مغناطیس و الكتریسیته تاریخی طولانی و درازی دارند. الكتریسیته و مغناطیس ابتدا در قرن هشتم قبل از میلاد مورد توجه یونانیان باستان قرار گرفتند. مهمترین عاملی كه موجب جذب و توجه مردم به الكتریسیته ومغناطیس شد، دو ماده طبیعی كهربا و كانی مگنتیت(سنگ مغناطیس) بود. كهربا، شیره برخی از درختانی است كه چوب نرمی دارند؛ هنگامی كه این شیره از درخت بیرون می آید، پس از مدتی سفت می شود. این جامد سفت كه رنگی بین قهوه ای و زرد دارد، كهرباست. و اگر كهربا را به پارچه ای بمالیم، باردار شده و می تواند تكه های برگ یا كاغذ را جذب كند.

مغناطیس و الكتریسیته تاریخی طولانی و درازی دارند. الكتریسیته و مغناطیس ابتدا در قرن هشتم قبل از میلاد مورد توجه یونانیان باستان قرار گرفتند. مهمترین عاملی كه موجب جذب و توجه مردم به الكتریسیته ومغناطیس شد، دو ماده طبیعی كهربا و كانی مگنتیت(سنگ مغناطیس) بود. كهربا، شیره برخی از درختانی است كه چوب نرمی دارند؛ هنگامی كه این شیره از درخت بیرون می آید، پس از مدتی سفت می شود. این جامد سفت كه رنگی بین قهوه ای و زرد دارد، كهرباست. و اگر كهربا را به پارچه ای بمالیم، باردار شده و می تواند تكه های برگ یا كاغذ را جذب كند.
سنگ مغناطیس، همان اكسید آهن است؛ كه براده های آهن را جذب می كند. سنگ های مغناطیسی می توانند یكدیگر را جذب كنند. و علت این نامگذاری آنست كه این سنگ در منطقه ای به نام “مگنزیا” یا “مغناطیس” برای نخستین بار كشف شد. كه به ماهیت این سنگ، مغناطیس گفته می شود. اگر یك تكه از این سنگ ها را بر روی آب شناور كنیم، جهت آن در راستای شمال-جنوب قرار می گیرد. همین خاصیت سنگ مغناطیسی سبب شد كه در قرون گذشته دریانوردان از آن بعنوان جهت یاب استفاده كنند.
دموكریتوس، كه یكی از فلاسفه بزرگ باستان و بنیانگذار تئوری اتمی است، معتقد است كه میان سنگ مغناطیسی جریانی از ذرات بسیار ریز به نام اتم وجود دارد. و در این جریان هنگامی كه اتم به آهن یا سنگ مغناطیسی دیگر برخورد می كند، در برگشت به سوی سنگ مناطیس، سبب می شود كه آهن را به دنبال خود بكشاند. ویلیام گیلبرت یكی از نخستین دانشمندانی است كه در زمینه مغناطیس دست به آزمایش ها و بررسی های اساسی كرد. او مشاهده كرد كه 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 كه علت این امر آنست كه زمین یك سنگ مغناطیس بسیار بزرگیست كه اینگونه عمل می كند. او برای اثبات نظریه خود، یك سنگ مغناطیس را به صورت یك كره بزرگ در آورد و سپس در اطراف و بر روی سطح این كره، سنگ های مغناطیسی كوچك و براده های آهنی قرار داد و مشاهده كرد كه این براده ها در راستای شمال-جنوب قرار می گیرند.
قبل از اینكه به بحث در مورد خطوط و میدان مغناطیسی آهنربا و زمین بپردازیم، لازم است كه به قطب های مغناطیسی و خاصیت آن اشاره ای كنیم.
 

 

در آهنربا یا همان سنگ مغناطیسی، دو ناحیه وجود دارد كه نسبت به سایر نقاط دیگر آهنربا، خاصیت جذب براده های آهن بیشتر و راستای این براده ها به سمت این نواحی است. كه به این دو ناحیه، قطب های مغناطیسی می گویند. اگر آهنربا را شناور قرار دهیم، قطبی كه 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 تشكیل شده است. در مغناطیس مانند الكتریسیته، قطب های ناهمنام یكدیگر را جذب و قطب های همنام یكدیگر را دفع می كنند. پس در خاصیت مغناطیسی، نیروی دفع وجذب نیز وجود دارد. آزمایش ها نشان می دهد كه اگر در اطراف یك آهنربا، قطب نما یا سنگ های مغناطیسی كوچك قرار دهیم، نیروی حاصله از مغناطیس بر قطب های آن ها اثر گذاشته، به طوری كه قطب شمال قطب نما به سمت قطب جنوب آهنربا و بلعكس قرار می گیرد. و این نشان می دهد، كه در نقاط اطراف آهنربا، نیرویی وجود دارد كه بر قطب های قطب نما وارد می شود و آن را در راستای مشخصی قرار می دهد. كه به مجموعه ای از این نیروها یا نقاط، میدان مغناطیسی می گویند. میدان مغناطیسی اطراف آهنربا را توسط خطوطی نشان می دهند كه این خطوط قطب جنوب(s) را به قطب شمال(n) وصل می كند. و جهت این خطوط از شمال(n) به جنوب(s) است. خطوط میدان مغناطیسی ویژگی هایی دارند كه عبارتند از:
۱) خطوط همانطور كه قبلا گفته شد راستاو جهتشان از شمال به جنوب است.
۲) خطوط یكدیگر را قطع نمی كنند.
۳) تراكم خطوط در نزدیكی قطب ها بیشتر از نواحی دیگر است و این نشان دهنده آن است كه نیروی مغناطیسی در این نواحی زیاد است.
۴) برآیند نیروهای مماس بر خطوط میدان در یك نقطه برابر با نیروی مغناطیسی در آن نقطه است.
اكنون به سراغ علت تاثیر نیروی مغناطیسی بر براده های آهن می رویم. می دانیم كه الكترون در ساختار تمام اجسام وجود دارد كه الكترون ها دارای دو قطب مغناطیسی می باشند. بنابراین می توان نتیجه گرفت كه تمام اجسام از ذراتی تشكیل شده اند كه دارای دو قطب مغناطیسی هستند كه به این ذرات، دو قطبی مغناطیسی می گویند و به موادی كه دارای دوقطبی مغناطیسی هستند، مواد مغناطیسی می گویند. البته لزومی ندارد كه بگوییم این دوقطبی ها همان الكترون ها هستند بلكه این دوقطبی ها ذرات بنیادی مغناطیس هستند همانطور كه از الكترون بعنوان بار بنیادی در الكتریسیته یاد می كنیم. این دوقطبی های مغناطیسی مانند یك آهنربا عمل می كنند و در اطراف خود میدان مغناطیسی تولید می كنند. آهن نیز دارای این دوقطبی های مغناطیسی است اما در آهن دو قطبی های مغناطیسی به گونه ای رفتار می كنند، كه خاصیت مغناطیسی یكدیگر را خنثی می كنند. و هنگامی كه در یك میدان مغناطیسی قرار می گیرند، بر این دوقطبی ها نیروی مغناطیسی وارد می شود، به طوری كه قطب شمال تمام این دوقطبی ها در جهت خطوط میدان قرار می گیرند. و آهن ساختار ساختمانی منظمی پیدا می كند و به یك آهنربا تبدیل می شود. كه از آن می توان بعنوان یك قطب نما استفاده كرد. اگر این آهنربا را به دوقسمت تقسیم كنیم، این آهنربا باز هم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می كند، زیرا دوقطبی های مغناطیسی در یك جهت قرار دارند و این دو قطبی ها عامل ایجاد خاصیت مغناطیسی در آهنربا هستند.
سوالی كه پیش می آید این است كه آیا فقط آهن تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرد؟ برای پاسخ به این سوال برمی گردیم به مواد مغناطیسی كه از دو قطبی های مغناطیسی تشكیل شده اند در مواد مغناطیسی، حركت و رفتار دوقطبی ها به گونه ای است كه اثر میدان مغناطیسی یكدیگر را خنثی می كنند. مواد مغناطیسی از نظر رفتار دوقطبی های مغناطیسی به سه دسته تقسیم می كنند:
الف) مواد پارامغناطیس ب) مواد دیامغناطیس پ) مواد فرومغناطیس
الف) مواد پارامغناطیس: موادی هستند كه حركت و جنبش دوقطبی هایشان راحت و آسان تر است. هنگامی كه 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 كه قطب های شمال در جهت خطوط قرار می گیرند. و این امر سبب می شود كه این مواد به یك آهنربای قوی تبدیل شود. اما چون حركت 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 كاتوره 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 كه 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 كه 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 كه ماده دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود. البته این خاصیت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامی این خاصیت در مواد ظاهر می شود كه خاصیت پارامغناطیسی آن ها ضعیف باشد.مانند: بیسموت.

پ) مواد فرومغناطیس : این مواد مانند مواد پارامغناطیس است اما با این تفاوت كه در این مواد مجموعه ای از دوقطبی های مغناطیسی در یك جهت و راستا قرار دارند كه این مجموعه ها در راستا و جهت های متفاوتی قرار دارند به طوری كه اثر میدان یكدیگر را خنثی می كنند. كه به این مجموعه از دوقطبی های مغناطیسی كه در یك استا قرار دارند، حوزه مغناطیسی می گویند. هنگامی كه 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. كه از این لحاظ مواد فرومغناطیس را به دو دسته تقسیم می كنند:
۱) 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 همینكه این مواد را از میدان دور كنیم، جهت این حوزه ها به سرعت تغییر و به حالت كاتوره ای قبلی بر می گردند. مانند آهن
۲) مواد فرومغناطیسی سخت: در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار سخت و كُند است و همین كه در میدان قرار می گیرند، این حوزه ها به كندی در جهت خطوط قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی آن ها نسبت به مواد فرومغناطیس نرم ضعیفتر است؛ اما همین كه از میدان دور می شوند بر خلاف مواد فرومغناطیس نرم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می كنند.مانند آلیاژ های نیكل.
پس مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و به یك آهنربا تبدیل می شوند.
در قرن هیجدهم هانس اورستد نشان داد كه در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی ایجاد می شود و بعد ها آمپر و مایكل فارادی در این زمینه دست به فعالیت های گسترده ای زدند. آن ها نشان دادند كه در اطراف یك سیم حامل جریان، میدان مغناطیسی تولید می شود و حتی موفق شدند كه روابط كمی آن را محاسبه كنند. بنابراین منبع تولید میدان مغناطیسی عبارتند از:سنگ مغناطیس یا همان آهنربای طبیعی و جریان الكتریكی. البته بعدها ماكسول نتیجه گرفت كه بر اثر تغییر جریان الكتریكی، میدان مغناطیسی در فضا منتشر می شود و همچنین براثر تغییر میدان مغناطیسی، جریان الكتریكی در فضا تولید می شود كه نتیجه این، امواج الكترومغناطیسی است.
و از طرفی تغییر میزان عبور میدان مغناطیسی از یك رسانا، باعث تولید جریان الكتریكی در همان رسانا می شود. پس منبع تولید میدان الكتریكی عبارتند از: اختلاف پتانسیل بین دو سر رسانا و تغییر شار(میزان عبور میدان) مغناطیسی است.
پس می توان اینگونه نتیجه گرفت كه الكتریسیته و مغناطیس باهم در ارتباطند و به جر‌‌أت می توان گفت كه یكی بدون دیگری معنی ندارد. چون وجود یكی باعث پیدایش دیگری می شود.
می دانیم كه ذرات باردار تحت تاثیر میدان الكتریكی یا نیروی كولنی قرار می گیرند. اگر این ذرات وارد میدان مغناطیسی شوند تحت تاثیر نیروی دیگری كه همان نیروی مغناطیسی است می شوند. آزمایش ها نشان می دهند كه میزان انحراف ذره باردار به بزرگی میدان، اندازه بار، سرعت و زاویه حركت ذره بستگی دارد. اگر این ذره در راستای خطوط میدان حركت كند، هیچ نیرویی مغناطیسی بر آن وارد نمی شود. نیروی مغناطیسی بر راستای حركت ذره عمود است و بر سرعت آن تاثیری نمی گذارد و فقط جهت بردار حركت آن را تغییر می دهد. به همین دلیل اگر ذره باردار وارد میدان مغناطیسی شود حركت 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 حركت است، شتاب مركز گرا خواهد گرفت و این امر موجب می شود كه ذره در میدان یك مسیر دایره ای داشته باشد. البته ذره باردار بر اثر حركتش مقداری از انرژی خود را به صورت امواج الكترومغناطیسی گسیل می كند و انرژی آن كاهش و سرعتش كم می شود و به همین خاطر شعاع حركت دایره ای آن در طی مدت زمانی، كوچك و كوچكتر می شود. و اگر به صورت غیر عمود بر خطوط میدان وارد شود، حركت مارپیچی خواهد داشت.
همین خاصیت ذرات باردار در میدان مغناطیسی سبب می شود كه ما را از آسیب های ذرات باردار و پرانرژی كیهانی كه به زمین برخورد می كنند، مصون نگاه دارد.
در اطراف كره زمین میدان مغناطیسی وجود دارد و طبق نظریه ای كه گیلبرت پیشنهاد كرد، زمین یك آهنربای بزرگی است كه قطب شمالش در قطب جنوب جغرافیایی و قطب جنوب مغناطیسی در قطب شمال جغرافیایی قرار دارد كه میدان مغناطیسی در این دو قطب نسبت به سایر نواحی دیگر كره زمین قوی تر می باشند. ذرات باردار و پر انرژی كیهانی كه به سوی زمین می آیند گرفتار میدان مغناطیسی زمین شده و حركت مارپیچی به خود می گیرند كه به این منطقه، كمربند “وان آلن” می گویند.این ذرات با حركت مارپیچی خود به سمت دو قطب حركت می كنند. این ذرات با نزدیك 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 كه به صورت تابش آزاد و روشنایی را در دو قطب ایجاد می كنند كه به این روشنایی، شفق های قطبی می گویند.
علت ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف زمین و یا آهنربا بودن زمین، سوالی است كه ذهن دانشمندان را در طی چند ده مشغول كرده بود. نظریه ای كه توانست در توضیح علت میدان مغناطیسی موفق ظاهر شود، را بیان می كنیم:
در درون زمین فلزاتی نظیر آهن و نیكل به صورت مذاب و گداخته وجود دارند كه در حال حركت و جنبش هستند. حركت این مواد از هسته شروع شده و به نزدیكی سطح زمین نزدیك شده و دوباره به هسته و مركز زمین بر می گردند. این مواد مذاب با حركت رفت وبرگشتی كه دارند باعث پیدایش جریان الكتریكی در درون زمین می شوند. از همین خاصیت الكتریكی مواد مذاب درون زمین، برای پیش بینی وقوع فوران آتشفشان یا زلزله استفاده می كنند. جریان الكتریكی كه این مواد مذاب ایجاد می كنند، باعث پیداش میدان مغناطیسی در اطراف زمین می شود. خطوط میدان مغناطیسی به اینگونه هستند كه 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 ۱۱ درجه اختلاف دارند.
بررسی ها و مطالعه آثار نشان می دهند كه میدان مغنطیسی زمین ثابت نیست و تغییر می كند. آثاری كه از روی سنگ های زمین بدست آمده حاكی از آنست كه میدان مغناطیسی زمین به مدت حدود ۸۰۰۰۰۰ سال وارونه بوده و حدود ۱۰۰۰۰۰ سال دچار افت شدیدی می شود. علت این امر آنست كه مواد مذاب و گداخته حركت رفت و برگشتی كاتوره ای دارند كه سرعتشان حدود ۵ سانتی متر در روز است. و جابجایی این مواد باعث تغییر جریان الكتریكی و درنتیجه میدان مغناطیسی زمین می شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار كاتوره ای تغییر میدان مغناطیسی در آینده دست یابند.