الثلاثاء، 2 أبريل، 2013

المغناطيس – الظاهرة الدايامغناطيسة لرفع الأجسام


المغناطيس – الظاهرة الدايامغناطيسة لرفع الأجسام
image001
منذ صغري أحب ألاعيب المغناطيس، وفي الفترة الأخيرة انبهرت ببعض حركاته التي انتشرت في الأسواق، كأن تجد شيئا معلقا في الفراغ، الفكرة مثيرة، ولكنها تصبح عادية عندما تتابع معي هذا المقال الذي ترجمته لـيشرح لك طريقة من هذه الطرق.


تقديم
أن ترى شيئا معلقا في الهواء نتيجة الفعل المغناطيسي فكرة مثيرة، لكنها ليست جديدة في الواقع، وطبقت أكثر من طريقة، ونتائجها للأسف ليست دائما ممتازة، والمشكلة تعود إلى عام 1842 حيث أثبت أورنشاو (Earnshaw) رياضيا أن أي ارتفاع نتيجة الفعل المغناطيسي أو الكهربائي يحتاج إلى محور إضافي لاستقرار الجسم نتيجة القوى المطبقة من مختلف الاتجاهات.

تستطيع أن ترى هذا حين تطبيقه على الحلقات المغناطيسية. عندما تمرر بحلقتين مغناطيسيتين عودا، وتضعه بشكل عمودي، فإنك ستلاحظ أن الحلقتين ابتعدتا عن بعضها وارتفعت إحداهما للأعلى، فالعود هنا مطلوب، وهو المحور الإضافي الذي تكلم عنه أورنشاو. عند إزالته، سترى أن الحلقات عكست اتجاهها وعادت إلى الالتصاق ببعضهما، ويختفي الارتفاع الذي كان العود سببا فيه. إن الظاهرة الدايامغناطيسية تعطينا حلا بسيطا ورخيصا لهذه المشكلة، وتعطي نتائج مثيرة فعلا.

الفيرومغناطيسية
أكثر الناس يألفون المواد المغناطيسية والتي تسمى الفيرومغناطيسية مثل الحديد والفولاذ والمغانط الدائمة. هذه المواد تنجذب إلى بعضها عن طريق الحقل المغناطيسي، وتستطيع أن تحتفظ بمغناطيسيتهم بعد تعريضهم للحقل المغناطيسي.

الدايامغناطيسة
أما مواد الدايامغناطيسة فتحتوي على غرافيت الكربون، ماء، بروتين، الخشب، البزموت، الفضة، الماس والذهب. عندما تتعرض هذه المواد لحقل مغناطيسي فإنها تعطي حقلا مغناطيسيا ضعيفا في الاتجاه المعاكس. مواد الدايامغناطيسة هي المفتاح في هذه التجربة، وتعطي المحور الإضافي المطلوب للاستقرار، وسنستعمل غرافيت الكربون والبزموت هنا، لأنهم يمتلكان التأثير الدايامغناطيسي الأقوى.

الـمواد عالية التوصيل
الـمواد عالية التوصيل تعتبر مواد مثالية من مواد الدايامغناطيسة ولكنها تحتاج إلى النتروجين السائل كي تعمل.
ملاحظة: الـمواد عالية التوصيل (superconductors): مادة تسمح بمرور التيار الكهربائي فيها بسهولة، خاصة في درجات الحرارة المنخفضة. المترجم.


الخطوة 1: المواد المطلوبة
لن يكلفك هذا المشروع أكثر من 20 دولار، طبعا لن تستطيع أن تجد كامل المواد محليا، لذا فقط وضعتُ روابط واقتراحات للبحث في محرك البحث Google، بحيث تحصل على أي مادة عن طريق الإنترنيت.
1.     كتلتين (صفيحتين) من غرافيت الكربون بمساحة 1.5 إنش، وسماكة 0.25 إنش: يستعمل غرافيت الكربون عادة في المحركات والمولدات الكهربائية، وله أكثر من نوع، أما الأفضل فهو غرافيت الكربون المتحلل بالحرارة، وبكل الأحوال، البائع الذي ستشتري منه سيخبرك بأنواعها.
2.     مغناطيس صغير: هذا المغناطيس يجب أن يكون تركيبه من نوع (NdFeB) وعلى الأقل بدرجة N40. لا ضير إن كان شكله مكعبا أو دائريا، ويجب أن يكون صغيرا جدا للحصول على نتائج جيدة، والمغناطيس الذي سنستعمله هنا هو بحجم 1/8 إنش مكعب وبدرجة N40.
3.     مغناطيس كبير للرفع: هذا المغناطيس يعاكس قوة الجاذبية الأرضية لكي يسمح للقوة الدايامغناطيسية بالعمل، وليس مطلوب منها أن تكون قوية جدا، استعملنا هنا مغناطيس فريتي (سيراميكي) حلقي بقطر 1.5 إنش بسماكة 3/4 إنش.
4.     الحامل: لقد صنعناه من الخشب، (الخطوة 2) وتصميمه هنا يساعد على تعديل المسافات، حيث أن القلوظة الدقيقة والصغيرة للقضيب الفولاذي المسنن (كما هو واضح في الخطوة 2) يساعد على إجراء تعديلات صغيرة في المسافة بين مغناطيس الرفع الكبير والصفائح الغرافيتية.

ملاحظةNdFeB هي اختصار للتسمية  neodymium-iron-boron.


الخطوة 2: بناء الحامل
كما قلنا سابقا هو مصنوع من الخشب. وتصميمه يساعد على إجراء تعديلات دقيقة في المسافة عن طريق القضيب المسنن.

قمت بتثبيت قطع الحامل ببعضها عن طريق مادة لاصقة، وهذه النقطة مهمة، حيث لا يجب أن تثبت قطع الحامل الخشبي بأي براغي أو مسامير كي لا تؤثر على الحقول المغناطيسية الناشئة باعتبارها مواد معدنية.

أما القضيب الفولاذي المسنن فليس له ذلك التأثير الكبير، فهو قريب فقط من مغناطيس الرفع كما أنه مفصول عن هذا المغناطيس بقطعة خشبية أخرى.

يجب أن لا يتجاوز كامل طول الحامل الخشبي أكثر من 1 قدم، والمسافة بين مغناطيس الرفع والكتل الكربونية تعتمد على نوع المغناطيس المستخدم، لكن المسافة ستكون حوالي 3 – 5 إنش.
image002 


الخطوة 3: عملية الرفع
image003
تستطيع الآن أن تقوم بالمحاولة.
1.     أدر القضيب المسنن لإبعاد مغناطيس الرفع قدر ما تستطيع عن الصفائح الغرافيتية.
2.     يجب أن تكون أنت على نفس مستوى الحامل، كأن تضعه على طاولة.
3.     لا تستعمل حاليا الكتلة الغرافيتية العليا، ضعها جانبا الآن، وقم بتنظيفها من أي جزيئات معدنية قد تعلق بها.
4.     ضع القطعة المغناطيسية الصغيرة والمكعبة (NdFeB) على الكتلة الغرافيتية السفلية. الشكل3. وقم بتقريب مغناطيس الرفع منه عن طريق تدوير القضيب المسنن، سترى أنه يبدأ بالحركة محاولا الطفو عند اقتراب مغناطيس الرفع منه.
5.     إذا تابعت بتقريب مغناطيس الرفع منه لمسافة قريبة جدا سترى إنه يقفز ويلتصق بمغناطيس الرفع، وحتى لا تتسبب في كسر المغناطيس الصغير أنصح أن تلف مغناطيس الرفع أما بقطعة جلد أو قماش.
6.     قد تستغرق العملية بعض الوقت، وذلك لأن تقريب مغناطيس الرفع يجب أن يتم بدقة وبتعديلات صغيرة ولكن في النهاية ستتم عملية الطفو.


الخطوة 4: استعمال الكتلة (الصفيحة) الغرافيتية الأخرى
image004
1.     ضع الآن الصفيحة الغرافيتية الثانية، وعاود التجربة مرة أخرى بحيث يكون المغناطيس الصغير متوضع بين صفيحتي الغرافيت.
2.     ستقوم الصفيحة الغرافيتية العليا بصد المغناطيس من الأعلى، كي لا يقفز إلى مغناطيس الرفع.
3.     بهذه الحالة يجب أن يصل ارتفاع المغناطيس الصغير إلى الضعف، أي حوالي 1/16 –1/32 إنش.
4.     كلما كان المغناطيس الصغير ذو قوة مغناطيسية أكبر، كان الارتفاع أكبر. وكلما كان غرافيت الكربون أقوى دايامغناطيسيا كان الارتفاع أكبر.
5.     لا ينصح أن يكون المغناطيس الصغير كبيرا، لصعوبة الطفو، لذا الأفضل أن تستعمله بحجم1/8 إنش أو أصغر.


الخطوة 5: ماذا يحدث هنا
إذا أخذت عودا صغيرا ونفخت على طرف المغناطيس الصغير، ستراه يهتز، والاهتزاز سيبقى لعدة دقائق. يمكنك مشاهدة مقطع فيديو يوضح العملية على الرابط التالي:


فما الذي يحدث هنا بالضبط؟
القوة الدايامغناطيسية صغيرة جدا مقارنة بالقوة الفيرومغناطيسية. مغناطيس الرفع ببساطة يقاوم قوة الجاذبية الأرضية، قوى الجاذبية الأرضية المطبقة على المغناطيس الصغير تكون أكبر بكثير من القوة الدايامغناطيسية. لكن عندما تزال قوة الجاذبية الأرضية عن طريق مغناطيس الرفع، سترى أن القوى الدايامغناطيسية قد بدأت بالعمل. حيث يقوم المغناطيس الصغير بإدخال الحقل المغناطيسي إلى داخل الصفائح الغرافيتية، والتي ترسل نفس الحقل بالاتجاه المعاكس مسببةً رفع المغناطيس الصغير.


الخطوة 6: طرق أخرى
image005 
فيما يلي تجارب أخرى عن عملية الرفع، حيث يمكنك أن تأخذ شريحة صغيرة من غرافيت الكربون وتجعلها تطفو فوق مجموعة كتل مغناطيسية من نوع NdFeB، الشكل 5، وهنا لا يستعمل مغناطيس رفع. وقد استعملنا هنا مجموعة مغانط مكعبة الشكل مرتبة كما يلي:NS قطب شمالي – قطب جنوبي.SN قطب جنوبي – قطب شمالي.

حيث قمنا بقطع الشريحة المغناطيسية عن طريق منشار، ثم قمنا بصقلها عن طريق الورق الزجاجي.
من الخيارات الأخرى استعمال البزموت، والذي يعتبر أيضا من المواد الدايامغناطيسية، تتوفر هذه المادة في قذائف بواريد الصيد، حيث قمنا بصهره وتشكيله من جديد، إنه يعمل كغرافيت الكربون، لكنه أغلى، الشكل 6 – b.
image006 


الخطوة السابعة: المصادر
أنا أعمل في شركة مغانط، وكل هذه المواد متوفرة لدينا، لمن يريد أن يشتري أو يطلب. وهناك الكثير من المحال التجارية التي تتعامل مع المواد المطلوبة لهذه التجربة، بالإضافة إلى إنها تمتلك نماذج جاهزة من التجربة، لكن سيكون الأمر مثيرا لو قمت بالتجربة بنفسك. تستطيع أن تحصل على جميع المواد المطلوبة للتجربة من شركتنا، وتستطيع أن ترى كامل صفحات التجربة على موقعنا:wondermagnet.com

أو فقط قم بالبحث في Google عن: diamagnetic levitation الرفع الدايامغناطيسي. لتحصل على نتائج مدهشة أكثر، تستطيع ان تستعمل المواد عالية التوصيل وسعرها لا يتجاوز 40 دولار، لكن ستحتاج هنا إلى النتروجين السائل. العملية ليس صعبة، لكنها خطرة، فقبل أن تقوم بالتجربة يجب أن تتطلع على كيفية استعمال النتروجين السائل، قبل محاولة أي تجربة مع السوبركنداكتور.


مصطلحات المقال
العربية
الإنجليزية
الفرنسية
الظاهرة الدايامغناطيسة
Diamagnetic Levitation
Lévitation diamagnétique
الفيرومغناطيسية
Ferromagnetic
Ferromagnétique
مغناطيس رفع
Lifting magnet
Aimant de levage
الصفائح الغرافيتية
Graphite plates
Plaques de graphite
الـمواد عالية التوصيل
Superconductors
Supraconducteurs


تأليف

ليست هناك تعليقات:

إرسال تعليق