تشکیل آهنربا در طبیعت به چه صورتی است؟ 7 فرایند طبیعی

برای c در طبیعت، عوامل مختلفی نقش دارند و این عوامل با تاثیر بر فرآیندهای شیمیایی مختلف، درنهایت مواد مغناطیسی یا همان آهنربا را به‌وجود می‌آورند.

امروزه، آهنرباها در صنعت نقش مهمی دارند و زندگی بدون آن‌ها، تقریبا غیرقابل تصور است. از دستگاه‌های الکترونیکی مختلف خانگی تا ابزارآلات سنگین صنعتی، همه به‌لطف آهنرباها عملکرد درستی دارند و بخشی از این پیشرفت چشم‌‌گیر بشر، مدیون وجود آهنرباها در طبیعت است.

فرآیند تشکیل آهنربا در طبیعت طبیعی

آهنرباهای طبیعی که به آن‌ها «سنگ آهنربا» نیز گفته می‌شود، نوعی از سنگ‌های معدنی هستند که به‌طور طبیعی، خاصیت مغناطیسی پیدا کرده‌اند.

فرآیند پیدایش آهنرباهای طبیعی در طبیعت، به‌دلیل وجود عوامل گوناگون در حضور میدان مغناطیسی قوی اتفاق می‌افتد. در ادامه فرآیند تشکیل آهن‌رباها در طبیعت را بررسی می‌کنیم:

• ترکیبی از مواد معدنی مختلف: آهن‌رباهای طبیعی معمولا از سنگ‌های معدنی به نام «مگنتیت» ساخته می‌شوند. مگنتیت (Fe₃O₄)، یک اکسید آهن است که می‌تواند در شرایط خاصی، خاصیت مغناطیسی پیدا کند.
• قرارگیری در معرض میدان‌های مغناطیسی قوی: زمانی‌که مگنتیت‌ها در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، ذرات آهن درون سنگ‌ها ‌شکل منظمی به خود می‌گیرند و این سنگ‌ها اصطلاحا «شروع به مغناطیسی شدن» می‌کنند. این میدان‌های مغناطیسی می‌توانند به‌صورت طبیعی از طریق پدیده‌های زمین‌شناسی مختلف مانند فعالیت‌های آتشفشانی یا برخورد رعد و برق با زمین، ایجاد شوند.

• تاثیرات دمایی: دمای بالا، باعث می‌شود تا سنگ مگنتیت خاصیت آهنربایی پایداری به‌دست آورد. زمانی‌که سنگ‌های مگنتیت داغ شده و سپس به‌آرامی سرد می‌شوند، در صورتی که حین سرد شدن در معرض میدان مغناطیسی قوی قرار بگیرند، می‌توانند تبدیل به یک سنگ مغناطیسی دائم در طبیعت شوند. این فرآیند تشکیل آهن‌رباها در طبیعت، با نام «اثر کوری» نیز شناخته می‌شود.
• گذر زمان: فرآیند مغناطیسی شدن سنگ مگنتیت و تشکیل آهن‌ربای طبیعی، به‌مرور زمان و در طی میلیون‌ها سال اتفاق می‌افتد.

مهم‌ترین آهنرباهای طبیعی و منشاء آن‌ها

آهن‌رباهای طبیعی به چند دسته مختلف تقسیم می‌شوند که هر کدام منشاء و ترکیب شیمیایی متفاوتی دارند.

• سنگ آهن‌ربا لودستون (Lodestone): سنگ آهن‌ربا، نوعی از مگنتیت (Fe₃O₄) بوده که به‌طور طبیعی خاصیت مغناطیسی کسب کرده است. این سنگ‌ها معمولا در مناطقی که فعالیت‌های آتشفشانی رخ داده یا میدان‌های مغناطیسی قوی وجود دارد، یافت می‌شوند. این نوع آهن‌رباها به‌عنوان یکی از اولین مواد مغناطیسی که بشر کشف کرده، به‌شمار می‌رود.
• مگنتیت (Magnetite): مگنتیت، یکی از کانی‌های معدنی آهن است که به‌صورت گسترده در طبیعت یافت می‌شود. این کانی‌ها در سنگ‌های آذرین و دگرگونی وجود دارند و می‌توانند با قرارگیری در معرض میدان‌های مغناطیسی، خاصیت آهن‌ربایی کسب کنند. مگنتیت، به‌دلیل داشتن ترکیب شیمایی خاص، یکی از قوی‌ترین آهن‌رباهای طبیعی به‌شمار می‌رود.
• پیریت مغناطیسی (Pyrrhotite): پیریت مغناطیسی، یک کانی سولفیدی آهن (FeS2) است و می‌تواند خاصیت مغناطیسی داشته باشد. این کانی‌ها در سنگ‌های آذرین و دگرگونی یافت می‌شوند و بیشتر در نواحی معدنی غنی از آهن شکل می‌گیرند. پیریت مغناطیسی، خاصیت آهن‌ربایی ضعیف‌تری نسبت به مگنتیت دارد، اما همچنان به‌عنوان یک کانی مغناطیسی برای تشکیل آهن‌رباها در طبیعت استفاده می‌شود.
• هماتیت (Hematite): هماتیت (Fe₂O₃) یکی دیگر از کانی‌های آهن است که به‌ویژه در محیط‌های اکسیدی یافت می‌شود. این کانی اغلب در رسوبات و سنگ‌های دگرگونی تشکیل می‌شود. هماتیت هم مانند پیریت، خاصیت مغناطیسی ضعیفی دارد، اما در شرایط خاص می‌تواند با خاصیت آهن‌ربایی ضعیف نیز مورد استفاده قرار بگیرد.
• ایلمنیت (Ilmenite): ایلمنیت (FeTiO₃)، کانی معدنی دیگری است که معمولا در سنگ‌های آذرین تشکیل می‌شود و حاوی آهن و تیتانیوم است. این کانی تنها در برخی شرایط خاص، خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و به‌طور طبیعی، خاصیت آهن‌ربایی ضعیفی دارد و بیشتر به‌عنوان منبعی برای استخراج تیتانیوم استفاده می‌شود.

فرآیندهای زمین‌شناسی تشکیل آهنربا

تشکیل آهن‌رباها در طبیعت، به‌مجموعه‌ای عوامل فیزیکی، شیمیایی و مغناطیسی بستگی دارد که در طول میلیون‌ها سال اتفاق خواهد افتاد. این فرآیندها معمولا با فعالیت‌های آتشفشانی، دگرگونی و تغییرات میدان مغناطیسی زمین مرتبط هستند. در ادامه به بررسی اصلی‌ترین عوامل زمین‌شناسی می‌پردازیم که در تشکیل سنگ‌های مغناطیسی نقش دارند.

فعالیت‌های آتشفشانی

• ماگما و سنگ‌های مذاب: در هنگام فعالیت‌های آتشفشانی، سنگ‌های مذاب (ماگما) از زیر زمین به سطح آن می‌رسند. ماگما که حاوی مواد معدنی مختلفی از جمله آهن است، با رسیدن به سطح زمین خنک شده و کانی‌های آهنی مانند مگنتیت را شکل می‌دهند.
• اثر میدان مغناطیسی زمین: هنگامی‌که ماگما به سطح رسیده و سرد می‌شود، در معرض میدان مغناطیسی زمین قرار می‌گیرد. این میدان مغناطیسی که ضعیف اما پایدار است، به‌ سنگ‌های حاوی آهن خاصیت آهن‌ربایی می‌دهد. علاوه‌بر آن، سرد شدن سریع سنگ‌های آذرین نیز باعث می‌شود تا خاصیت مغناطیسی در آن‌ها تثبیت شود.

فعالیت‌های دگرگونی (متامورفیسم)

• فشار و دما: در نواحی که سنگ‌ها تحت فشار و دمای زیاد قرار می‌گیرند (معمولا در اعماق زمین یا در نزدیکی صفحات تکتونیکی فعال)، سنگ‌های موجود می‌توانند به‌سنگ‌های دگرگونی تبدیل شوند. در این فرآیند، ساختارهای معدنی مختلف مانند مگنتیت ممکن است تغییر کرده و شرایط مناسب برای مغناطیسی شدن آن‌ها فراهم شود.
• تبلور مجدد: در حین دگرگونی، کانی‌های موجود در سنگ‌ها می‌توانند دوباره متبلور شوند. اگر این سنگ‌ها حاوی آهن باشند، تبلور مجدد آنها در شرایط مناسب می‌تواند به تشکیل آهن‌رباهای طبیعی منجر شود. برای مثال، شیل‌های آهن‌دار که نوعی سنگ دگرگونی هستند، می‌توانند در طول زمان به مگنتیت مغناطیسی تبدیل شوند.

فرآیندهای رسوبی

• رسوب‌گذاری آهن: برخی آهن‌رباهای طبیعی از طریق فرآیندهای رسوبی تشکیل می‌شوند. در این فرآیند، آهن از آب‌های معدنی یا محلول‌های آبی، رسوب کرده و سنگ‌های رسوبی مانند باندهای آهن‌دار (Banded Iron Formations) را تشکیل می‌دهند. این سنگ‌ها عمدتا از مگنتیت و هماتیت تشکیل شده‌اند و در طول زمان می‌توانند تبدیل به یک سنگ مغناطیسی شوند.

• تغییرات شیمیایی: سنگ‌های رسوبی حاوی آهن، اگر در معرض تغییرات شیمیایی و دمایی قرار بگیرند، ممکن است تبدیل به آهن‌ربایی طبیعی شوند. در این فرآیند، اکسیداسیون و احیای آهن در شرایط خاص می‌توانند در تشکیل کانی‌های مغناطیسی نقش داشته باشند.

تاثیرات رعدوبرق

رعدوبرق، به‌ویژه در مناطقی که سنگ‌های آهنی مگنتیت وجود دارند، می‌تواند منجربه تشکیل آهنربای طبیعی شود. زمانی‌که رعدوبرق به زمین برخورد می‌کند، یک میدان مغناطیسی لحظه‌ای بسیار قوی ایجاد می‌شود. این میدان می‌تواند باعث مغناطیسی شدن سنگ‌های آهنی شود.

هرچند این پدیده نادر است، اما در برخی مناطق رخ داده و توانسته آهنرباهای طبیعی را به‌وجود آورد.

اثر دمای کوری

دمای کوری، نقطه‌ای است که بالاتر از آن، مواد مغناطیسی خاصیت خود را از دست می‌دهند. برای آهن، این دما حدود 770 درجه سانتی‌گراد است.

زمانی‌که سنگ آهن به دمای بالاتر از دمای کوری برسد، خاصیت مغناطیسی خود را از دست می‌دهد، اما اگر این سنگ‌ها به آرامی سرد شوند و در معرض یک میدان مغناطیسی قرار بگیرند، می‌توانند دوباره به آهن‌ربای طبیعی تبدیل شوند.

این فرآیند بیشتر در سنگ‌های آذرین و در نزدیکی مناطق آتشفشانی رخ می‌دهد. زمانی‌که این سنگ‌ها سرد می‌شوند، خاصیت مغناطیسی کسب کرده و به آهن‌ربای طبیعی تبدیل می‌شوند.

میدان مغناطیسی زمین

اگرچه میدان مغناطیسی زمین ضعیف است، اما در طول زمان می‌تواند روی سنگ‌های حاوی آهن تاثیر بگذارد و باعث مغناطیسی شدن آن‌ها شود. این پدیده در سنگ‌های قدیمی که میلیون‌ها سال در معرض میدان مغناطیسی زمین قرار گرفته‌اند، به‌طور کامل مشهود است.

البته باید این موضوع را هم در نظر گرفت که میدان مغناطیسی زمین، به‌مرور زمان تغییر می‌کند و این تغییرات می‌توانند در جهت‌گیری مغناطیسی سنگ‌های حاوی آهن تاثیر داشته و باعث تقویت یا کاهش خاصیت مغناطیسی آن‌ها شوند.

سنگ لودستون و مغناطیس طبیعی

لودستون، یک نوع سنگ طبیعی با خاصیت مغناطیسی قوی بوده که از کانی مگنتیت تشکیل می‌شود. فرآیند تشکیل این آهنربا به‌صورت طبیعی بوده و به‌عنوان یکی از معدود سنگ‌های مغناطیسی شناخته می‌شود. لودستون به‌دلیل خاصیت مغناطیسی شگفت‌انگیز از دیرباز مورد توجه بشر بوده و از آن برای ساختن قطب‌نماهای اولیه مورد استفاده قرار می‌گرفت.

ویژگی‌های لودستون

• ترکیب شیمیایی: لودستون در واقع یک نوع مگنتیت بوده که از اکسید آهن (Fe₃O₄)تشکیل شده است. این کانی دارای دو نوع اتم آهن است که یکی از آن‌ها می‌تواند خاصیت آهن‌ربایی خود را در حضور یک میدان مغناطیسی حفظ کند.
• مغناطیس طبیعی: فرآیند مغناطیسی شدن این کانی به‌صورت طبیعی است. درواقع برخلاف دیگر سنگ‌های حاوی مگنتیت که برای آهن‌ربا شدن نیاز به قرارگیری در معرض میدان مغناطیسی دارند، لودستون به‌دلیل شرایط خاص محیطی که در آن شکل گرفته است، خودبه‌خود خاصیت مغناطیسی کسب می‌کند.

قطب‌نماهای اولیه

در دوران باستان، از کانی لودستون برای ساخت قطب‌نماها مورد استفاده قرار می‌گرفت. این سنگ خاصیت مغناطیسی خود را به‌گونه‌ای حفظ می‌کند که اگر به‌صورت معلق قرار بگیرد، به‌سمت قطب‌های مغناطیسی زمین جهت‌گیری می‌کند. از این رو، لودستون به‌عنوان اولین ابزار برای تشخیص جهت‌های جغرافیایی در دریانوردی و ناوبری مورد استفاده قرار می‌گرفت.

پیدایش مغناطیس طبیعی در لودستون

لودستون، از سنگ‌های حاوی آهن تشکیل شده است که در طول زمان، خاصیت مغناطیسی کسب کرده‌اند. در فرآیند مغناطیسی شدن طبیعی لودستون، مانند دیگر سنگ‌های مغناطیسی عوامل مختلفی نقش دارند، اما از مهم‌ترین آن‌ها می‌توانیم به خاصیت کریستالی لودستون اشاره کنیم که می‌تواند خاصیت مغناطیسی را به‌خوبی حفظ کند.

این خاصیت ساختاری فوق‌العاده در کنار شرایط مناسب برای تشکیل آن باعث شده تا لودستون، یکی از قوی‌ترین آهنرباهای موجود در طبیعت باشد.

تفاوت لودستون با سایر سنگ‌های مغناطیسی

همان‌طور که اشاره کردیم، لودستون برخلاف سایر سنگ‌های مغناطیسی به‌صورت طبیعی آهن‌ربا می‌شود، اما دو تفاوت مهم دیگر نیز وجود دارد:

• مغناطیس دائم: هرچند بسیاری از سنگ‌های حاوی مگنتیت می‌توانند در شرایط خاص مغناطیسی شوند، اما لودستون این خاصیت را به‌صورت دائمی دارد.
• قدرت جذب بالا: لودستون حتی می‌تواند اشیاء آهنی کوچک مانند سوزن یا تراشه‌های آهن را جذب کند، در حالی که مگنتیت طبیعی در حالت معمولی این قدرت جذب قوی را ندارد.