يعود سبب الخصائص الفريدة للنحاس إلى توزيع الإلكترونات في مداراته.
يُصنع المحول الكهربائي غالبًا بلف سلك نحاسي حول معدن مغناطيسي مثل الحديد، وهي وضعية تساعد في تركيز المجال المغناطيسي.
لا ينجذب النحاس إلى المغناطيس في استخداماتنا اليومية للمواد مثل الأسلاك والأنابيب المعدنية وأدوات المطبخ. إلا أن الكثير من التجارب غير المألوفة تُظهر أن النحاس يتصرف بطريقة غريبة بعض الشيء حول المجالات المغناطيسية.
ما الذي يحدث؟ هل يمتلك النحاس خواص مغناطيسية أم لا؟ وكيف بإمكانه التفاعل مع المغناطيس؟
اتضح أن جميع العناصر لها خصائص مغناطيسية. معادن الحديد والنيكل والكوبالت التي نعدها عادةً مغناطيسية هي فئة خاصة من العناصر المعروفة باسم المغناطيسات الحديدية، التي تتفاعل بقوة مع المجالات المغناطيسية، وتشكل مغناطيسًا دائمًا.
يقول مايكل كوي -أستاذ الفيزياء الشرفي في كلية ترينيتي في دبلن بإيرلندا لموقع لايف ساينس: «هناك عدة أنواع أخرى من العناصر تمتلك خواص مغناطيسية أضعف بكثير، معظم العناصر إما مسايرة للمغناطيسية وتسمى باراماغنيتيك وإما مغايرة للمغناطيسية وتسمى دياماغنيت».
وأضاف: «عندما يُطبق مجال مغناطيسي على عناصر المغناطيسات المسايرة، نحصل على مغنطة قليلة جدًا في اتجاه المجال المغناطيسي. وهذا معناه أن العنصر ينجذب قليلاً جدًا إلى المغناطيس، لكن تأثير المغنطة يكون مؤقتًا فقط ويختفي فور إزالة المغناطيس. أما بالنسبة للعناصر المغايرة للمغناطيسية، نحصل أيضًا على مغنطة أصغر لكن في الاتجاه المعاكس للمجال. يخلق ذلك قوة تنافر ضئيلة تجاه المغناطيس، التي تختفي مرة أخرى بزوال المجال المغناطيسي. لذلك، في ظل ظروف الحياة اليومية، لن نلاحظ أبدًا أن المواد سواء المسايرة للمغناطيسية أو المعاكسة لها تمتلك أي خصائص مغناطيسية».
يعد النحاس مثالًا على المواد ذات المغناطيسية المغايرة، ولكن تحديد الفئة بالضبط التي ينتمي لها عنصر ما تعتمد على الإلكترونات. تدور هذه الجسيمات سالبة الشحنة حول النواة المركزية للذرة في مستويات طاقة محددة تسمى أغلفة، تنقسم بدورها أيضًا إلى أغلفة فرعية تسمى مدارات s، ومدارات d، ومدارات p.
المعادن الموجودة في وسط الجدول الدوري، يكون المدار s مملوءًا بالفعل بإلكترونين، وبالتحرك من يسار صف الجدول إلى يمينه، تمتلئ المدارات d تدريجيًا بحد أقصى 10 إلكترونات، ومع امتلاء المدارات، تُجبر الإلكترونات على الاقتران، وهذه العملية هي ما تحدد الخصائص المغناطيسية للعناصر. العناصر التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات غير المقترنة أو المفردة هي عناصر مسايرة للمغناطيسية، وتلك التي تحتوي على عدد أكبر من الإلكترونات المقترنة تكون عناصر مغايرة للمغناطيسية.
لكل إلكترون أيضًا خاصية كمومية غريبة تسمى الدوران المغزلي، واتجاه هذا الدوران يُحدد قوة المغناطيسية للعنصر، إذا كان لأعلى أو لأسفل، لجميع الإلكترونات التي تدور في الذرة.
قال كوي: «عندما تُحاذي إلكترونات مختلفة دورانها بتوازٍ، أي في نفس الاتجاه، يكون للذرة عزم مغناطيسي. لكن إذا كان دورانها في اتجاهين متعاكسين، فسيُلغى العزم المغناطيسي».
يقع النحاس في المركز التاسع، لذا نتوقع أن يحتوي على إلكترونين في المدارs ، وتسعة في المدار d، ولكن على غير المعتاد، يأخذ النحاس إلكترونًا واحدًا من المدار الكامل s لملء المدار d بالكامل بدلاً من ملء المدار s أولا. وهذا يعني أن جميع إلكترونات d مقترنة بأعداد متساوية تغزل لأعلى ولأسفل، وبالتالي لا يوجد عزم مغناطيسي، لذلك لا نلاحظ أي سلوك مغناطيسي في الظروف العادية.
من ناحية أخرى، فإن هذا التكوين غير المعتاد يدل على أن النحاس قد يتفاعل مع المغناطيس بطريقة مختلفة ومهمة للغاية. ترتبط المغناطيسية ارتباطًا وثيقًا بالطاقة الكهربائية، وهي ظاهرة وصفها قانون لينز Lenz’s law في الفيزياء.
ذكر إرنستو بوسكيه، اختصاصي الفيزياء في المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي National High Magnetic Field Laboratory في فلوريدا بالولايات المتحدة: «خلاصة القول، إن المجال المغناطيسي المتغير سوف يحدث تيارًا كهربائيًا داخل موصل ما. ونظرًا لأن لدى النحاس مقاومة كهربائية منخفضة، فيمكن للتيارات الكهربائية أن تتدفق بسهولة كبيرة عبره».
إن ما يجعل النحاس موصلًا ممتازًا هو إلكترون المدار s غير المقترن، وهذا التأثير المعروف باسم الحث الكهرومغناطيسي هو المبدأ الأساسي في كيفية توليد الكهرباء حاليًا.
قال بوسكيه: «الجزء الثابت في كل من المولد وكذلك في المحرك الكهربائي هو في الأساس عبارة عن مجموعة من الأسلاك المعزولة الدوارة التي تتحرك حول القلب».
تعمل نفس الفكرة أيضًا عكسيًا، فيمكن التيار الكهربائي الذي يمر عبر ملفات من السلك أن يولد مجالًا مغناطيسيًا في قلب معدني، وهذا يؤدي إلى تكوين مغناطيس كهربائي.
إن قدرة النحاس على التفاعل مع المغناطيس، بغض النظر عن أنه لا ينتمي الى فئة المغناطيسات الحديدية، هي ميزة نعتمد عليها يوميًا لتشغيل الأجهزة الإلكترونية، وتخزين البيانات على محركات الأقراص الثابتة، وحتى إبطاء حركة لعبة الأفعوانية في الملاهي.
اقرأ أيضًا:
كيفية تمثيل الإلكترونات بواسطة مخطط مستويات الطاقة
ترجمة: عمرو أحمد
تدقيق: جعفر الجزيري
مراجعة: باسل حميدي
