كيف تعمل المجالات المغناطيسية؟

•••سيد حسين أثير

​المجالات المغناطيسيةصف كيف يتم توزيع القوة المغناطيسية عبر الفضاء حول الأشياء. بشكل عام ، بالنسبة لجسم مغناطيسي ، تنتقل خطوط المجال المغناطيسي من القطب الشمالي للجسم إلى القطب الجنوبي ، تمامًا كما تفعل مع المجال المغناطيسي للأرض ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه.

تُستخدم نفس القوة المغناطيسية التي تجعل الأجسام تلتصق بأسطح الثلاجة في المجال المغناطيسي للأرض الذي يحمي طبقة الأوزون من الرياح الشمسية الضارة. يشكل المجال المغناطيسي حزمًا من الطاقة تمنع طبقة الأوزون من فقدان ثاني أكسيد الكربون.

يمكنك ملاحظة ذلك عن طريق سكب برادة حديدية ، قطع صغيرة من الحديد تشبه المسحوق ، في وجود مغناطيسي. ضع مغناطيسًا أسفل قطعة من الورق أو قطعة قماش خفيفة. اسكب برادة الحديد ولاحظ الأشكال والتكوينات التي يتخذونها. حدد خطوط المجال التي يجب أن تتسبب في ترتيب البرادة وتوزيعها على هذا النحو وفقًا لفيزياء المجالات المغناطيسية.

كلما زادت كثافة خطوط المجال المغناطيسي المرسومة من الشمال إلى الجنوب ، زاد حجم المجال المغناطيسي. يحدد هذان القطبان الشمالي والجنوبي أيضًا ما إذا كانت الأجسام المغناطيسية جذابة (بين القطبين الشمالي والجنوبي) أو مثيرة للاشمئزاز (بين قطبين متطابقين). تقاس المجالات المغناطيسية بوحدات تسلا ،

نظرًا لأن الحقول المغناطيسية تتشكل عندما تكون الشحنات في حالة حركة ، يتم تحفيز المجالات المغناطيسية من التيار الكهربائي عبر الأسلاك. يمنحك المجال طريقة لوصف القوة المحتملة واتجاه القوة المغناطيسية اعتمادًا على التيار عبر السلك الكهربائي والمسافة التي يقطعها التيار. تشكل خطوط المجال المغناطيسي دوائر متحدة المركز حول الأسلاك. يمكن تحديد اتجاه هذه الحقول من خلال "قاعدة اليد اليمنى".

تخبرك هذه القاعدة أنه إذا وضعت إبهامك الأيمن في اتجاه التيار الكهربائي عبر سلك ، فإن المجالات المغناطيسية الناتجة تكون في اتجاه كيفية تجعد أصابع يدك. مع زيادة التيار ، يتم إحداث مجال مغناطيسي أكبر.

يمكنك استخدام أمثلة مختلفة منحكم اليد اليمنىوهي قاعدة عامة لتحديد اتجاه الكميات المختلفة التي تتضمن المجال المغناطيسي والقوة المغناطيسية والتيار. هذه القاعدة العامة مفيدة للعديد من الحالات في الكهرباء والمغناطيسية كما تمليها رياضيات الكميات.

•••سيد حسين أثير

يمكن أيضًا تطبيق قاعدة اليد اليمنى في الاتجاه الآخر للمغناطيسالملف اللولبي، أو سلسلة من التيار الكهربائي ملفوفة بأسلاك حول مغناطيس. إذا وجهت إبهامك الأيمن في اتجاه المجال المغناطيسي ، فستلتف أصابع يدك اليمنى في اتجاه التيار الكهربائي. تتيح لك الملفات اللولبية الاستفادة من قوة المجال المغناطيسي من خلال التيارات الكهربائية.

•••سيد حسين أثير

عندما تنتقل الشحنة الكهربائية ، يتولد المجال المغناطيسي حيث تصبح الإلكترونات التي تدور وتتحرك كائنات مغناطيسية هي نفسها. يمكن محاذاة العناصر التي تحتوي على إلكترونات غير مقترنة في حالاتها الأرضية مثل الحديد والكوبالت والنيكل بحيث تشكل مغناطيسات دائمة. يسمح المجال المغناطيسي الذي تنتجه إلكترونات هذه العناصر بتدفق التيار الكهربائي عبر هذه العناصر بسهولة أكبر. يمكن للحقول المغناطيسية نفسها أن تلغي بعضها البعض إذا كانت متساوية في الحجم في اتجاهين متعاكسين.

التيار يتدفق من خلال البطاريةأنايعطي مجال مغناطيسيبفي دائرة نصف قطرهاصوفقًا لمعادلةقانون أمبير​:

أينμ​₀ هو الثابت المغناطيسي لنفاذية الفراغ ،1.26 × 10^-6 ح / م("Henries لكل متر" حيث Henries هو وحدة المحاثة). تؤدي زيادة التيار والاقتراب من السلك إلى زيادة المجال المغناطيسي الناتج.

لكي يكون الجسم مغناطيسيًا ، يجب أن تكون الإلكترونات التي يتكون منها الجسم قادرة على التحرك بحرية بين ذرات الجسم. لكي تكون مادة ما مغنطيسية ، تعتبر الذرات التي تحتوي على إلكترونات غير زوجية من نفس السبين مرشحة مثالية لأن هذه الذرات يمكن أن تتزاوج مع بعضها البعض للسماح للإلكترونات بالتدفق بحرية. اختبار المواد في وجود المجالات المغناطيسية وفحص الخصائص المغناطيسية للذرات التي تصنع هذه المواد يمكن أن يخبرك بمغناطيسيتها.

​المغناطيسات الحديديةهذه الخاصية أنها مغناطيسية بشكل دائم.باراماجنيتس، على النقيض من ذلك ، لن تعرض الخصائص المغناطيسية إلا في وجود مجال مغناطيسي لضبط دوران الإلكترونات بحيث يمكن أن تتحرك بحرية.دياماجنيتستحتوي على تركيبات ذرية بحيث لا تتأثر بالمجالات المغناطيسية على الإطلاق أو تتأثر قليلاً جدًا بالمجالات المغناطيسية. ليس لديهم أو لديهم عدد قليل من الإلكترونات غير المزاوجة للسماح بتدفق الشحنات.

تعمل البارامغناطيسات لأنها مصنوعة من مواد لها دائمًالحظات مغناطيسية، والمعروفة باسم ثنائيات الأقطاب. هذه اللحظات هي قدرتها على المحاذاة مع مجال مغناطيسي خارجي بسبب دوران الإلكترونات غير المزدوجة في مدارات الذرات التي تصنع هذه المواد. في وجود مجال مغناطيسي ، تتراصف المواد لمقاومة قوة المجال المغناطيسي. تشمل العناصر البارامغنطيسية المغنيسيوم والموليبدينوم والليثيوم والتنتالوم.

داخل مادة مغناطيسية حديدية ، يكون ثنائي القطب للذرات دائمًا ، عادةً نتيجة لتسخين وتبريد مادة مغناطيسية. هذا يجعلها مرشحين مثاليين للمغناطيسات الكهربائية والمحركات والمولدات والمحولات للاستخدام في الأجهزة الكهربائية. على النقيض من ذلك ، يمكن أن تنتج Diamagnets قوة تسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية في شكل تيار يؤدي بعد ذلك إلى إنشاء مجال مغناطيسي معاكس لأي مجال مغناطيسي مطبق عليها. هذا يلغي المجال المغناطيسي ويمنعها من أن تصبح مغناطيسية.

تحدد المجالات المغناطيسية كيفية توزيع القوى المغناطيسية في وجود مادة مغناطيسية. بينما تصف المجالات الكهربائية القوة الكهربائية في وجود الإلكترون ، فإن المجالات المغناطيسية لا تحتوي على جسيم مماثل يمكن أن تصف عليه القوة المغناطيسية. لقد افترض العلماء أن أحادي القطب المغناطيسي قد يكون موجودًا ، لكن لم يكن هناك دليل تجريبي لإثبات وجود هذه الجسيمات. إذا كانت موجودة ، فإن هذه الجسيمات سيكون لها "شحنة" مغناطيسية بنفس طريقة شحن الجسيمات المشحونة الكهربائية.

تنتج القوة المغناطيسية بسبب القوة الكهرومغناطيسية ، القوة التي تصف المكونات الكهربائية والمغناطيسية للجسيمات والأشياء. يوضح هذا كيف أن المغناطيسية الجوهرية هي لنفس ظواهر الكهرباء مثل التيار والمجال الكهربائي. شحنة الإلكترون هي التي تجعل المجال المغناطيسي ينحرف عنه من خلال القوة المغناطيسية بنفس الطريقة التي يعمل بها المجال الكهربائي والقوة الكهربائية.

بينما تتحرك الجسيمات المشحونة فقط تنبعث منها مجالات مغناطيسية ، وتنطلق جميع الجسيمات المشحونة المجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية والكهرومغناطيسية هي جزء من نفس القوة الأساسية لـ الكهرومغناطيسية. تعمل القوة الكهرومغناطيسية بين جميع الجسيمات المشحونة في الكون. تأخذ القوة الكهرومغناطيسية شكل الظواهر اليومية في الكهرباء والمغناطيسية مثل الكهرباء الساكنة والروابط المشحونة كهربائيًا التي تحافظ على الجزيئات معًا.

تشكل هذه القوة جنبًا إلى جنب مع التفاعلات الكيميائية أيضًا أساس القوة الدافعة الكهربائية التي تسمح للتيار بالتدفق عبر الدوائر. عندما يُنظر إلى مجال مغناطيسي متشابك مع مجال كهربائي ، يُعرف المنتج الناتج باسم المجال الكهرومغناطيسي.

المعادلة قوة لورنتز​

يصف القوة المؤثرة على الجسيم المشحونفتتحرك بسرعةالخامسفي وجود مجال كهربائيهوالمجال المغناطيسيب. في هذه المعادلةxما بينqvوبيمثل المنتج التبادلي. الفصل الأولqEهي مساهمة المجال الكهربائي في القوة ، والمدة الثانيةqv x بهي مساهمة المجال المغناطيسي.

تخبرك معادلة لورنتز أيضًا أن القوة المغناطيسية بين سرعة الشحنةالخامسوالمجال المغناطيسيبهوqvbsinϕمقابل رسومفأينϕ("phi") هي الزاوية الواقعة بينالخامسوب، والتي يجب أن تكون أقل من 180درجات. إذا كانت الزاوية بينالخامسوبأكبر ، إذن يجب عليك استخدام الزاوية في الاتجاه المعاكس لإصلاح ذلك (من تعريف الضرب التبادلي). إذاϕتساوي 0 ، كما في السرعة ونقطة المجال المغناطيسي في نفس الاتجاه ، فإن القوة المغناطيسية ستكون 0. سيستمر الجسيم في الحركة دون أن ينحرف بواسطة المجال المغناطيسي.

•••سيد حسين أثير

في الرسم البياني أعلاه ، حاصل الضرب التبادلي بين متجهينأوبهوج. لاحظ اتجاه وحجمج. إنه في الاتجاه العمودي علىأوبعندما تعطى بقاعدة اليد اليمنى. تعني قاعدة اليد اليمنى اتجاه الضرب التبادلي الناتججيتم إعطاؤه من خلال اتجاه إبهامك عندما يكون إصبعك الأيمن في اتجاهبوإصبعك الأوسط الأيمن في اتجاهأ​.

الضرب التبادلي هو عملية متجه ينتج عنها المتجه عموديًا على كليهماqvوبمعطى بقاعدة اليد اليمنى للمتجهات الثلاثة وبحجم مساحة متوازي الأضلاع التي المتجهاتqvوبامتداد. تعني قاعدة اليد اليمنى أنه يمكنك تحديد اتجاه حاصل الضرب التبادلي بينهماqvوبعن طريق وضع إصبعك الأيمن في اتجاهب، إصبعك الأوسط في اتجاهqv، وسيكون الاتجاه الناتج لإبهامك هو اتجاه الضرب التبادلي لهذين المتجهين.

•••سيد حسين أثير

في الرسم البياني أعلاه ، توضح قاعدة اليد اليمنى أيضًا العلاقة بين المجال المغناطيسي والقوة المغناطيسية والتيار عبر السلك. يوضح هذا أيضًا أن حاصل الضرب التبادلي بين هذه الكميات الثلاثة يمكن أن يمثل قاعدة اليد اليمنى حيث أن حاصل الضرب التبادلي بين اتجاه القوة والحقل يساوي اتجاه التيار.

تُستخدم المجالات المغناطيسية بحوالي 0.2 إلى 0.3 تسلا في التصوير بالرنين المغناطيسي والتصوير بالرنين المغناطيسي. التصوير بالرنين المغناطيسي هو طريقة يستخدمها الأطباء لدراسة الهياكل الداخلية داخل جسم المريض مثل الدماغ والمفاصل والعضلات. يتم ذلك بشكل عام عن طريق وضع المريض داخل مجال مغناطيسي قوي بحيث يمتد المجال على طول محور الجسم. إذا تخيلت أن المريض كان ملفًا لولبيًا مغناطيسيًا ، فإن التيارات الكهربائية ستلتف حول جسده و سيتم توجيه المجال المغناطيسي في الاتجاه الرأسي فيما يتعلق بالجسم ، كما تمليه اليد اليمنى قاعدة.

ثم يدرس العلماء والأطباء الطرق التي تنحرف بها البروتونات عن المحاذاة الطبيعية لدراسة الهياكل داخل جسم المريض. من خلال هذا ، يمكن للأطباء إجراء تشخيصات آمنة وغير جراحية لمختلف الحالات.

لا يشعر الشخص بالمجال المغناطيسي أثناء العملية ، ولكن بسبب وجود الكثير من الماء في جسم الإنسان ، تحاذي نوى الهيدروجين (وهي بروتونات) نفسها بسبب المغناطيسية مجال. يستخدم ماسح التصوير بالرنين المغناطيسي مجالًا مغناطيسيًا تمتص البروتونات الطاقة منه ، وعند إيقاف تشغيل المجال المغناطيسي ، تعود البروتونات إلى مواقعها الطبيعية. يتتبع الجهاز بعد ذلك هذا التغيير في الموضع لتحديد كيفية محاذاة البروتونات وإنشاء صورة لداخل جسم المريض.