خصائص المغناطيس والمغناطيسات الكهربائية

نادرًا ما تشعر الفيزياء بالسحر أكثر مما تشعر به عندما تصادف المغناطيس لأول مرة عندما كنت طفلًا. الحصول على قضيب مغناطيسي في فصل العلوم ومحاولة - بكل قوتك - دفعه نحو القطب المطابق لمغناطيس آخر ولكن غير قادر تمامًا على أو يترك الأقطاب المتقابلة قريبة من بعضها البعض ولكن لا تلمس حتى تتمكن من رؤيتها تتسلل معًا وفي النهاية انضم. تتعلم بسرعة أن هذا السلوك ناتج عن المغناطيسية ، ولكن ما هي المغناطيسية حقًا؟ ما الرابط بين الكهرباء والمغناطيسية التي تسمح للمغناطيسات الكهربائية بالعمل؟ لماذا لا تستخدم مغناطيسًا دائمًا بدلاً من مغناطيس كهربائي في ساحة الخردة المعدنية ، على سبيل المثال؟ المغناطيسية موضوع رائع ومعقد ، ولكن إذا كنت ترغب فقط في تعلم خصائص المغناطيس والأساسيات ، فمن السهل حقًا التقاطها.

يحدث السلوك المغناطيسي في النهاية بسبب حركة الإلكترونات. تولد الشحنة الكهربائية المتحركة مجالًا مغناطيسيًا ، وكما قد تتوقع ، ترتبط المغناطيسات والمجالات المغناطيسية ارتباطًا وثيقًا. نظرًا لأن الإلكترون عبارة عن جسيم مشحون ، فإن حركته المدارية حول نواة الذرة تخلق مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا. بشكل عام ، هناك أطنان من الإلكترونات في المادة ، وسيكون المجال الذي تم إنشاؤه بواسطة أحدها كذلك تم إلغاؤها بواسطة الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة آخر ، ولن يكون هناك أي مغناطيسية من المادة كملف كل.

بعض المواد تعمل بشكل مختلف. يمكن أن يؤثر المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه بواسطة إلكترون واحد على اتجاه المجال الذي تنتجه الإلكترونات المجاورة ، وتصبح مصطفة. ينتج عن هذا ما يسمى "المجال" المغناطيسي داخل المادة ، حيث تمتلك جميع الإلكترونات مجالات مغناطيسية محاذاة. المواد التي تقوم بذلك تسمى مغناطيسية حديدية ، وفي درجة حرارة الغرفة ، يكون الحديد والنيكل والكوبالت والجادولينيوم فقط هي المغناطيسية الحديدية. هذه هي المواد التي يمكن أن تصبح مغناطيسًا دائمًا.

المجالات داخل المادة المغناطيسية سيكون لها اتجاهات عشوائية ؛ على الرغم من محاذاة الإلكترونات المجاورة مجالاتها معًا ، فمن المحتمل أن يتم محاذاة المجموعات الأخرى في اتجاه مختلف. هذا لا يترك مغناطيسية على نطاق واسع ، لأن المجالات المختلفة تلغي بعضها البعض تمامًا كما تفعل الإلكترونات الفردية في المواد الأخرى.

ومع ذلك ، إذا قمت بتطبيق مجال مغناطيسي خارجي - بجلب قضيب مغناطيسي بالقرب من المادة ، على سبيل المثال - تبدأ المجالات في المحاذاة. متي الكل من المجالات محاذاة ، تحتوي قطعة المواد بأكملها بشكل فعال على مجال واحد و يطور قطبين ، يطلق عليهما عمومًا الشمال والجنوب (على الرغم من أنه قد يكون إيجابيًا وسلبيًا أيضًا تستخدم).

في المواد المغناطيسية ، يستمر هذا المحاذاة حتى عند إزالة المجال الخارجي ، ولكن في أخرى أنواع المواد (المواد المغناطيسية) ، تُفقد الخصائص المغناطيسية عندما يكون المجال الخارجي إزالة.

الخصائص المميزة للمغناطيس هي أنها تجذب بعض المواد والأقطاب المقابلة للمغناطيسات الأخرى ، وتتنافر مثل أقطاب المغناطيس الأخرى. لذلك إذا كان لديك قضيبان دائمان مغناطيسيان ، فإن دفع قطبين شماليين (أو جنوبيين) معًا ينتج قوة طاردة ، والتي تزداد قوة كلما اقترب الطرفان معًا. إذا جمعت قطبين متقابلين معًا (شمال وجنوب) ، فهناك قوة جذب بينهما. كلما اقتربت منهم ، كانت هذه القوة أقوى

تنجذب المواد المغناطيسية الحديدية - مثل الحديد والنيكل والكوبالت - أو السبائك المحتوية عليها (مثل الفولاذ) إلى المغناطيس الدائم ، حتى لو لم تكن تنتج مجالًا مغناطيسيًا خاصًا بها. هم فقط ينجذب للمغناطيسات ، ولن يتم صدها ما لم تبدأ في إنتاج مجال مغناطيسي خاص بها. المواد الأخرى ، مثل الألمنيوم والخشب والسيراميك ، لا تنجذب إلى المغناطيس.

المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي مختلفان تمامًا. تتضمن المغناطيسات الكهربائية الكهرباء بطريقة أكثر وضوحًا وتتولد أساسًا عن طريق حركة الإلكترونات عبر سلك أو موصل كهربائي. كما هو الحال مع إنشاء المجالات المغناطيسية ، تنتج حركة الإلكترونات عبر سلك مجالًا مغناطيسيًا. يعتمد شكل المجال على الاتجاه الذي تسير فيه الإلكترونات - إذا قمت بتوجيه إبهام يدك اليمنى في اتجاه التيار ، تلتف أصابعك في اتجاه مجال.

لإنتاج مغناطيس كهربائي بسيط ، يتم لف الأسلاك الكهربائية حول قلب مركزي ، وعادة ما يكون مصنوعًا من الحديد. عندما يتدفق التيار عبر السلك ، ينتقل في دوائر حول القلب ، يتم إنتاج مجال مغناطيسي ، يعمل على طول المحور المركزي للملف. هذا المجال موجود بغض النظر عما إذا كان لديك نواة أم لا ، ولكن مع نواة حديدية ، يقوم المجال بمحاذاة المجالات في المادة المغناطيسية وبالتالي يصبح أقوى.

عندما يتوقف تدفق الكهرباء ، تتوقف الإلكترونات المشحونة عن الحركة حول ملف السلك ، ويختفي المجال المغناطيسي.

المغناطيسات الكهربائية والمغناطيسات لها نفس الخصائص الرئيسية. إن التمييز بين المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي هو في الأساس تمييز في كيفية إنشاء المجال ، وليس في خصائص المجال بعد ذلك. لذلك لا يزال للمغناطيسات الكهربائية قطبان ، ولا تزال تجذب المواد المغناطيسية الحديدية ، ولا تزال بها أقطاب تتنافر مثل الأقطاب الأخرى وتجذب على عكس الأقطاب. الفرق هو أن الشحنة المتحركة في المغناطيس الدائم يتم إنشاؤها بواسطة حركة الإلكترونات فيها الذرات ، بينما في المغناطيس الكهربائي يتم إنشاؤه بواسطة حركة الإلكترونات كجزء من التيار الكهربائي تيار.

على الرغم من ذلك ، تتمتع المغناطيسات الكهربائية بالعديد من المزايا. نظرًا لأن المجال المغناطيسي ينتج عن التيار ، يمكن تغيير خصائصه عن طريق تغيير التيار. على سبيل المثال ، تؤدي زيادة التيار إلى زيادة قوة المجال المغناطيسي. وبالمثل ، يمكن استخدام تيار متناوب (تيار متردد) لإنتاج مجال مغناطيسي متغير باستمرار ، والذي يمكن استخدامه لتحفيز تيار في موصل آخر.

بالنسبة لتطبيقات مثل الرافعات المغناطيسية في ساحات الخردة المعدنية ، فإن الميزة الكبيرة للمغناطيسات الكهربائية هي أنه يمكن إيقاف تشغيل المجال بسهولة. إذا اخترت قطعة من الخردة المعدنية بمغناطيس دائم كبير ، فإن إزالتها من المغناطيس سيكون تحديًا كبيرًا! باستخدام مغناطيس كهربائي ، كل ما عليك فعله هو إيقاف تدفق التيار وسقوط المعدن الخردة.

تم وصف قوانين الكهرومغناطيسية بواسطة قوانين ماكسويل. هذه مكتوبة بلغة حساب التفاضل والتكامل وتتطلب بعض الرياضيات المعقدة إلى حد ما لاستخدامها. ومع ذلك ، يمكن فهم أساسيات القواعد المتعلقة بالمغناطيسية دون الخوض في الرياضيات المعقدة.

يسمى القانون الأول المتعلق بالمغناطيسية "قانون عدم الاحتكار". ينص هذا بشكل أساسي على أن جميع المغناطيسات لها قطبان ، ولن يكون هناك مغناطيس بقطب واحد. بعبارة أخرى ، لا يمكن أن يكون لديك قطب شمالي من المغناطيس بدون قطب جنوبي ، والعكس صحيح.

القانون الثاني المتعلق بالمغناطيسية يسمى قانون فاراداي. يصف هذا عملية الحث ، حيث مجال مغناطيسي متغير (ينتج بواسطة مغناطيس كهربائي مع a تيار متغير أو بواسطة مغناطيس دائم متحرك) يحث على الجهد (والتيار الكهربائي) في مكان قريب موصل.

يسمى القانون النهائي المتعلق بالمغناطيسية قانون Ampere-Maxwell ، وهذا يصف كيف ينتج مجال كهربائي متغير مجالًا مغناطيسيًا. ترتبط قوة المجال بالتيار الذي يمر عبر المنطقة ومعدل تغير المجال الكهربائي (الذي ينتجه حاملات الشحنة الكهربائية مثل البروتونات والإلكترونات). هذا هو القانون الذي تستخدمه لحساب مجال مغناطيسي في حالات أبسط ، مثل لفائف من الأسلاك أو سلك طويل مستقيم.