3-11-1 زمين ساخت ورقه‌اي51
3-11-2 عقيده‌اي پيشرفته در زمان خود51
3-11-3 مغناطيس ديرين52
3-11-4 سرآغاز يک تحول فکري52
3-11-5 گسترش بستر اقيانوس‌ها53
3-11-6 وارونه شدن ميدان مغناطيسي زمين53
3-12 حرکت ورقه‌ها نسبت به هم، به سه شکل مختلف زير مي‌تواند صورت بگيرد53
3-12-1 ورقه‌هاي دور شونده(واگرا)53
3-12-2 ورقه‌هاي نزديک شونده(همگرا)55
3-12-3 ورقه‌هاي امتداد لغز56
3-12-4 نقاط داغ57
3-12-5 عامل هاي حرکت دهنده57
3-13 ساخت‌هاي تکتونيکي و کوه‌زايي57

3-14 تنش57
3-15 کمربندهاي کوه‌زايي58
3-16 منابع مواد معدني59
3-16-1 تشکيل منابع معدني59
3-16-2 فعاليت‌هاي آذرين60
3-16-3 فعاليت‌هاي دگرگوني60
بخش دو: بررسي‌هاي ميدان مغناطيسي در مدل‌هاي مختلف و نتايج
فصل چهارم: بررسي روش‌هاي مختلف جداسازي بي‌هنجاري‌هاي ميدان مغناطيسي62
4-1 مقدمه62
4-2 جداسازي بي‌هنجاري‌ها به روش روند سطحي63
4-3 جداسازي بي‌هنجاريها با استفاده از فيلترکردن64
4-4 تفکيک بي‌هنجاريها توسط روشهاي گسترش ميدان پتانسيل67
4-5 روش فرکتال69
4-6 روش فرکتالي طيف توان- مساحت69
4-7 روش جداسازي کور منابع(BSS)72
4-7-1 مدلسازي مسئله جداسازي کور منابع72
4-7-2 مراحل پيش پردازش در مسائل جداسازي کور منابع74
4-7-3 معيار Negentropy75
4-7-4 الگوريتم‌هاي جداسازي کور75
4-8 الگوريتم FastICA76
4-9 نتيجه‌گيري76
4-10 ويژگي‌هاى پوسته ايران زمين از نظر نوع، ضخامت و ايزوستازى77
4-10-1 نوع پوسته(Crust)77
4-10-2 ضخامت پوسته78
4=10-3 ايزوستازى پوسته79
فصل پنجم: منابع مهم توليد ميدان مغناطيسي زمين و انواع مدل‌هاي موجود81
5-1 منابع مهم توليد ميدان مغناطيسي زمين81
5-2 انواع مدل‌هاي ميدان مغناطيسي زمين81
5-2-1 مدل ميدان مغناطيسي IGRF81
5-2-2 مدل دوقطبي کج شده84
5-2-3 مدل ميدان مغناطيسي WMM84
5-2-4 مدل ميدان مغناطيسي MF85
5-2-5 مدل ميدان مغناطيسي POMME86
5-2-6 مدل ميدان مغناطيسي NGDC87
5-2-7 مدل ميدان مغناطيسي CHAOS87
فصل ششم: رسم نقشه‌هاي ميدان مغناطيسي88
6-1 روش انجام کار88
6-2 رسم نقشه‌ها89
6-2-1 نقشه‌هاي ميدان مغناطيسي دوقطبي زمين89
6-2-2 رسم نقشه بي‌هنجاري95
6-2-3 رسم نقشه بي‌هنجاري با نقشه ميدان مغناطيسي دوقطبي98
6-2-4 رسم نقشه ارتفاعات ايرن101

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

6-3 رگرسيون102
6-3-1 تحليل رگرسيوني (Regression analysis)102
6-3-2 تعريف لغوي102
6-3-3 شرايط پذيرش مدل103
6-4 نتيجه‌گيري104
6-5 پيشنهاد106
پيوست يک: حل مسئله‌ي آهنرباي دائم108
پيوست دو: دماي کوري110
نقطه‌ي کوري(Curie Point)110
فرومغناطيس110
فرومغناطيس‌هاي آکتنيدي111
علت مغناطيسي شدن111
تبادل متقابل111
دماي کوري112
رفتار مغناطيسي مواد112
دوقطبي‌ها و گشتاورهاي مغناطيسي113
منابع113
فصل اول مقدمه‌اي بر ميدان مغناطيسي
1-1 مقدمه
1-1-1 ميدان مغناطيسي
براي اولين بار در سال 1600 ميلادي توسط گيلبرت، زمين بعنوان يک آهن‌رباي بزرگ معرفي شد. ميدان مغناطيسي زمين شکلي دارد که گويي کره زمين مغناطيسي است که محورش تقريبا از شمال به جنوب قرار دارد. در نيمکره شمالي، تمام خطوط ميدان مغناطيسي در نقطه‌اي به هم مي‌رسند، اين نقطه قطب جنوب مغناطيسي زمين ناميده مي‌شود. بايد توجه داشت که نقاط به هم رسيدن خطوط ميدان مغناطيسي روي سطح زمين قرار ندارد بلکه قدري از آن پايين‌تر هستند. همچنين قطب‌هاي مغناطيسي زمين با قطب‌هاي جغرافيايي آن منطبق نيستند(شکل1-1). محور ميدان مغناطيسي زمين، يعني خط مستقيمي که از هر دو قطب مغناطيسي مي‌گذرد، از مرکز زمين نمي‌گذرد و از اين‌رو قطر زمين نيست. چندين سياره ديگر از سياره‌هاي منظومه شمسي نيز، ميدان مغناطيسي دارند که از جمله آنها مي‌توان از عطارد و مشتري نام برد. اين خاصيت در خورشيد و بسياري ستاره‌هاي ديگر نيز ديده مي‌شود.
شکل 1-1 – قطب‌هاي مغناطيسي زمين با قطب‌هاي جغرافيايي آن منطبق نيستند
بر پايه‌ي نظريه‌ي دينامو، اين ميدان در منطقهي هستهي بيروني که مايع است، ساخته شده ‌است. در هستهي بيروني گرماي زياد و رسانش گرمايي باعث جابه‌جايي مواد رساناي درون آن مي‌شود که اين پديده خود باعث پديد آمدن جريان‌هاي الکتريکي و از آن ميدان مغناطيسي زمين مي‌گردد. جابه‌جايي مواد در هستهي بيروني با هرج و مرج همراه‌ است و باعث مي‌شود که قطب‌هاي ميدان مغناطيسي در بازه‌هاي زماني گوناگون جابه‌جايي‌هايي داشته باشد. از اين‌رو در بازه‌هاي زماني چند ميليون سال بايد چشم به راه چند بار جابه‌جايي در محل قطب‌هاي مغناطيسي زمين باشيم. براي نمونه، تازه‌ترين جابه‌جايي دو قطب در ?????? سال پيش رخ داده ‌است.
1-1-2 منشاء ميدان مغناطيسي زمين
در الکترومغناطيس کلاسيک تعريف ميدان مغناطيسي به‌صورت “ميدان حاصل از بار الکتريکي در حال حرکت در اطراف آن” مي‌باشد. ميدان مغناطيسي از تک بارها، سيم‌هاي حامل جريان، جهت‌گيري دوقطبي‌هاي مغناطيسي(آهنرباهاي دايمي)، جريان سيال رسانا(ميدان مغناطيسي زمين) ايجاد مي‌شوند. در الکتروديناميک نسبيتي بين ميدان الکتريکي و ميدان مغناطيسي تفاوتي وجود ندارد و تعريف ميدان الکترومغناطيسي به‌صورت “اثر بار الکتريکي در اطراف آن” تعريف مي‌شود. چون حرکت کاملاً نسبي در نظر گرفته مي‌شود و نمي‌توان بين بار ثابت و بار متحرک تفاوتي قايل شد(متحرک بودن يا ثابت بودن براي ناظرهاي مختلف تفاوت مي‌کند). نيروي حاصل از اين ميدان را نيروي لورنتس مي‌خوانند.
به بياني ديگر ميدان مغناطيسي ميداني است که توسط يک جسم مغناطيسي يا ذرات، و يا با تغيير ميدان الکتريکي، توليد شده است و توسط نيرويي که روي ديگر مواد مغناطيسي و يا حرکت بار الکتريکي اعمال مي‌شود شناسايي مي‌شود. ميدان مغناطيسي در هر نقطه داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت مشخص مي‌شود، که به‌عنوان يک ميدان برداري شناخته مي‌شود. اشيايي که خود ميدان مغناطيسي توليد مي‌کنند آهنربا ناميده مي‌شوند. آهن‌رباها توسط نيروها و گشتاورهايي که توسط ميدان‌هاي مغناطيسي توليد مي‌کنند بر يک‌ديگر تاثير مي‌گذارند. آهن‌ربا معمولاً خود را در جهت ميدان مغناطيسي موضعي تراز مي‌کند. قطب‌نماها از اين اثر براي اندازه گيري جهت ميدان مغناطيسي موضعي، توليد شده توسط زمين استفاده مي‌کنند. مدلي که ميدان مغناطيسي يک شيء را نشان مي‌دهد با استفاده از خطوط ميدان مغناطيسي نشان داده مي‌شوند. اين خطوط صرفا يک مفهوم رياضي هستند و به‌صورت فيزيکي وجود ندارد. با اين حال، برخي پديده‌هاي فيزيکي از قبيل تراز شدن براده‌هاي آهن در يک ميدان مغناطيسي، به مانند خطوط در يک الگوي مشابه با خطوط فرضي ميدان مغناطيسي از جسم را توليد مي‌کند. جهت خطوط ميدان مغناطيسي که تراز دلخواهي براي براده آهني که بر روي کاغذي که بر روي يک نوار آهنربا قرار دارد، پاشيده شده است، نشان مي‌دهد. جاذبه متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکيل خوشه‌هاي دراز از براده در امتداد خطوط ميدان شده است.
جريان الکتريسيته و انتقال شار الکتريکي ميدان مغناطيسي توليد مي‌کند. حتي ميدان مغناطيسي از يک ماده مغناطيسي را مي‌توان به‌عنوان مدل حرکت شار الکتريکي الگو گرفت. ميدان مغناطيسي نيز بر روي حرکت شار الکتريکي نيرو وارد مي‌کند. ميدان‌هاي مغناطيسي در داخل و با توجه به مواد مغناطيسي مي‌تواند کاملا پيچيده باشد. ميدان مغناطيسي با مواد ديگر اثر متقابلي دارد، بنابراين ميدان مغناطيسي متقابلي با مواد ديگر ايجاد مي‌کند. شرح ميدان مغناطيسي در داخل آهن‌ربا شامل دو رشته جداگانه ‌است که مي‌تواند هر دو به نام ميدان مغناطيسي، ميدان مغناطيسي B و ميدان مغناطيسي H ناميده شود. اينها توسط يک ميدان سوم که توصيف حالت مغناطيسي مواد مغناطيسي در درون آنهاست، که مغناطيس کنندگي(مغناطش) ناميده مي‌شود تعريف مي‌شود. انرژي مورد نياز براي ايجاد ميدان مغناطيسي مي‌تواند زماني که ميدان از بين مي‌رود اصلاح شود. و اين انرژي مي‌تواند، به‌عنوان “ذخيره شده” در ميدان مغناطيسي در نظر گرفته شود. انرژي ذخيره شده در مواد مغناطيسي به مقادير B و H بستگي دارد. ميدان الکتريکي ميداني است که توسط شار الکتريکي ايجاد شده است و اين ميدان‌ها به‌طور تنگاتنگي به ميدان‌هاي مغناطيسي مربوط مي‌شوند؛ تغيير در ميدان مغناطيسي ميدان الکتريکي و تغيير در ميدان الکتريکي ميدان مغناطيسي توليد مي‌کند. ارتباط کامل بين ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي و جريان و شار که آنها را ايجاد مي‌کنند، توسط مجموعه‌اي از معادلات ماکسول توصيف مي‌شوند. با در نظرگرفتن اين ارتباط خاص، ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي دو جنبه مرتبط از يک موضوع منفرد، به نام ميدان الکترو مغناطيسي هستند. يک ميدان الکتريکي خالص، در يک چارچوب مرجع، به‌عنوان ترکيبي از هر دو ميدان الکتريکي و ميدان مغناطيسي که در يک چارچوب مرجع حرکت مي‌کند، مشاهده مي‌شود. در فيزيک کوانتومي، ميدان مغناطيسي خالص(و الکتريکي) را توسط اثرات ناشي از فوتون‌هاي مجازي مي‌توان درک کرد و در زبان مدل استاندارد، نيروي الکترومغناطيسي در تمام مظاهر توسط فوتون واقع مي‌شود. در اغلب موارد اين شرح ميکروسکوپي مورد نياز نمي‌باشد چرا که نظريه کلاسيک ساده، قانع کننده‌ است؛ تفاوت تحت ميدان با انرژي پايين‌تر در اکثر شرايط قابل اغماض است.
ميدان‌هاي مغناطيسي در جوامع قديمي و مدرن استفاده‌هاي بسيار داشته‌ است. زمين ميدان مغناطيسي خود را توليد مي‌کند. که در جهت‌يابي‌اي که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب ميدان مغناطيسي زمين منحرف شده ‌است، بسيار حايز اهميت است. از چرخش ميدان مغناطيسي در موتور الکتريکي و ژنراتور بهره گرفته شده‌ است. نيروهاي مغناطيسي ارائه دهنده اطلاعاتي در مورد حرکت شار از طريق اثر هال هستند. تداخل ميدان‌هاي مغناطيسي در دستگاه‌هاي برقي مانند ترانسفورماتورها در نظم حوزه‌هاي مغناطيسي مورده مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعه ميدان مغناطيسي به‌عنوان يک موضوع مجزا از آهنربا در قرن 13 هنگامي که Petrus Peregrinus ميدان مغناطيسي آهنرباي کروي را مطالعه کرد و فرض نمود که زمين خود يک آهن‌ربا است، آغاز شد. تمايز مدرن بين ميدان‌هاي B و H در قرن 19 کشف شد. رابطه بين ميدان‌هاي الکتريکي و مغناطيسي در مجموعه‌اي از معادلات ماکسول در نيمه دوم قرن 19کشف شد. و مفهوم الکترومغناطيس متولد شد. روندي که در پشت معادلات ماکسول قرار داشت در نيمه اول قرن 20 مشخص شد، هنگامي که ارتباط خاص آنها نشان داده شد. شرح کاملي از الکترومغناطيس، الکتروديناميک کوانتومي و يا QED ناميده مي‌شود، که شامل مکانيک کوانتومي که در اواسط قرن 20 کشف شد، است.
1-2 اندازه‌گيري ميدان مغناطيسي هسته‌ي زمين
در درون زمين فلزاتي نظير آهن و نيكل به‌صورت مذاب و گداخته وجود دارند كه در حال حركت و جنبش هستند. حركت اين مواد از هسته شروع شده و به نزديكي سطح زمين نزديك شده و دوباره به هسته و مركز زمين برمي‌گردند. اين مواد مذاب با حركت رفت و برگشتي كه دارند باعث پيدايش جريان الكتريكي در درون زمين مي‌شوند.
از همين خاصيت الكتريكي مواد مذاب درون زمين، براي پيش‌بيني وقوع فوران آتشفشان يا زلزله استفاده مي‌كنند. جريان الكتريكي كه اين مواد مذاب ايجاد مي‌كنند، باعث پيداش ميدان مغناطيسي در اطراف زمين مي‌شود. خطوط ميدان مغناطيسي به اين‌گونه هستند كه از هسته به قطب جنوب جغرافيايي وصل و سپس از قطب جنوب به قطب شمال و از آن‌جا دوباره به هسته وصل مي‌شوند. و به اين‌گونه اين خطوط در اطراف زمين رسم مي‌شوند. قطب‌هاي مغناطيسي زمين بر روي قطب‌هاي جغرافيايي آن منطبق نيستند و امروزه حدود ?? درجه اختلاف دارند.
بررسي‌ها و مطالعه آثار نشان مي‌دهند كه ميدان مغناطيسي زمين ثابت نيست و تغيير مي‌كند. آثاري كه از روي سنگ‌هاي زمين به‌دست آمده حاكي از آنست كه ميدان مغناطيسي زمين به مدت حدود ?????? سال وارونه بوده و حدود ?????? سال دچار افت شديدي مي‌شود. علت اين امر آنست كه مواد مذاب و گداخته حركت رفت و برگشتي كاتوره‌اي دارند كه سرعتشان حدود ? سانتي‌متر در روز است و جابه‌جايي اين مواد باعث تغيير جريان الكتريكي و در نتيجه ميدان مغناطيسي زمين مي‌شود. البته دانشمندان در تلاش هستند تا بتوانند به ساختار كاتوره‌اي تغيير ميدان مغناطيسي در آينده دست يابند.
ژئوفيزيکدانان دانشگاه برکلي آمريکا موفق شدند براي اولين بار، قدرت ميدان مغناطيسي را درون هسته زمين که حدود 2900 کيلومتر زير سطح زمين قرار دارد، اندازه‌گيري و مقدار آن‌را 25 گاوس تعيين کنند. قدرت ميدان مغناطيسي هسته 25 گاوس و 50 برابر قدرتمندتر از ميدان مغناطيسي در سطح زمين است. اگر چه اين ميزان حد وسط چيزي است که متخصصان ژئوفيزيک پيش از اين حدس مي‌زدند، اما همساني منابع حرارتي محدودکننده هسته باعث مي‌شود دينام داخلي براي برقراري اين ميدان مغناطيسي به حرکت خود ادامه دهد. وجود يک ميدان مغناطيسي قدرتمند در سطح خارجي هسته به اين معني است که انتقال گرماي زيادي در آن‌جا صورت مي‌گيرد و اين، نشان از توليد حرارت زياد در مرکز زمين دارد. گرماي باقي‌مانده از زمين داغ و گداخته چهار و نيم ميليارد سال پيش، آزاد شدن انرژي گرانشي در اثر سقوط عناصر سنگين به اعماق هسته مايع و تجزيه راديواکتيو عناصر پرعمري مانند پتاسيم، فلزات و توريوم از منابع اصلي انرژي هستند. وجود ميدان ضعيف مغناطيسي با قدرت مثلا 5 گاوس حاکي از اين است که سهم کمي از توليد حرارت به شيوه تجزيه راديواکتيو تامين شده، درحالي‌که وجود ميدان قوي با قدرت مثلا 100 گاوس به سهم بيش‌تري از تجزيه راديواکتيو اشاره دارد. ميدان مغناطيسي زمين در دو سوم خارجي هسته متشکل از آهن و نيکل توليد مي‌شود. اين سطح خارجي هسته که ضخامتي در حدود 2250 کيلوتر دارد، مايع است و گردش اين مواد فلزي است که ميدان مغناطيسي را پديد مي‌آورد؛ درحالي که داخل هسته، توپ منجمدي از آهن و نيکل با شعاعي در حدود 1290 کيلومتر(اندکي کوچک‌تر از ماه) است. اطراف هسته را نيز گوشته(جبه) داغ و چسبناک فرا گرفته که يک پوسته سطحي سفت و سخت، آن را پوشانده است. جالب اين‌جاست که ميدان مغناطيسي زمين در طول زمان تغيير جهت مي‌دهد و قطب‌هاي آن جابه‌جا مي‌شوند.
فصل دوم: خصوصيات مواد مغناطيسي، محيط‌هاي مغناطيسي و کاربردهاي آنها
2-1 خصوصيات مواد مغناطيده
2-1-1 ميدان مغناطيسي B و شدت مغناطيسي H
ميدان مغناطيسي براي دو ميدان برداري مختلف استفاده مي‌شود، که ميدان‌هاي B و H ناميده مي‌شوند. خارج از مواد، ميدان‌هاي B و H غير قابل تشخيص هستند.(آنها تنها در واحدهاي خود و مقدار، متفاوت‌اند و در تغييرات زماني و مکاني تفاوتي ندارند.) تنها در داخل ماده‌ تفاوت مهم است. ميدان B به جريان بستگي دارد(هم ماکروسکوپي و هم ميکروسکوپي مانند حرکت الکترون به دور هسته آن). در حالي که ميدان H به جريان‌هاي ماکروسکوپي و برداري که به پديده شار مغناطيسي بسيار نزديک است، بستگي دارد.
ميدان B را مي‌توان در بسياري جهات مشابه، بر اساس اثرات آن بر روي محيط اطراف آن تعريف کرد. به‌عنوان مثال، يک ذره با بار الکتريکي، q، و حرکت در ميدان B با سرعت، v، نيرويي برابر، F، ايجاد مي‌کند که نيروي لورنتس ناميده مي‌شود. براي دوقطبي مغناطيسي لحظه‌اي m (در آمپر متر مربع) ميدان B در واحد SI تسلا و در واحد cgs گاوس(1 تسلا = 10000 گاوس) ناميده مي‌شود. در واحد SI تسلا برابر است با: (کولن × متر) / (نيوتن × ثانيه).
ميدان H با يکاي آمپر بر متر(A/m) در SI و اورستد (Oe) در cgs اندازه‌گيري مي‌شود. در موادي که M متناسب با B يا اصطلاحأ خطي است، رابطه بين B و H را مي‌توان به فرم ساده‌تر نوشت: B??=H که در آن ? پارامتر وابسته به مواد به نام نفوذپذيري(ضريب تراوايي) است. در فضاي خالي، هيچ مغناطيسي وجود ندارد به‌طوري کهB??_0=H هر چند، براي بسياري از مواد، هيچ رابطه‌ي ساده‌اي بين B و M وجود ندارد به‌عنوان مثال، مواد فرومغناطيسي و ابررساناها خاصيت مغناطيسي شدني دارند که يک تابع چند ارزشي از B مربوط به پسماند مغناطيسي است.
2-1-2 پذيرفتاري و تراوايي مغناطيسي
براي مواد همسانگرد و خطي داريم: M ?=X_m H ? که در آن X_mرا پذيرفتاري مغناطيسي گوييم که کميتي بي‌بعد است[1].
2-1-2-1 مواد ديامغناطيس
مواد ديامغناطيس موادي هستند كه اگر در ميدان مغناطيسي قرار بگيرند از آهنربا دفع مي‌شوند. در اين مواد برآيند گشتاور دوقطبي مغناطيسي صفر است و در واقع فاقد دوقطبي ذاتي هستند و هنگامي كه در ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرند، گشتاور دوقطبي در آن‌ها القا مي‌شود اما جهت اين دوقطبي‌هاي القا شده بر خلاف جهت ميدان مغناطيسي خارجي مي‌باشد و اين امر باعث مي‌شود كه ماده ديامغناطيس از ميدان مغناطيسي دفع شود. البته اين خاصيت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامي اين خاصيت در مواد ظاهر مي‌شود كه خاصيت پارامغناطيسي آن‌ها ضعيف باشد، مانند بيسموت، نقره، طلا، مس و تمام غير فلزها بجز اكسيژن. مواد ديامغناطيس داراي X_mمنفي هستند و اگر در برابر ميدان مغناطيسي قرار گيرند باعث تضعيف ميدان مي‌شوند. همچنين فاقد گشتاور دوقطبي مغناطيسي‌اند.
X_m<0 , |X_m |<1
2-1-2-2 مواد پارامغناطيس
مواد پارامغناطيس موادي هستند كه حركت و جنبش دوقطبي‌هايشان راحت و آسان‌تر است. هنگامي كه اين مواد را در ميدان مغناطيسي قرار دهيم، بر دوقطبي‌هاي آن نيرو وارد شده و تعداد زيادي از آن‌ها در خطوط ميدان به‌طوري كه قطب‌هاي شمال در جهت خطوط قرار مي‌گيرند. و اين امر سبب مي‌شود كه اين مواد به يك آهنرباي قوي تبديل شود. اما چون حركت و جنبش اين دوقطبي‌ها سريع است، با برداشتن اين مواد از ميدان مغناطيسي، اين دوقطبي‌ها به سرعت از مسير خطوط خارج و به حالت كاتوره‌اي قبلي برمي‌گردند و اين مواد در خارج از خطوط ميدان به سرعت خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهند، مانند آلومينيوم و پلاتين. مواد پارامغماطيس دارايX_m مثبت بوده و باعث تقويت ميدان مغناطيسي مي‌شوند و داراي گشتاور دوقطبي مغناطيسي کوچکي هستند.
X_m>0 , |X_m |<1
با اينکهX_m تابعي از دماست، و گاهي نيز به شدت با دما تغيير مي‌کند، عمومأ با اطمينان مي‌توان گفت کهX_m براي مواد پارامغناطيس و ديامغناطيس بسيار کوچک است. وجود رابطه خطي ميان (M ) ?, H ?وجود رابطه خطي ميان (B ) ?و H ?را به‌صورت B ?=?H ? ايجاب مي‌کند که در آن ?ضريب تراوايي(مغناطيسي) ناميده مي‌شود و از ترکيب معادله: H ?=?(B ? )??_0 -M ? و M ?=X_m H ? به‌صورت زير به‌دست مي‌آيد:
?=?_0 (1+X_m)
و گاهي اوقات به جاي X_m، کميت بي‌بعد زير را در جدول‌ها ذکر مي‌کنند:
K_m=?/?_0 =1+X_m
اين کميت را تراوايي نسبي مي‌نامند که خيلي به واحد نزديک است.
2-1-2-3 مواد فرومغناطيس
فرومغناطيس‌ها رده‌ي ديگري از مواد مغناطيسي را تشکيل مي‌دهند. وجه مشخص چنين ماده‌اي آن است که مي‌تواند مغناطش دائم داشته باشد و همچنين آنکه عمومأ وجودش تأثير زيادي در ميدان مغناطيسي دارد. اين مواد مانند مواد پارامغناطيس است اما با اين تفاوت كه در اين مواد مجموعه‌اي از دوقطبي‌هاي مغناطيسي در يك جهت و راستا قرار دارند كه اين مجموعه‌ها در راستا و جهت‌هاي متفاوتي قرار دارند به‌طوري كه اثر ميدان يكديگر را خنثي مي‌كنند. كه به اين مجموعه از دوقطبي‌هاي مغناطيسي كه در يك راستا قرار دارند، حوزه مغناطيسي مي‌گويند. هنگامي كه اين مواد در ميدان مغناطيسي قرار مي‌گيرند، بر حوزه‌هاي مغناطيسي نيرو وارد مي‌شود و آن‌ها را در جهت ميدان قرار مي‌دهند(پيوست دو). خاصيت مغناطيسي اين مواد به سرعت تغيير مسير اين حوزه‌ها و قرار گرفتن در جهت ميدان بستگي دارد كه از اين لحاظ مواد فرومغناطيس را به دو دسته تقسيم مي‌كنند:
2-1-2-3-1 مواد فرومغناطيس نرم
در اين مواد سرعت تغيير حوزه‌ها بسيار آسان و سريع است و به همين خاطر در ميدان مغناطيسي اين حوزه‌ها به سرعت در جهت خطوط ميدان قرار مي‌گيرند و خاصيت مغناطيسي بسيار قوي به‌دست مي‌آورند. اما همين‌كه اين مواد را از ميدان دور كنيم، جهت اين حوزه‌ها به سرعت تغيير و به حالت كاتوره‌اي قبلي بر مي‌گردند، مانند آهن
2-1-2-3-2 مواد فرومغناطيسي سخت
در اين مواد سرعت تغيير حوزه‌ها بسيار سخت و كند است و همين كه در ميدان قرار مي‌گيرند، اين حوزه‌ها به كندي در جهت خطوط قرار مي‌گيرند و خاصيت مغناطيسي آن‌ها نسبت به مواد فرومغناطيس نرم ضعيف‌تر است؛ اما همين كه از ميدان دور مي‌شوند بر خلاف مواد فرومغناطيس نرم خاصيت مغناطيسي خود را حفظ مي‌كنند، مانند آلياژهاي نيكل. مواد فرومغناطيس خطي نيستند. در نتيجه معادله‌هاي(M ?=X_m H ?,B ?=?H ?) با مقادير ثابت X , ? در موردشان صدق نمي‌کند. به هر حال مناسب به نظر مي‌رسد که معادله‌ي (B ?=?H ?) را به‌عنوان معادله‌اي براي تعريف ? به‌کار ببريم، يعني ?=?(H ?)، اما بايد در اين خصوص احتياط کرد. اگر کميت ? مربوط به يک ماده فرومغناطيس با معادله(B ?=?H ?) تعريف شود، آن وقت بر حسب مقدار H ?،کميت ? تمام مقادير بين صفر تا بينهايت را قبول خواهد کرد و ممکن است مثبت يا منفي باشد. بهترين کار اين است که هر يک از مسائل مربوط به فرو‌مغناطيس‌ها را جداگانه بررسي کنيم، و ناحيه‌اي از منحني B-H را که براي مسئله مفروض مهم است تعيين کنيم و تقريب‌هاي مناسب براي آن ناحيه را به کار بريم. به‌طور خلاصه مواد فرومغناطيس داراي خاصيت مغناطيسي شديدي بوده X_m آنها مثبت و بزرگ‌تر از يک مي‌باشد و باعث تقويت زياد ميدان مي‌شود.
X_m>0 , |X_m |?1
بنابراين همانطور که در بالا گفته شد مواد فرو‌مغناطيس مي‌توانند مغناطش دائم داشته باشند، همچنين فرومغناطيس‌ها نمي‌توانند خطي باشند.
براي يک ماده فرومغناطيس حلقه پسماند به‌صورت زير است(شکل2-1) که مقدار B در نقطه r را باقيماندگي يا پسمانده مي‌ناميم. همچنين اندازه H در نقطه cبه نيروي وادارندگي يا وادارندگي مغناطيسي ماده موسوم است. از آن‌جايي که ماده فرومغناطيس که در مسير (1) مغناطيده شده با کاهش شدت مغناطيسي ديگر از مسير(1) برنمي‌گردد و مسير (2) را انتخاب مي‌کند، منحني را منحني پسماند يا عقب ماندن مي‌ناميم[1].
شکل 2-1 حلقه پسماند براي يک ماده فرومغناطيس
شکل حلقه پسماند نه تنها به ماهيت ماده فرومغناطيسي بستگي دارد(شکل2-2)، بلکه به مقدار بيشينه H ? که بر ماده اعمال مي‌شود نيز بستگي خواهد داشت(شکل2-3).
شکل 2-2 مقايسه منحني پسماند براي چند ماده
شکل 2-3 حلقه پسماند اصلي و چند حلقه پسماند فرعي براي يک ماده نمونه
مواد فرومغناطيس را براي يکي از 2 منظور زير به کار مي‌برند:
افزايش شار مغناطيسي يک مدار جريان،
منبع ميدان مغناطيسي(آهنرباي دائم).
بنابراين ربع دوم نمودار حلقه پسماند، قسمت حائز اهميت رابطه B-H براي يک ماده آهنرباي دائم است.
ميدان خارجي مربوط به کره‌اي که به‌طور يکنواخت مغناطيده است، دقيقأ يک ميدان دوقطبي است، که از گشتاور دوقطبي 4/3 ?a^3 M ?نتيجه مي‌شود، شدت مغناطيسي داخل کره ميداني است وامغناطنده (در خلاف جهت مغناطش)(پيوست يک). پس مي‌بينيم کره مغناطيده تحت تأثير ميدان وامغناطنده خود قرار مي‌گيرد. ضريب 1/3=1/4?(4?/3) در معادله((H_2 ) ?=-1/3 Mk ?) صريحأ به شکل هندسي کره بستگي دارد، مقدار (4?/3)به عامل وامغناطش کره موسوم است. ميدان مغناطيسي خارجي (B_1 ) ? مساوي است با:
(B_1 ) ?=1/3 ?_0 M(a^3/r^3 )[2 cos?? r ?+sin?? ? ?]
و ميدان مغناطيسي در داخل کره برابر است با:
(B_2 ) ?=2/3 ?_0 Mk ?=2/3 ?_0 M ?
2-2 محيط‌هاي مغناطيسي
2-2-1 مگنتوسفر زمين
همه اجسام مغناطيسي خطوط نيرويي را به‌وجود مي‌آورند كه قابل مشاهده نيست و بين قطب‌هاي جسم تشكيل مي‌شود. يك روش ساده براي ديدن اين خطوط، پاشيدن براده آهن روي ورقه كاغذي و قرار دادن يك آهن‌رباي ميله‌اي زير كاغذ است. براده‌هاي آهن در اطراف آهن‌ربا و در امتداد خطوط ميدان مغناطيسي مرتب مي‌شوند به عبارت ساده، مي‌توان زمين را به‌صورت يك آهن‌رباي دو قطبي در نظر گرفت. خطوط ميدان مغناطيسي بين قطب‌هاي شمال و جنوب مغناطيسي زمين قرار مي‌گيرند همان‌گونه كه بين قطب‌هاي يك آهن‌رباي ميله‌اي قرار مي‌گيرند. ذرات باردار روي اين خطوط ميدان به دام مي‌افتند(همان‌گونه كه براده‌هاي آهن به دام افتادند) و مگنتوسفر را به‌وجود مي‌آورند. سطح فرضي‌اي كه باد خورشيدي به آن برخورد مي‌كند، شوك دماغه ناميده مي‌شود(شکل2-4). فضا در پشت شوك دماغه قرار مي‌گيرد و بخشي كه زمين را محصور مي‌كند، مگنتوسفر ناميده مي‌شود. مگنتوسفر بخشي از فضاست كه ميدان مغناطيسي زمين در آن‌جا متمركز است و مانع از ورود بادهاي خورشيدي مي‌شود. اما گاهي اوقات ذرات باردار و پرانرژي باد خورشيدي وارد مگنتوسفر مي‌شوند. اين ذرات منشاء اصلي ذرات بارداري هستند كه در كمربند وان آلن به دام مي‌افتند. خطوط ميدان مغناطيسي زمين مانند آهن‌رباي ميله‌اي متقارن نيستند. برخورد بادهاي خورشيدي باعث مي‌شود كه خطوط از سمت خورشيد به سمت قطب‌نما باشند در حالي كه خطوط ميدان از جريان خورشيد برمي‌گردند و دنباله مغناطيسي زمين را تشكيل مي‌دهند. مگنتوسفر حدود80 تا60000 كيلومتر(50 تا 37280 مايل) در فضاي خلاء و به سمت خورشيد توسعه يافته و بيش از 300000 كيلومتر(186500 مايل) دورتر از خورشيد كشيده‌ شده است.
2-2-2 بادهاي خورشيدي و تاثير آن بر ميدان مغناطيسي زمين
بادهاي مغناطيسي جرياني از ذرات بارداري هستند كه از خورشيد با سرعت400 كيلومتر در ثانيه به خارج منتشر مي‌شوند و شدت آن بر حسب ميزان فعاليت سطحي خورشيد تغيير مي‌كند. ميدان مغناطيسي زمين در مقابل بادهاي خورشيدي مانند سپري مقاومت مي‌كند. هنگامي كه بادهاي خورشيدي با ميدان مغناطيسي زمين برخورد مي‌كنند مانند آب اطراف دماغه كشتي، منحرف مي‌شوند؛ همان‌طور كه در شکل2-4 نشان داده شده است. سطح فرضي‌اي كه باد خورشيدي به آن برخورد مي‌كند، شوك دماغه ناميده مي‌شود. بادهاي خورشيدي ميدان مغناطيسي زمين، بيش‌تر مانند يک دوقطبي مغناطيسي بزرگ هستند که مي‌توان گفت قطب‌هاي آن بر روي قطب‌هاي جغرافيايي اين سياره افتاده ‌است. در کمربند يا خط استواي ميدان مغناطيسي شدت ميدان مغناطيسي در سطح زمين به ?/?? ×?10?^(-5) تسلا و گشتاور مغناطيسي آن به 7/91 ×?10?^15 تسلا. مترمکعب مي‌رسد.
شکل 2-4 شوک دماغه يک سطح فرضي است که با برخورد بادهاي خورشيدي با ميدان مغناطيسي زمين نشان داده شده است
2-2-3 مدارهاي وان آلن
يكي از ويژگي‌هاي اصلي ميدان مغناطيسي اين است كه روي بارهاي الكتريكي در حال حركت نيرو اعمال مي‌كند. بنابراين ميدان مغناطيسي مي‌تواند ذرات بارداري مانند الكترون و پروتون را كه در امتداد خطوط ميدان، حركتي چرخشي به سمت جلو و عقب دارند به دام بيندازد. همان‌طور كه در شكل نشان داده شده، ذرات باردار در نقاط آينه‌اي كه خطوط ميدان به هم نزديك‌تر مي‌شوند و بيضوي‌هاي آن‌ها بسته‌تر مي‌شود، بازتاب مي‌شوند. يكي از نخستين نتايج اكتشافات فضايي در اواخر دهه 1950 اين بود كه زمين توسط دو محدوده احاطه شده كه تراكم ذرات باردار در آن‌جا بالاست و كمربند تابشي وان آلن ناميده مي‌شود. منشاء اوليه اين ذرات باردار، جريان ذرات بارداري است كه از خورشيد ساطع مي‌شوند و آنها را بادهاي خورشيدي مي‌نامند. اين ذرات باردار در ميدان مغناطيسي زمين كه عامل اصلي ايجاد شفق است به دام مي‌افتند.
2-2-4 پديده شفق قطبي
زماني که ذرات خورشيدي به دام ميدان مغناطيسي زمين مي‌افتند با مولکول‌ها و اتم‌هاي بالاي جو زمين(در لايه يونسفر در ارتفاع 80 تا 100 کيلومتر از سطح زمين) واکنش مي‌دهند و موجب مي‌شوند اين مولکول‌ها، نور تابش کنند و پديده شفق قطبي را به‌وجود آورند(شکل2-5). علت اينکه اين نورها در نواحي نزديک قطبي رخ مي‌دهند اين است که در اين مناطق تراکم خطوط ميدان مغناطيسي و در واقع توان ميدان بيش‌تر بوده و اين ميدان ذرات باد خورشيدي را به اين نواحي هدايت مي‌کنند.
شکل 2-5 شفق قطبي در نزديکي قطب‌هاي مغناطيسي روي مي‌دهد
2-2-5 محاسبه ميدان مغناطيسي در محيط‌هاي بي‌هنجار اطراف زمين
2-2-5-1 محاسبه موقعيت ماهواره در فضا و يا محاسبه موقعيت ماهواره در ايستگاه‌هاي کنترل در سطح زمين در صورت از کار افتادن حسگر و يا عملگر ماهواره
با توجه به‌وجود تجهيزات الکتريکي و الکترونيکي و استفاده از مواد مغناطيسي در ماهواره، همواره ماهواره داراي دوقطبي مغناطيسي است. در عين حال ماهواره در معرض ميدان مغناطيسي زمين است. شدت ميدان مغناطيسي در مدارهاي پايين(زير 1000 کيلومتر) داراي مقدار نسبتأ قابل توجه است. در ارتفاع‌هاي بالاتر شدت ميدان کم مي‌شود و در عين حال از اثرات بيروني چون ذرات باردار متحرک ناشي از بادهاي خورشيدي متأثر شده الگوي نسبتأ نامنظم پيدا مي‌کند که به سختي قابل مدل کردن است. سيستم تعيين و کنترل وضعيت در ماهواره‌ها مسئول کنترل و حفظ وضعيت مداري ماهواره است. با به‌کارگيري يک گشتاور دهنده‌ي مغناطيسي و بهره‌گيري از ميدان مغناطيسي زمين ميزان گشتاور لازم براي باز گرداندن ماهواره به وضع تعادل توليد مي‌شود. با توجه به کوچک بودن ميدان مغناطيسي زمين، کوچک‌ترين عامل اختلالي در حين استفاده از گشتاور دهنده مغناطيسي مي‌تواند سبب توليد گشتاورهاي نادرست شده و خروج ماهواره را از وضع تعادل منجر شود. بنابراين هنگام استفاده از گشتاور دهنده مغناطيسي تمام تجهيزات الکتريکي ماهواره را خاموش نگاه مي‌دارند. ولي حتي با خاموش شدن تمام وسايل برقي مقداري پسماند مغناطيسي در تجهيزات ماهواره به‌وجود مي‌آيد که خود سبب ايجاد اختلال در عملکرد گشتاور دهنده مغناطيسي مي‌شود. در دست داشتن تخمين مناسبي از ميزان اين پسماند در قطعات مختلف ماهواره به کنترل و احتمالاً رفع اثرات مخرب آن‌ها کمک مي‌کند. يکي از تکنيک‌هاي مورد استفاده براي سنجش اين پسماندها استفاده از پيچه‌هاي هلمهولتز مي‌باشد. با به‌کارگيري اين پيچه‌ها و شبيه سازي آزمايشي ميدان مغناطيسي زمين و قرار دادن قطعات ماهواره در اين ميدان مي‌توان پسماند مغناطيسي ناشي از اين ميدان را در قطعات مورد نظر سنجيد[2].
2-2-5-2 کشف معدن‌هاي آهني زمين
مطالعه ميدان مغناطيسي زمين براي هدف‌هاي علمي و عملي، از اهميت به سزايي برخوردار است. وجود ميدان مغناطيسي زمين، انجام پاره‌اي از بررسي‌هاي مهم ديگر را ميسر کرده ‌است؛ از آن‌جمله مي‌توان از روش‌هاي اکتشاف و مطالعه ذخاير زمين نام برد. تحليل دقيق ميدان مغناطيسي زمين، وسيله توانمندي براي بررسي ذخاير معدني زمين است. در حال حاضر، جست وجوي مغناطيس سنجي، روش ژئوفيزيکي مهم و گسترده‌اي است که براي اکتشاف و ذخاير معدني به‌کار مي‌رود. در زمين نواحي وجود دارد که در آن‌جا کميت‌هاي مغناطيسي به‌طور ناگهاني تغيير مي‌کنند و مقاديري به خود مي‌گيرند که با مقادير مربوط به محل‌هاي مجاور، تفاوت زيادي دارند. تفاوت زياد کميت‌هاي مغناطيسي در اين ناحيه‌ها، ناشي از فشار توده بزرگي از سنگ‌آهن‌هاي مغناطيسي در زير سطح زمين است؛ به همين دليل، مطالعه بي‌هنجاري‌هاي مغناطيسي، دانسيته‌هاي با ارزشي در مورد وجود و محل مخزن‌هاي سنگ‌هاي مغناطيسي ارائه مي‌دهد.
2-3 موارد ديگري از کاربرهاي ميدان مغناطيسي زمين در زندگي روزمره
2-3-1 مغناطيس گرانشي
فضاپيمايGravity Probe B يا GPB بيستم آوريل ???? زمين را براي جستجوي نيرويي از طبيعت که در وجودش ترديد است، ترک کرده است. اين نيرو که هيچ‌وقت ثابت نشده مغناطيس گرانشي(Gravitomagnetism) ناميده مي‌شود. نام ديگري نيز که براي اين پديده به‌کار مي‌رود کشش چارچوب(Frame dragging) است.
مغناطيس گرانشي بوسيله ستاره‌ها يا سياره‌هائي که به دور خود مي‌چرخند توليد مي‌شود. کلير فرد ويل از دانشگاه واشنگتن مي‌گويد “از نظر شکل شبيه يک ميدان مغناطيسي است که توسط يک کره(توپ) باردار در حال چرخش توليد مي‌شود” بار را با جرم جايگزين کنيد مي‌شود مغناطيس گرانشي ما در حالي که زندگي مي‌کنيم، مغناطيس گرانشي را احساس نمي‌کنيم. اما برطبق نظريه عام اينشتين اين حقيقت دارد وقتي که يک ستاره يا سياهچاله يا هر چيزي که جرم زيادي دارد به دور خود مي‌پيچد فضا و زمان اطراف را به دور خود مي‌کشد.
2-3-2 محلول هاي مغناطيسي نانو
محلول‌هاي مغناطيسي يکي از شاخه‌هاي فناوري نانو است که کم‌تر از ديگر شاخه‌هاي نانو به آن پرداخته شده‌ است، ولي به تازگي کاربردهاي جديدي براي آن يافت شده است.
محلول‌هاي مغناطيسي(Ferro fluid) از ذرات بسيار ريز کلوييدي(درحدود100 – 10 نانومتر(m9- 10)) از جنس فلزاتي که خاصيت مغناطيسي دارند(مانند آهن و کبالت) به حالت سوسپانسيون در مايعي، ساخته مي‌شوند. پخش‌ کردن ذرات در مايع را مي‌توان به کمک يک واکنش شيميايي انجام ‌داد. ذرات پخش شده در مايع به علت ريز بودن به‌صورت کلوئيدي هستند ولي پس از گذشت مدت زمان نسبتاً کوتاهي به هم پيوسته و ذرات بزرگ‌تري را تشکيل مي‌دهند، که در اين صورت حالت کلوييدي آن از بين رفته، ذرات در محلول ته‌‌نشين شده و خاصيت مغناطيسي خود را از دست مي‌دهند.
هر قدر که ذرات ريزتر باشند، محلول خاصيت مغناطيسي بهتري از خود نشان مي‌دهد. به اين علت است که در هنگام توليد، موادي با نام سورفاکتانت به محلول اضافه مي‌شود که روي ديواره‌هاي آن را مي‌پوشاند و مانع از به هم پيوستن و بزرگ شدن ذرات مي‌شود و ذرات با گذشت زمان خاصيت خود را از دست نمي‌دهند.
يک Ferro fluid معمولي، از %5 جامد مغناطيسي، %10 سورفاکتانت و % 85 مايع تشکيل شده است. در عصر حاضر نانو تکنولوژي خدمت بسياري به بشر کرده‌ است. در شيمي، فيزيک و غيره همچنين در زمينه‌هاي پزشکي که با ساخت وسايل گوناگون در زمينه‌ي درمان، انسان‌ها را ياري کرده‌ است. نظرياتي وجود دارد مبني بر اينکه به کمک اين محلول مي‌‌توان کپسول‌هايي ساخت و داروهايي را که براي بخشي از بدن مضر و براي بخشي ديگر مفيد است، به راحتي به محل مورد نظر برسانيم. با اين روش که کپسول‌هايي از اين جنس را پر از داروي مورد نظر کنيم و به وسيله‌ي آهنربا به محل مورد نظر برسانيم و در آن‌جا آن‌را تخليه کنيم.
در دهه اخير دانشمندان به اين عقيده رسيده‌اند که به کمک وارد کردن اين محلول به بدن مي‌توان سلول‌هاي سرطاني و يا ويروس‌ها(مثلا ايدز) را از بدن خارج کرد، به‌صورتي که اين ماده آنتي‌بادي(Anti body) موجود در خون را(به‌وسيله بار مثبت آنها) جذب کرده و آنتي‌بادي‌ها هم ويروس‌ها را جذب مي‌کنند که با خارج کردن Ferro fluid به‌وسيله آهنربا مي‌توان ويروس‌ها را خارج کرد. ولي متأسفانه هنوز به مرحله‌ي عملي نرسيده‌ است.
به‌غير از استفاده‌هاي پزشکي ذکر شده در بالا استفاده‌هاي صنعتي هم براي اين ماده ذکر شده ‌است. مثلا در چيپ‌هاي مخصوص براي حرکت دادن يک سيال مشکلاتي وجود دارد چون موتورهايي در آن اندازه‌ي ريز وجود ندارد و اگر هم وجود دارد بسيار پرهزينه است. اما با اضافه کردن مقداري از اين محلول به آن سيال مي‌توان با نيروي مغناطيسي آن سيال را به حرکت درآورد. مورد ديگر استفاده از اين ماده در بلندگوهاي پرقدرت است. اين محلول خاصيت خود را در دماهاي بالا، مثلا در 200 درجه‌ي سانتيگراد يا در دماهاي پايين، مثلا در 50- درجه‌ي سانتيگراد و يا در برابر امواج هسته‌اي حفظ مي‌کند.


پاسخ دهید