مغناطيس. لديك في ثلاجتك ، ولعبت معهم عندما كنت طفلاً ، حتى أنك حملت بوصلة في يدك حيث كانت إبرة البوصلة تشير إلى القطب الشمالي المغناطيسي للأرض. ولكن كيف تعمل؟ ما هي ظاهرة المغناطيسية هذه؟
ما هي المغناطيسية؟
المغناطيسية هي أحد جوانب القوة الكهرومغناطيسية الأساسية. يصف الظواهر والقوى المرتبطة بالمغناطيس أو الأجسام المغناطيسية.
يتم إنشاء جميع المجالات المغناطيسية عن طريق تحريك الشحنة أو تغيير المجالات الكهربائية. هذا هو السبب في أن ظاهرة الكهرباء والمغناطيسية يشار إليها مجتمعة باسم الكهرومغناطيسية. هم حقا واحد ونفس الشيء!
داخل جميع المواد ، تحتوي الذرات على إلكترونات ، وتشكل هذه الإلكترونات سحابة حول نواة الذرة ، مع حركتها الإجمالية ، مما يخلق ثنائي القطب المغناطيسي الصغير. ومع ذلك ، في معظم المواد ، يؤدي التوزيع العشوائي لاتجاهات هذه المغناطيسات الصغيرة إلى إلغاء الحقول. المواد المغناطيسية هي الاستثناء.
تعرض العديد من المواد ظواهر مغناطيسية ، بما في ذلك الحديد والمنغنيز والمغنتيت والكوبالت. قد تكون موجودة كمغناطيس دائم أو قد تكون مغناطيسية (أي تنجذب إلى المواد المغناطيسية ولكن لا تحتفظ بالمغناطيسية الدائمة نفسها). يتم إنشاء المغناطيسات الكهربائية عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر سلك ملفوف حول مادة مثل الحديد (أو في أي موقف توجد فيه شحنة كهربائية متحركة).
يمكن أن تجذب المواد المغناطيسية بعضها البعض أو تتنافر ، اعتمادًا على أجزاء هذه المواد التي يتم تجميعها معًا.
المجالات المغناطيسية
تمامًا كما هو الحال مع القوة الكهربائية وقوة الجاذبية ، فإن الأجسام التي تمارس قوى مغناطيسية على بعضها البعض تولد حقلاً حولها. على سبيل المثال ، يخلق قضيب مغناطيسي حقلاً مغناطيسيًا في الفراغ المحيط به ، مما يتسبب في إحساس أي مغناطيسات أو مواد مغناطيسية حديدية أخرى يتم إحضارها إلى هذا المجال نتيجة لذلك.
تتمثل إحدى طرق تصور المجال المغناطيسي في استخدام برادة الحديد. برادة الحديد عبارة عن قطع صغيرة من الحديد ، عند رشها حول مغناطيس ، ستتماشى مع خطوط المجال المغناطيسي الخارجية ، مما يتيح لك تصورها.
وحدة SI المرتبطة بقوة المجال المغناطيسي هي تسلا.
1 \ text {Tesla} = 1 \ text {T} = 1 \ frac {\ text {kg}} {\ text {As} ^ 2} = \ frac {\ text {Vs}} {\ text {m} ^ 2} = \ frac {\ text {N}} {\ text {Am}}
وحدة أخرى شائعة مرتبطة بقوة المجال المغناطيسي هي الجاوس.
1 جاوس = 1 ج = 10-4 تي
أنواع المغناطيسية
توجد أنواع مختلفة من المغناطيسية:
البارامغناطيسيةيصف بعض المواد التي قد تنجذب بشكل ضعيف إلى المغناطيس ولكنها لا تحتفظ بمجال مغناطيسي دائم. في وجود مجال خارجي ، سيشكلون مجالات مغناطيسية داخلية مستحثة تتماشى. يمكن أن يؤدي هذا إلى تضخيم مؤقت للمجال المغناطيسي بشكل عام. هناك العديد من الأنواع المختلفة من المواد المغناطيسية ، بما في ذلك بعض الأحجار الكريمة.
نفاذية المغناطيسيةهي خاصية تعرضها جميع المواد ، ولكنها عادةً ما تكون أكثر وضوحًا في المواد التي نعتقد أنها غير مغناطيسية. المواد ذات النفاذية المغناطيسية ضعيفة جدًا من خلال المجالات المغناطيسية. في المغناطيس الدائم والمواد المغناطيسية ، تكون تأثيرات النفاذية المغناطيسية ضئيلة.
الكهرومغناطيسيةيحدث عندما يمر تيار كهربائي عبر سلك. قد يتم لف هذا السلك حول قضيب حديدي لتضخيم التأثير لأن الحديد سيخلق مجاله المغناطيسي الخاص الذي يتماشى مع المجال الخارجي. هذا الشكل من المغناطيسية هو نتيجة مباشرة لحقيقة أن حركة الإلكترونات تخلق مجالًا مغناطيسيًا. (مرة أخرى ، الكهرباء والمغناطيسية وجهان لذات الخاصية المادية الأساسية!)
المغناطيسية الحديديةيصف كيف تشكل مواد معينة - تسمى المواد المغناطيسية - مغناطيسًا دائمًا ، والتي تمت مناقشتها بمزيد من التفصيل في القسم التالي.
المواد المغناطيسية
المواد التي تنجذب بقوة للمغناطيس تسمى المغناطيسية الحديدية. الحديد هو المادة الأكثر شيوعًا من هذا النوع. (ليس من المستغرب منذ البادئة اللاتينيةفيرو- تعني "حديد.")
تحتوي المواد المغناطيسية على ما يسمى بالمجالات المغناطيسية ؛ أي مناطق داخلها تشبه المغناطيس ، ولكنها موجهة في اتجاهات مختلفة بحيث يتم إلغاء التأثير الكلي ولا تتصرف بشكل عام مثل المغناطيس. ومع ذلك ، إذا تم وضع هذه المواد في مجالات مغناطيسية ، فقد يتسبب ذلك في محاذاة المجالات أنهم مصطفون جميعًا في نفس الاتجاه ، ومن ثم يصبحون (غالبًا بشكل مؤقت) مثل المغناطيس أنفسهم.
تشمل المواد المغناطيسية المغناطيسية حجر الحجر والحديد والنيكل والكوبالت والعديد من المواد الأرضية النادرة بما في ذلك النيوديميوم.
مغناطيس بار وثنائيات الأقطاب وخصائص مغناطيسية
شريط المغناطيس هو شريط مستطيل أو أسطواني من مادة مغناطيسية. نهايات قضيب المغناطيس هي القطبين الشمالي والجنوبي. هذان نوعان من الأقطاب المغناطيسية ، ويتفاعلان مع بعضهما البعض عبر قوة مغناطيسية بطريقة مشابهة لكيفية تفاعل الشحنات الموجبة والسالبة عبر القوة الكهربائية.
المغناطيس الشريطي عبارة عن ثنائيات أقطاب مغناطيسية. لديهم أقطاب متقابلة مفصولة بمسافة ، على غرار ثنائي القطب الكهربائي. ومع ذلك ، فإن أحد الاختلافات الأساسية هو أنه مع المغناطيس ، لا يمكنك الحصول على أحادي القطب (عمود معزول) كما يمكنك الحصول عليه مع الشحنات. يوجد المغناطيس دائمًا على شكل ثنائي القطب وليس قطبًا شماليًا بحد ذاته أو قطبًا جنوبيًا في حد ذاته. (إذا قمت بقص قضيب مغناطيسي إلى النصف لمحاولة فصل القطبين ، فسوف ينتهي بك الأمر ببساطة بمغناطيسين ثنائي القطب أصغر حجمًا!)
المجال المغناطيسي للأرض
كما تعلم على الأرجح ، للأرض مجال مغناطيسي. يتيح ذلك للناس استخدام البوصلات لتحديد الاتجاه الذي يواجهونه بالنسبة إلى القطبين. تتكون البوصلة المغناطيسية من مغناطيس صغير يتحرك بحرية ويتماشى مع أي مجال خارجي. يشير الطرف الأحمر لإبرة البوصلة إلى الشمال. يعمل المجال المغناطيسي للأرض مثل قضيب مغناطيسي عملاق. يتم توجيه هذا الشريط التخيلي للمغناطيس بحيث يكون الطرف الشمالي للمغناطيس عند القطب الجنوبي للأرض والطرف الجنوبي للمغناطيس عند القطب الشمالي للأرض.
كما أن المجال المغناطيسي للأرض ليس موازيًا لسطح الأرض في معظم الأماكن. يمكنك تحديد انحدار المجال المغناطيسي للأرض باستخدام إبرة تراجع. قم أولاً بتوجيه الإبرة أفقيًا ومحاذاتها مع الشمال المغناطيسي للأرض. ثم قم بتدويره عموديًا ولاحظ زاوية الانحدار. تكون الزاوية أكبر كلما اقتربت من القطبين.
يخلق المجال المغناطيسي للأرض منطقة من الفضاء تحيط بالكوكب تسمى الغلاف المغناطيسي. يبدو الغلاف المغناطيسي بشكل أساسي مثل المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي كبير جدًا محاذي بالقرب من محور الأرض ، على الرغم من أن الغلاف المغناطيسي يمكن أن يتشوه أثناء تفاعله مع الجسيمات المشحونة.
يحمينا الغلاف المغناطيسي من الرياح الشمسية التي تحتوي على جزيئات مشحونة. التفاعلات بين هذه الجسيمات وخطوط المجال المغناطيسي هي التي تؤدي إلى ظهور الشفق القطبي.
أمثلة
تُستخدم ظاهرة المغناطيسية في جميع أنواع التطبيقات اليومية.
تسمح لنا ظاهرة الكهرومغناطيسية بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية في المولدات الكهربائية. تستخدم المولدات الكهربائية وسائل ميكانيكية لتشغيل التوربينات (تهب الرياح ، أو المياه الجارية) والتي تغير المجال المغناطيسي بالنسبة لملفات الأسلاك ، مما يؤدي إلى تدفق التيار.
المحركات الكهربائية هي في الأساس عكس المولدات الكهربائية ، حيث تستخدم الكهرومغناطيسية للتحويل تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ، سواء كان ذلك لتشغيل مثقاب كهربائي أو خلاط أو كهربائي مركبة.
المغناطيسات الكهربائية الصناعية عبارة عن مغناطيسات عملاقة ذات مجالات مغناطيسية قوية للغاية تسمح لها بالتقاط المركبات القديمة في ساحة الخردة.
تستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي مجالات مغناطيسية قوية لإنشاء صور من الداخل وتسمح للأطباء بتشخيص مجموعة كاملة من الحالات الطبية.