مقالات في الفيزياء

التحكم في الحرارة والصوت بواسطة المجال المغناطيسي

image-20150323-17699-e7afqt

يمتلك المغناطيس قدرات عجيبة والان يمكن بواسطته التحكم في الحرارة والصوت

ينتقل الصوت عن طريق الحركة الاهتزازية لذرات الوسط الذي ينتقل فيه الصوت سواء كان مكونا من الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة. فعندما نتحدث مع بعضنا البعض تهتز الحبال الصوتية في الحنجرة مما ينتج عنها اهتزاز للهواء القادم من الرئتين بنفس الطريقة، وهذا يتسبب في توليد امواج صوتية تنتشر في الهواء حتى تصل إلى اذن المستمع وتجعلها تهتز ايضا. من هذه الاهتزازات يمكن للمستمع ان يعيد بناء كلمات المتحدث ويسمع ما يقوله.

اعلانات جوجل

منذ اكثر من مئة عام مضت فهم الفيزياييون ان الحرارة هي عبارة عن طاقة مخزنة في الحركة الاهتزازية للذرات، ولهذا يمكن ان نستنتج ان الحرارة والصوت يرتبطان مع بعضهما البعض من هذا الجانب. والان توصل علماء الفيزياء لاول مرة إلى ان هذه الذرات المتذبذبة تمتلك خواص مغناطيسية ايضا.

معلومات حول الصوت

في الثلاثينات من القرن العشرين بدأ العلماء في وضع نماذج للاهتزازات الذرية واعتبارها على انها جسيمات. وهذا يشبه تماما مبدأ الضوء الذي نعلم انه يمتلك خواص موجية وخواص جسيمية واطلقنا على الجسيمات التي تمثل الضوء بالفوتونات photons. وفي حالة الصوت اطلق علماء الفيزياء على جسيمات الصوت بالفونونات phonons، وهي كلمة مشتقة من معنى كلمة صوت باللغة اليونانية.

في يومنا هذا تعامل الفيزيائييون مع الفونونات على انها شبه جسيمات تمتلك خواص موجية وخواص جسيمية. تحمل الفونونات كلا من الصوت والحرارة. تنتقل الحرارة في المعادن من خلال حركة الكترونات في الذرات، ولكن في المواد الاخرى تنتقل الحرارة بواسطة الفونونات.

لذلك فان الخواص الميكانيكية والخواص الصوتية والخواص الحرارية للامواج الصوتية معروفة منذ زمن طويل الا انه لم يعرف احد ولم يتصور ايضا ان الامواج الصوتية تمتلك خواص مغناطيسية.

image-20150323-17699-116cyry

شوكة رنانة غير متوازنة مصنوعة من مادة شبه موصلة (indium antimonide)

الحرارة والصوت والمغناطيسية

نشر مؤخرا في ٢٣ مارس ٢٠١٦ في مجلة نيتشرللمواد March 23 issue of Nature Materials نتائج تجربة عملية تثبت تفاعل امواج الصوت مع المجالات المغناطيسية الخارجية.

اعلانات جوجل

اجريت التجربة على بلورة مفردة كبيرة من مادة شبه موصلة نقية جدا وهي مادة الانديوم انتيمونيد (indium antimonide) والتي قسمت إلى جزئين غير متساويين ومن ثم وضعت في درجة حرارة منخفضة جدا بلغت 265oC-. تم التحكم في تدفق الحرارة بشكل منفصل لكل جزء. عند هذه الدرجة المنخفضة من الحرارة يمكن ان نعتبر الفونونات عبارة عن جسيمات مفردة مثل العدائين وكل عداء يركض على مسار محدد وكل عداء يحمل قدرا محددا من الطاقة الحرارية.

image-20150323-17709-1vbx8jz

رسم احد الفنانين صورة تشبيهية لفونون يسخن مادة صلبة. يصطدم الفونون في مركز الذرة (ذات اللون البرتقالي) وهذه الذرة مرتبطة مع ذرة اخرى بواسطة روابط شبهت بالزنبرك. اثر مرور الفونون موضح بزيادة في شدة المجال المغناطيسي كما هو موضح باللون الاخضر.

تتجه الفونونات في الجزء الصغير نحو الجدران والتي تعمل على تقليل سرعتهم. يستخدم هذا الجزء الصغير كمرجع، لعزلها عن خواص المواد الصلبة الاخرى التي قد تؤثر عليها بشكل مباشر. اما في الجزء الكبير تتحرك الفونونات بسرعة اكبر ولا تتجه نحو الجدران كما هو الحال في الجزء الصغير. عندما نطبق مجالا مغناطيسيا وجدنا انها تتحرك نحو بعضها البعض وذلك لان المجال المغناطيسي يعمل على زيادة عدد التصادمات وايضا يتسبب في تقليل سرعة الفونونات وتقليل مقدار الحرارة التي يحملها كل فونون بنسبة 12٪.

يعود ذلك إلى ان الالكترونات تتحرك في مدارات دائرية حول كل ذرة في المادة الصلبة. الحركة المدارية لهذه الالكترونات تتسبب في انبعاث مجالا مغناطيسيا يتفاعل مع المجال المغناطيسي الخارجي – وهذا التأثير يعرف باسم الدايا مغناطيسية diamagnetism. توجد هذه الخاصية حتى في المواد الغير مغناطيسية مثل الزجاج والبلاستيك. عندما تتذبذب الذرات بسبب مرور الفونونات، وينتج عن تفعل الفونونات مع الالكترونات قوة مؤثرة على الذرات تجعل الفونونات تصطدم مع بعضها البعض.

ما اهمية هذه النتائج؟

عند هذه النقطة قمنا حتى الان بوصف مفهوم جديد وشيء لم يكن نعرفه من قبل او حتى فكرنا به. يمكن الان للمهندسين ان يستخدموا هذه الظاهرة في التحكم في الحرارة والامواج الصوتية بطريقة مغناطيسية. يمكن توجيه الامواج الصوتية بواسطة المغناطيس لزيادة فعالية اجهزة التصوير الفوق صوتية الطبية

اعلانات جوجل

تحويل الحرارة إلى كهرباء او طاقة ميكانيكية يتم بواسطة المحركات الحرارية ومحطات الطاقة والتي تزودنا بما يعادل 90٪ من الطاقة اللازمة للحياة. وحيث انه يمكن التحكم بتوصيل الحرارة بطرق مغناطيسية فان هذا سيكون له تأثير على انتاج الطاقة وكذلك على التطبيقات الممكنة.The Conversation

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

Top online courses in Design
زر الذهاب إلى الأعلى