته شده است.

زمین به عنوان آهنربای دائمی بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روی عقربه قطبهای آهنربا ، از زمانهای قدیم شناخته شده است.

در سال 1820 اورستد کشف کرد که جریان الکتریکی در سیم نیز می‌تواند اثرهای مغناطیسی تولید کند، یعنی می‌تواند سمت گیری عقربه قطب نما را تغییر دهد.

در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکینز متوجه شد که یک جسم باردار در حال حرکت (که آزمایش او ، یک قرص باردار در حال دوران سریع) نیز منشاأ اثرهای مغناطیسی است.

در واقع معلوم نیست که بار متحرک هم ارز جریان الکتریکی در سیم باشد.

جهت مطالعه زندگینامه علمی رولاند فیزیکدان برجسته آمریکایی به کتاب زیر مراجعه شود: Phusics by John D.Miller,Physics Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتریسیته و مغناطیس تا سال 1820 به موازات هم تکامل می یافت اما کشف بنیادی اورستد و سایر دانشمندان سبب شد که الکترومغناطیس به عنوان یک علم واحد مطرح شود.

برای تشدید اثر مغناطیسی جریان الکتریکی در سیم می‌توان را به شکل پیچه‌ای با دورهای زیاد در آورد و در آن یک هسته آهنی قرار داد.

این کار را می‌توان با یک آهنربای الکتریکی بزرگ ، از نوعی که معمولا در پژوهشگاههای برای کارهای پژوهشی مربوط به مغناطیس بکار می‌رود، انجام داد.

تولد میدان مغناطیسی دومین میدانی که در مبحث الکترومغناطیس ظاهر می شود، میدان مغناطیسی است.

این میدانها و به عبارت دقیقتر آثار این میدانها از زمانهای بسیار قدیم ، یعنی از همان وقتی که آثار مغناطیسهای طبیعی سنگ آهنربا (Fe3O4 یا اکسید آهن III) برای اولین بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند.

خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی و اکتشاف گذاشت با وجود این، جز در این مورد مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر نیز شناخته شده بود، تا اینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند.

این کار تواأم با کارهای بعدی گاؤس ، هنری .

فاراده و دیگران نشان دادند که این شراکت واقعی بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی وجود دارد و این دو توأم تحت عنوان میدان الکترومغناطیسی حضور دارند.

به عبارتی این میدانها به طرز جدایی ناپذیری در هم آمیخته شده‌اند.

حوزه عمل و گسترش میدان مغناطیسی تلاش مردان عمل به توسعه ماشینهای الکتریکی ، وسایل مخابراتی و رایانه‌ها منجر شد.

این وسایل که پدیده مغناطیسی در آنها دخیل است نقش بسیار مهمی در زندگی روزمره ایفا می‌کنند.

با گسترش و سریع علوم از اعتبار این علوم اولیه کاسته نمی‌شود و همیشه سازگاری خود را با کشفیات جدید حفظ می‌کند.

مغناطیس های طبیعی و مصنوعی بعضی از سنگهای آهن یاد شده در طبیعت خاصیت جذب اشیای آهنی کوچک ، مانند براده‌ها یا میخهای مجاور خود را دارند.

اگر تکه‌ای از چنین سنگی را از ریسمانی بیاویزیم ، خودش را طوری قرار می‌دهد که راستایش از شمال به جنوب باشد، تکه‌های چنین سنگهایی به آهنربا یا مغناطیس معروف است.

یک تکه آهن یا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا یا مغناطیده می‌شود، یعنی توانایی جذب اشیای آهنی را کسب می‌کند.

خواص مغناطیسی این تکه آهن یا فولاد هر چه به آهنربا نزدیکتر باشد، قویتر است.

وقتی که تکه‌ای از آهن و آهنربا با یکدیگر تماس پیدا کنند ، مغناطش یا آهنربا شدگی به مقدار ماکزیمم (میخ آهنی که به آهنربا نزدیک شود خاصیت آهنربایی پیدا می‌کند و براده‌های آهنربا را جذب می‌کند) می‌باشد.

هنگامی که آهنربا دور شود، تکه آهن یا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زیادی از خواص مغناطیسی بدست آورده را از دست می‌دهند، ولی باز هم تا حدی آهنربا می‌مانند.

از اینرو به آهنربای مصنوعی تبدیل می‌شوند و همان خواص آهنربای طبیعی را دارد.

این پدیده را می‌توان با آزمایش ساده‌ای به اثبات رسانید.

خاصیت آهنربایی که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پیدا می‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقی می‌ماند، مغناطش موقت نامیده می‌شود.

آزمایشهایی از این نوع نشان می‌دهد که مغناطش بازمانده خیلی ضعیفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکی از آن است.

هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده برای درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است.

مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاری شده از آهن نرم و فولاد تابکاری نشده به مقدار زیادی قویتر است.

بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ویژه درجاتی از آن که شامل مثلا آمیزه کبالت است، خیلی قویتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است.

در نتیجه ، اگر دو میله یکسان ، یکی ساخته شده از آهن نرم و دیگری از فولاد را اختیار کنیم و آنها را در مجاورت آهنربای یکسانی قرار دهیم ، میله آهن نرم قویتر از فولاد آهنربا می‌شود.

ولی اگر آهنربا را دور کنیم، میله آهن نرم تقریبا بطور کلی مغناطیده می‌شود، در حالیکه میله فولاد مقدار قابل توجهی از خاصیت آهنربایی اولیه خود را حفظ می کند.

در نتیجه ، آهنربای دائمی از میله فولادی از میله آهنی خیلی قویتر است.

به این دلیل آهنرباهای دائمی را از درجات خاصی از فولاد درست می‌کنند نه از آهن.

آهنربا های مصنوعی که بطور ساده با قرار دادن تکه‌ای فولاد در نزدیکی یک آهنربا یا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعیف هستند.

آهنرباهای قویتر را با مالیدن تیغه فولادی با آهنربا در یک جهت بدست می‌آورند.

البته در این حالت نیز آهنرباهایی که بدست می‌آید که از آهنربایی که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعیفتر است.

هر نوع ضربه یا تکانی در طول مغناطش عمل را آسانتر می‌کند.

برعکس تماس دادن آهنربای دائمی با تغییر ناگهانی و زیاد دمای آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.

وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمی که آهنربا می‌شود نیز بستگی دارد.

میله‌های نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقریبا به کلی خاصیت آهنربایی را از دست می‌دهند.

با وجود این ، اگر همین آهن را برای ساختن سیمی به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بریم، این سیم (ناپیچیده) خاصیت مغناطیسی خود را به مقدار زیادی حفظ خواهد کرد.

مغناطیس گرانشی Gravitomagnetisem فضا پیمای Gravity Probe B or GPB بیستم آوریل 2004 زمین را برای جستجوی نیرویی از طبیعت که در وجودش تردید است، ترک کرده است.

این نیرو که هیچ وقت ثابت نشده مغناطیس گرانشی یا Gravitomagnetisem نامیده می شود.

مغناطیس گرانشی بوسیله ستاره ها یا سیاره هایی که به دور خود می چرخند تولید می شود.

کلیر فرد ویل از دانشگاه واشنگتن می گوید " از نظر شکل شبیه یک میدان مغناطیسی است که توسط یک کره (توپ) باردار در حال چرخش تولید می شود" بار را با جرم جایگزین کنید می شود مغناطیس گرانشی ما در حالی که زندگی می کنیم، مغناطیس گرانشی را احساس نمی کنیم.

اما بر طبق نظریه عام اینشتین این حقیقت دارد وقتی که یک ستاره یا سیاه چاله یا هر چیزی که جرم زیادی دارد به دور خود می پیچد فضا و زمان اطراف را به دور خود می کشد.

عملی به نام کشش چارچوب Frame dragging ساختار فضا - زمان مثل یک گرداب پیچیده می شود.

انیشتین به ما می گوید تمام نیروهای گرانشی هم ارز با خم شدن (پیچیده شدن) فضا-زمان است که مغناطیس گرانشی است.

مغناطیس گرانشی چه کار می کند؟

ویل می گوید " می تواند مدار اقمار را منحرف کند و باعث شود که ژیروسکوپ قرار داده شده در زمین بلرزد.

هر دو پدیده خیلی کوچک هستند و اندازه گیری آن سخت است.

محققان تحت رهبری اگنا کیوفلینی Ignazio ciufolini فیزیکدان سعی می کنند انحراف مسیر اقماری را که مغناطیس گرانشی آن را ایجاد می کن آشکار کنند.

برای مطالعه این دو پدیده (پدیده های مورد بحث ویل) آنها از ماهواره های لیزری ژئودینامیکی Lagoes استفاده کردند.

دو کره با قطر 60 سانتیمتر که آینه هایی روی آنها کار گذاشته شده است.

دسته بندی لیزرهای دقیق از هر دو نوع مدارهایشان را نشان می دهد.

اما یک مشکل وجود دارد: تحدب ناحیه استوایی باعث انحرافی بیلیون ها بار بزرگتر از مغناطیس گرانشی زمین می شود.

آیا کیوفولینی برای یافتن مغناطیس گرانشی این کشش بزرگ را با دقت کافی کم می کند؟

ویل می گوید دانشمندان زیادی نتایج کیوفولینی را پذیرفتند در حالی که دیگران شک دارند.

GPB که توسط دانشگاه استنفورد و ناسا توسعه داده شده، آزمایش را به گونه دیگری و با استفاده از ژیروسکوپ انجام داده است.

فضا پیما زمین را در مدار قطبی به ارتفاع 400 مایل دور می زند.

چهار ژیروسکوپ وجود دارد که هرکدام یک کره یا یک گوی به قطر 1.5 اینچ است که در خلا معلق اند و ده هزار بار در دقیقه می چرخند.

اگر معادلات انیشتین درست باشد و مغناطیس گرانشی واقعی باشد، ژیروسکوپ های در حال چرخش باید هنگامی که زمین را دور می زنند بلرزند.

کم کم محور دورانشان جا بجا می شود، تا یک سال دیگر محور دورا ژیروسکوش ها در حدود 42 mili-arc second از جایی که آنها شروع کردند دور می شوند.

GPB می تواند این زاویه را با دقت 0.5 mili-arc second یا حدود یک درصد اندازه بگیرد.

هرچند زاویه اندازه گیری شده mili-arc second خیلی جوچک است، این را در نظر بگیرید که یک arc second برابر با یک درجه است.

یک mili-arc second هزار بار از arc second کوچکتر است.

مقدار 0.5 mili-arc second انحراف مورد انتظار در GPB هم ارز با این است که بخواهیم ضخامت یک ورق کاغذ را از فاصله ضد مایلی اندازه گیری کنیم.

حس کردن این مقدار به این کوچکی چالش بزرگی است.

دانشمندانی که روی GPB کار می کردند باید تکنوژی های جدیدی کاملی را برای آن اختراع می کردند.

فیزیکدانان هم نگران و هم هیجان زده هستند.

نگران برای این که شاید مغناطیس گرانشی آنجا نباشد.

نظریه انیشتین می تواند غلط باشد ( احتمالی که اکثراً دوستش ندارند) و این باعث تحولی در فیزیک خواهد بود.

و به همین دلیل آنها هیجان زده نیز هستند.

هر کسی خواستار این است که در پیشرفت بزرگ بعدی علم مقدم باشد، و پیش دستی کند.

نزدیک زمین مغناطیس گرانشی ضعیف است به خاطر همین است که ژیروسکوپ های GPB فقط 42 mili-arc second تکان می خورند.

اما در جاهایی از عالم این میدان قوی است.

برای مثال در نزدیکی یک سیه چاله یا یک ستاره نوترونی.

یک ستاره نوترونی نوعی جرمی در حدود خورشید دارد اما قطر آن 10 کیلمتر است و چند هزار بار سریع تر از زمین به دور خودش می چرخد.

بنابراین مغناطیس گرانشی در آنجا خیلی قوی خواهد بود.

اخترشناسان احتمالاً آثار مغناطیس گرانشی را قبلاً مشاهده کرده اند.

بعضی سیاه چاله ها و ستاره های نوترونی جت های روشنی از ماده و با سرعتی نزدیک نور به بیرون دارند.

این جت ها در صورتی که از قطب های یک شئی چرخنده نشات بگیرند جفتی و مختلف الجهت هستند.

نظریه پردازان تصور می کنند جت ها توسط مغناطیس گرانشی قدرت می گیرند.

بعلاوه سیاه چاله ها بوسیله دیسکی از ماده به نام accretion disk دارند و به قدری داغ است که تابش اشعه X طیف الکترومغناطیسی ساتع می کند.

شواهدی وجود دارد که توسط تلسکوپ های اشعه ایکس نظیر Nasa's chandra X ray obsevatiry جمع شده و می گوید این دیسک ها می لرزند.

ژیروسکوپ های GPB هم انتظار همین را می کشند.

اینجا در منظومه شمسی ما، مغناطیس گرانشی در بهترین حالت می توان گفت که ضعیف است.

سئوالی پیش می آید: بعد از آنکه مغناطیس گرانشی را پیدا کردیم چه کنیم؟

سئوالی شبیه این بارها در قرن 19 پرسیده شده بود.

وقتی که ماکسول، فارادی و دیگران الکترومغناطیس را بررسی می کردند.

چه استفاده ای دارد؟

امروز ما توسط فواید تحقیقات آنها محاصره شده ایم: چراغ، کامپیوتر، ماشین لباسشویی، اینترنت و غیره مغناطیس گرانشی برای چه خوب است؟

آیا این فقط رخداد مهمی در راه طولانی جستجوی طبیعی ما برای فهم طبیعت است؟

یا چیزی غیر قابل تصود: زمان خواهد گذشت.