ว่าด้วยเรื่องแม่เหล็ก

แรงแม่เหล็กเป็นแรงที่น่าฉงน  หากเราแขวนมันไว้โดยอิสระ แนวของแม่เหล็กชี้ไปทางด้านเดิมเสมอ เมื่อนำไปวางไว้ใกล้ๆ วัสดุใด วัสดุบางชนิดจะถูกดูดโดยแม่เหล็ก แต่วัสดุบางชนิดก็ไม่ถูกดูด ในขณะที่เมื่อนำแม่เหล็กเองมาวางใกล้กันบางด้านก็ดูดกัน บางด้านก็ผลักกัน  ???

ขั้วแม่เหล็ก

เมื่อวางแท่งแม่เหล็กลงในผงตะไบเหล็ก ผงตะไบเหล็กจะถูกดูดและกระจุกกันอยู่บริเวณตอนปลายของแม่เหล็ก ดังรูปที่ 1 จนดูเหมือนว่าแรงดูดของแม่เหล็กเกิดที่ปลายของแม่เหล็กเท่านั้น ที่ปลายนี่เองที่เป็นขั้วแม่เหล็ก ซึ่งมีอยู่ 2 ขั้ว ทั้งสองขั้วต่อกันอยู่ด้วยแกนแม่เหล็ก

รูปที่ 1

เมื่อนำด้ายไนลอนผูกไว้ตรงกลางแท่งแม่เหล็กแล้วปล่อยให้มันเคลื่อนที่อย่างอิสระ การวางตัวของแท่งแม่เหล็กจะอยู่ในแนวเหนือใต้ ดังรูป 2 และนี่เองที่เป็นที่มาของการกำหนดขั้วแม่เหล็ก

รูปที่ 2

ขั้วแม่เหล็กด้านที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียกว่า ขั้วเหนือ(N) ด้านที่ชี้ไปทางทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้ (S)

ถ้านำขั้วเหนือของแม่เหล็กมาไว้ใกล้ๆ กันดังรูป 3
จะมีแรงผลักเกิดขึ้นระหว่างขั้วแม่เหล็ก ในทำนองเดียวกันถ้าทำการทดลองเช่นเดียวกันนี้ระหว่างขั้วใต้กับขั้วใต้ ผลการทดลองก็จะเป็นเช่นเดียวกัน แต่ถ้าทำการทดลองกับขั้วแม่เหล็กที่ต่างกัน แม่เหล็กจะดูดกัน

รูปที่ 3

ขั้วที่เหมือนกันของแม่เหล็กจะผลักกัน ส่วนขั้วที่ต่างกันจะดูดกัน

ทดสอบขั้วแม่เหล็ก

คุณสมบัติการผลักกันของขั้วแม่เหล็กที่เหมือนกัน สามารถนำมาใช้ในการทดสอบขั้วแม่เหล็กได้ ถ้าเราทราบขั้วแม่เหล็กที่จะนำไปทดสอบ เช่น ถ้าเราปลายหนึ่งของแม่เหล็กที่รู้ว่าเป็นขั้วเหนือ เมื่อไปทดสอบปรากฏว่าผลักกับปลายด้านหนึ่งของแม่เหล็กที่ไม่ทราบขั้ว ก็สรุปได้ว่าขั้วแม่เหล็กที่นำมาทดสอบนั้นเป็นขั้วเหนือ เป็นต้น

สารแม่เหล็ก

แม่เหล็กจะดูดวัสดุบางอย่าง เช่น เหล็ก เหล็กกล้า ทั้งนี้เนื่องจากวัสดุนั้นสามารถเหนี่ยวนำให้มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กได้ แม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้วัสดุทั้งสองมีสภาพเป็นแม่เหล็ก โดยด้านที่อยู่ใกล้แม่เหล็ก จะเป็นด้านตรงข้ามกับแม่เหล็ก และด้านที่อยู่ห่างจากแม่เหล็กจะมีขั้วเหมือนกับแท่งแม่เหล็ก เมื่อนำวัสดุทั้งสองออกจากแท่งแม่เหล็ก ปรากฏว่าแท่งเหล็กธรรมดาจะสูญเสียความเป็นแม่เหล็กไป ส่วนเหล็กกล้าจยังคงมีสภาพเป็นแม่เหล็กอยู่ต่อไป

การทำแม่เหล็ก

ทำจากแม่เหล็ก (stroking method) ถึงแม้ว่าการนำเหล็กกล้ามาสัมผัสกับแท่งแม่เหล็ก จะทำให้เกิดอำนาจแม่เหล็กบนแท่งเหล็กกล้าได้ แต่อำนาจแม่เหล็กนี้จะมีค่าน้อยมาก ถ้าต้องการให้เหล็กกล้านี้มีอำนาจแม่เหล็กมากขึ้น ทำได้โดยการสัมผัสและหมุนวนดังรูป 5 โดยจะต้องทำซ้ำหลายๆ ครั้งในทิศทางเดิม

รูปที่ 5

วิธีการใช้ไฟฟ้า(electrical method) วิธีการที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการสร้างสภาพความเป็นแม่เหล็ก

รูปที่ 6

วิธีการก็คือ การนำแท่งเหล็กกล้าไปวางในเป็นแกนของขดลวดที่ต่อเข้ากับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง
ขดลวดนั้นสร้างมาจากลวดตัวนำที่หุ้มฉนวนภายนอกนำมาขดเป็นวงรอบแกนเป็นจำนวนหลายร้อยรอบ ดังรูป 6 ขั้วของแม่เหล็กสามารถหาได้โดยการใช้ "กฎมือขวา" ดังรูป 7

รูปที่ 7

วิธีใช้กฎมือขวา คือ ให้เรากำมือไปตามทิศทางของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านขดลวด หัวแม่มือจะชี้ไปยังทิศเหนือ วิธีการสร้างแม่เหล็กด้วยวิธีนี้จะได้แม่เหล็กที่มีอำนาจแม่เหล็กมาก

วัสดุที่มีอำนาจแม่เหล็กและไม่มีอำนาจแม่เหล็ก

วัสดุที่สามารถนำมาสร้างให้มีอำนาจแม่เหล็กได้ดีนั้น เดิมทีจะเป็นวัสดุที่ถูกดูดโดยแม่เหล็กได้ง่าย ซึ่งโดยทั่วไปวัสดุนั้นจะประกอบไปด้วยโลหะบางประเภทเช่น เหล็ก นิเกิ้ล โคบอลท์ เหล็กกล้า หรือโลหะผสมซึ่งมีเหล็กเป็นส่วนผสม วัสดุที่สามารถนำมาเหนี่ยวนำให้เกิดอำนาจแม่เหล็กถาวรได้ดีเหล่านี้ เรียกว่า เฟอร์โรแมกเนติก (ferromagnetics) ซึ่งสารประเภทนี้ยังแยกออกเป็นประเภทที่ให้อำนาจแม่เหล็กเข้มและอ่อน ตามลักษณะของแรงดูดที่ได้

ตัวอย่างแม่เหล็กชนิดต่างๆ

วัสดุที่ให้อำนาจแม่เหล็กอย่างเข้ม เช่น เหล็กกล้า อัลโคแมกซ์ (โลหะผสมเหล็กกล้า) เป็นโลหะที่สร้างให้มีอำนาจแม่เหล็กได้ยาก แต่เมื่อสร้างได้แล้วจะมีความถาวรของการคงสภาพแม่เหล็กไว้ได้นาน ดังนั้นวัสดุประเภทนี้จึงเหมาะที่จะนำมาสร้างเป็นแม่เหล็กถาวร

วัสดุที่ให้อำนาจแม่เหล็กแบบอ่อน เช่น เหล็ก และมิวเมทอล (โลหะผสมนิเกิ้ล) เป็นวัสดุที่สร้างอำนาจได้ง่าย แต่อำนาจแม่เหล็กนี้จะอยู่ไม่ถาวรหรือสูญเสียสภาพความเป็นแม่เหล็กได้ง่าย

ทฤษฎีของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก 

ถ้าหักเหล็กกล้าที่ถูกสร้างให้เป็นแม่เหล็กออกเป็นชิ้นเล็กๆ ดังรูป 9 เราจะพบว่าเหล็กกล้าชิ้นเล็กๆ เหล่านี้ก็จะยังคงมีสภาพความเป็นแม่เหล็กอยู่ เมื่อทำให้แม่เหล็กนี้เล็กที่สุดจะพบว่าแม่เหล็กเกิดจาการวางตัวในแนวเดียวกันของโมเลกุลของมันเอง

รูปที่ 9

แนวความคิดของทฤษฎีของการแมกนีไตซ์ก็คือ อิเลกตรอนจะทำตัวเสมือนเป็นแม่เหล็กแท่งเล็กๆ โดยที่มันเคลื่อนไปรอบๆ นิวเคลียสของอะตอมในวัสดุบางชนิดแล้วเกิดอำนาจแม่เหล็กขึ้น การเคลื่อนที่ของแต่อะตอมของสารบางชนิดถึงแม้จะมีการเคลื่อนที่ของอิเลกตรอนไปรอบ ๆ นิวเคลียสเช่นเดียวกัน แต่ผลรวมของสนามแม่เหล็กจะหักล้างกันเองหมดแต่สำหรับบางวัสดุบางชนิดเช่นวัสดุจำพวก เฟอร์โฟแมกเนติก อะตอมแต่ละอะตอมจะมีอำนาจแม่เหล็ก ซึ่งเรียกว่า โมเลกุลของแม่เหล็ก (molecular magnets)
สารเฟอร์โรแมกเนติก โมเลกุลแม่เหล็กอยู่เป็นจำนวนมากและเมื่อมันวางตัวอยู่ในแนวเดียวกัน จะเกิดเป็นกลุ่มของโมเลกุลแม่เหล็กขึ้น ซึ่งเรียกว่า
โดเมนแม่เหล็ก ถ้าโดเมนเหล่านี้วางตัวไม่เป็นระเบียบ วัสดุนั้นก็จะยังไม่แสดงอำนาจแม่เหล็กออกมา แต่เมื่อมีการแมกเนไตซ์แล้ว จะทำให้โดเมนเหล่านี้วางตัวกันใหม่ในทิศทางเดียวกัน ซึ่งจะทำให้วัสดุนั้นเป็นมีอำนาจแม่เหล็กได้

รูปที่่ 10

รูปแบบง่าย ๆ ที่แสดงตัวอย่างของโดเมนแม่เหล้ก ในสารเฟอร์โรแมกเนติก ที่ยังไม่ได้รับการแมกเนไตซ์ ให้มีอำนาจแม่เหล็กแสดงได้ดังรูปที่ 10(ก) ในความเป็นจริงแล้วรูปทรงและขนาดของโดเมนแม่เหล็ก จะแตกต่างกันออกไป โดยทั่วไปพื้นที่ หนึ่งตารางมิลลเมตรจะมีโมเลกุลแม่เหล็กได้ถึง 1017 โมเลกุลทีเดียว เมื่อพิจารณาผลรวมของสนามแม่เหล็กที่ได้แล้ว มันจะหักล้างกันหมดจนไม่เหลืออำนาจแม่เหล็กที่แสดงออกมาภายนอกได้เลย

แต่เมื่อสารเฟอร์โรแมกเนติกซ์นี้ ได้รับการแมกเนไตซ์แล้ว จะทำให้โดเมนแม่เหล็กจัดวางตัวกันใหม่ มีระเบียบมากขึ้น ขั้วของโดเมนแม่เหล็กจะชี้ไปทางเดียวกัน ซึ่งแสดงได้ดังรูปที่ 10 (ข) ผลรวมของโดเมนแม่เหล็กย่อย ๆ ที่มีระเบียบเหล่านี้ ทำให้เกิดเป็นขั้วแม่เหล็กที่มีความเข้มของสนามแม่เหล็กมากขึ้น และเมื่อโมเลกุลแม่เหล็กทุกโมเลกุลต่างวางตัวไปในแนวเดียวกันเช่นนี้ จะเรียกสภาวะเช่นนี้ว่า สภาพอิ่มตัวของแม่เหล็ก(magnetically saturated) กล่าวคือ ในภาพนี้เป็นสภาพที่สารแม่เหล็กแสดงความความสามารถในการเป็นแม่เหล็กได้มากที่สุด ไม่สามารถทำให้มีอำนาจแม่เหล็กได้มากไปกว่านี้อีก

สภาพความเสื่อมของแม่เหล็ก(Demagnetization)

แม่เหล็กอาจเสื่อมสภาพลงได้เอง เมื่อแม่เหล็กได้รับความร้อนมาก ๆ เนื่องจากความร้อน จะทำให้โมเลกุลแม่เหล็กเกิดการสั่นและเมื่อสั่นแล้วก็อาจมีการวงตัวในทิศทางใหม่ ทำให้ทิศทางของขั้วโมเลกุลแม่เหล็กเปะปะ ไร้ทิศทาง ไม่มีระเบียบ เหตุการณ์คล้าย ๆ กันนี้ อาจเกิดขึ้นกับกรณีที่แม่เหล็กได้รับแรงมาก ๆ เป็นเวลานาน ๆ เช่น การใช้ค้อนทุบดี การตกจากที่สูงบ่อย ๆ เป็นต้น

ถ้าต้องการทำให้แม่เหล็กเสื่อมสภาพด้วยความตั้งใจ วิธีการที่ดีที่สุดคือ การใช้ขดลวดโซลินนอยด์ ที่ผ่านไฟฟ้ากระแสสลับให้กระแสไฟฟ้ามีค่ามาก ๆ วิธีการเช่นนี้ทำให้สภาพความเป็นแม่เหล็กอ่อนลงได้ เช่นกัน

การเสื่อมสภาพแม่เหล็กโดยธรรมชาติ

แท่งแม่เหล็กโดยทั่วไป ก็จะเสื่อมสภาพโดยธรรมชาติอยู่แล้ว อันเกิดจากการผลักกันของขั้วแม่เหล็กย่อย ๆ ภายใน เมื่อมีการผลักกันจะทำให้แกนหรือขั้วของแม่เหล็กซึ่งเดิมวางอยู่กันอย่างเป็นระเบียบ สนามแม่เหล็กชี้ไปทางเดียวกัน ก็เริ่มหักล้างกัน จนในที่สุดสภาพความเป็นแม่เหล็กก็เสื่อมลง