ما الذي يسبب قوة مختلفة في المغناطيس؟

كثير من الناس على دراية بالمغناطيس لأنه غالبًا ما يكون لديهم مغناطيس زخرفي في ثلاجة المطبخ. ومع ذلك ، فإن للمغناطيس العديد من الأغراض العملية بخلاف الزخرفة ، والعديد منها يؤثر على حياتنا اليومية دون علمنا بذلك.

هناك الكثير من الأسئلة حول كيفية عمل المغناطيس ، وأسئلة عامة أخرى حول المغناطيسية. ومع ذلك ، للإجابة على معظم هذه الأسئلة ، وفهم كيف يمكن أن تختلف المغناطيسات المختلفة قوة المجالات المغناطيسية ، من المهم أن نفهم ما هو المجال المغناطيسي وكيف هو أنتجت.

المجال المغناطيسي هو القوة التي تؤثر على جسيم مشحون ، والمعادلة التي تحكم هذا التفاعل هيقانون قوة لورنتز.المعادلة الكاملة لقوة أالحقل الكهربائي​ ​هو أالمجال المغناطيسي بعلى الجسيم المشحونفوالسرعةالخامساعطي من قبل:

تذكر ذلك لأن القوةF، الحقولهوبوالسرعةالخامسكلها نواقل×العملية هيناقلات عبر المنتجوليس الضرب.

يتم إنتاج الحقول المغناطيسية عن طريق تحريك الجسيمات المشحونة ، والتي تسمى غالبًاالتيار الكهربائي. المصادر الشائعة للمجالات المغناطيسية من التيار الكهربائي هي المغناطيسات الكهربائية ، مثل سلك بسيط ، وسلك في حلقة ، وعدة حلقات من الأسلاك في سلسلة تسمى

ومع ذلك ، لا يبدو أن تلك المغناطيسات الموجودة على ثلاجتك تحتوي على أي تيارات متدفقة أو مصادر طاقة. كيف يعمل هؤلاء؟

المغناطيس الدائم هو قطعة منالمواد المغناطيسيةلها خاصية جوهرية تنتج مجالًا مغناطيسيًا. التأثير الجوهري الذي ينتج مجالًا مغناطيسيًا هو دوران الإلكترون ، وتؤدي محاذاة هذه الدورات إلى إنشاء مجالات مغناطيسية. هذه المجالات تؤدي إلى مجال مغناطيسي صافي.

تميل المواد المغناطيسية الحديدية إلى الحصول على درجة عالية من ترتيب المجال في شكلها الطبيعي ، والذي يمكن بسهولة محاذاة بالكامل بواسطة مجال مغناطيسي خارجي. وهكذا تميل المغناطيسات المغناطيسية إلى أن تكون مغناطيسية عند العثور عليها في الطبيعة وتحتفظ بسهولة بخصائصها المغناطيسية.

​المواد ديامغناطيسيةتشبه المواد المغناطيسية الحديدية وقد تنتج مجالًا مغناطيسيًا عندما توجد في الطبيعة ، ولكنها تستجيب للمجالات الخارجية بشكل مختلف. ستنتج المادة ذات النفاذية المغناطيسية مجالًا مغناطيسيًا متعاكسًا في وجود مجال خارجي. يمكن أن يحد هذا التأثير من القوة المطلوبة للمغناطيس.

​المواد البارامغناطيسيةتكون مغناطيسية فقط في وجود مجال مغناطيسي خارجي محاذاة ، وتميل إلى أن تكون ضعيفة إلى حد ما.

كما ذكرنا ، تتكون المغناطيسات الدائمة من مجالات مغناطيسية محاذاة بشكل عشوائي. داخل كل مجال ، هناك درجة معينة من الترتيب التي تخلق مجالًا مغناطيسيًا. ينتج عن تفاعل جميع المجالات في قطعة واحدة من المادة المغناطيسية المجال المغناطيسي الكلي أو الصافي للمغناطيس.

إذا تمت محاذاة المجالات بشكل عشوائي ، فمن المحتمل أن يكون هناك مجال مغناطيسي صغير جدًا أو صفر بشكل فعال. ومع ذلك ، إذا تم تقريب مجال مغناطيسي خارجي من المغناطيس غير المرتب ، فستبدأ المجالات في المحاذاة. ستؤثر مسافة مجال المحاذاة إلى المجالات على المحاذاة الكلية ، وبالتالي على صافي المجال المغناطيسي الناتج.

يمكن أن يساعد ترك مادة مغناطيسية في مجال مغناطيسي خارجي لفترة طويلة من الزمن في إكمال الطلب وزيادة المجال المغناطيسي المنتج. وبالمثل ، يمكن تقليل المجال المغناطيسي الصافي للمغناطيس الدائم عن طريق إدخال العديد من المجالات المغناطيسية العشوائية أو المتداخلة ، والتي يمكن أن تؤدي إلى اختلال محاذاة المجالات وتقليل المجال المغناطيسي الصافي.

هل حجم المغناطيس يؤثر على قوته؟ الإجابة المختصرة هي نعم ، ولكن فقط لأن حجم المغناطيس يعني أن هناك نسبيًا المزيد من المجالات التي يمكنها محاذاة وإنتاج مجال مغناطيسي أقوى من قطعة أصغر من نفس المجال مواد. ومع ذلك ، إذا كان طول المغناطيس طويلًا جدًا ، فهناك فرصة متزايدة لأن الحقول المغناطيسية الضالة ستؤدي إلى اختلال محاذاة المجالات وتقليل صافي المجال المغناطيسي.

عامل آخر يساهم في قوة المغناطيسدرجة الحرارة. في عام 1895 ، قرر الفيزيائي الفرنسي بيير كوري أن المواد المغناطيسية لها درجة حرارة مقطوعة عند هذه النقطة يمكن أن تتغير خصائصها المغناطيسية. على وجه التحديد ، لم تعد المجالات محاذاة أيضًا ، وبالتالي تؤدي محاذاة المجال الأسبوعية إلى مجال مغناطيسي ضعيف.

بالنسبة للحديد ، تبلغ درجة حرارة كوري حوالي 1418 درجة فهرنهايت. بالنسبة للمغنتيت ، تبلغ درجة الحرارة حوالي 1060 درجة فهرنهايت. لاحظ أن درجات الحرارة هذه أقل بكثير من درجة انصهارها. وبالتالي ، يمكن أن تؤثر درجة حرارة المغناطيس على قوته.

هناك فئة مختلفة من المغناطيسمغناطيس كهربائي، وهي عبارة عن مغناطيسات يمكن تشغيلها وإيقافها.

المغناطيس الكهربائي الأكثر شيوعًا المستخدم في التطبيقات الصناعية المختلفة هو الملف اللولبي. الملف اللولبي هو سلسلة من الحلقات الحالية ، والتي ينتج عنها مجال موحد في وسط الحلقات. هذا يرجع إلى حقيقة أن كل حلقة تيار فردية تخلق مجالًا مغناطيسيًا دائريًا حول السلك. من خلال وضع العديد في سلسلة ، يخلق تراكب المجالات المغناطيسية حقلاً مستقيمًا وموحدًا عبر مركز الحلقات.

معادلة حجم المجال المغناطيسي اللولبي هي ببساطة:ب = ميكرومتر₀لا، أينμ₀ هي نفاذية الفضاء الحر ،نهو عدد الحلقات الحالية لكل وحدة طول وأناهو التيار الذي يتدفق من خلالها. يتم تحديد اتجاه المجال المغناطيسي بقاعدة اليد اليمنى واتجاه تدفق التيار ، وبالتالي يمكن عكس اتجاه التيار.

من السهل جدًا رؤية أن قوة الملف اللولبي يمكن تعديلها بطريقتين أساسيتين. أولاً ، يمكن زيادة التيار عبر الملف اللولبي. بينما يبدو أنه يمكن زيادة التيار بشكل تعسفي ، فقد تكون هناك قيود على مصدر الطاقة أو مقاومة الدائرة ، مما قد يؤدي إلى تلف إذا تم سحب التيار الزائد.

لذلك ، فإن الطريقة الأكثر أمانًا لزيادة القوة المغناطيسية للملف اللولبي هي زيادة عدد الحلقات الحالية. من الواضح أن المجال المغناطيسي يزيد بشكل متناسب. قد يكون القيد الوحيد في هذه الحالة هو مقدار السلك المتاح ، أو القيود المكانية إذا كان الملف اللولبي طويلًا جدًا بسبب عدد الحلقات الحالية.

هناك العديد من أنواع المغناطيسات الكهربائية إلى جانب الملفات اللولبية ، ولكن جميعها لها نفس الخاصية العامة: قوتها تتناسب مع التدفق الحالي.

توجد المغناطيسات الكهربائية في كل مكان ولها استخدامات عديدة. مثال شائع وبسيط جدًا للمغناطيس الكهربائي ، وتحديدًا الملف اللولبي ، هو مكبر الصوت. يتسبب التيار المتغير عبر السماعة في زيادة قوة المجال المغناطيسي اللولبي وتقليله.

أثناء حدوث ذلك ، يتم وضع مغناطيس آخر ، على وجه التحديد مغناطيس دائم ، في أحد طرفي الملف اللولبي وعلى سطح مهتز. نظرًا لأن المجالين المغناطيسيين يجذبان ويتنافران بسبب المجال اللولبي المتغير ، يتم سحب السطح المهتز ودفعه لإنتاج الصوت.

تستخدم مكبرات الصوت ذات الجودة الأفضل ملفات لولبية عالية الجودة ومغناطيس دائم وأسطح اهتزازية لإنشاء إخراج صوتي عالي الجودة.

أكبر مغناطيس في العالم هو الأرض نفسها! كما ذكرنا ، تحتوي الأرض على مجال مغناطيسي ناتج عن التيارات المتكونة من لب الأرض. في حين أنه ليس مجالًا مغناطيسيًا قويًا جدًا بالنسبة إلى العديد من المغناطيسات الصغيرة المحمولة أو التي تم استخدامها مرة واحدة في مسرعات الجسيمات ، فإن الأرض نفسها واحدة من أكبر المغناطيسات التي نعرفها!

مادة مغناطيسية أخرى مثيرة للاهتمام هي أكسيد الحديد الأسود. المغنتيت هو خام حديد ليس شائعًا جدًا فحسب ، بل هو المعدن الذي يحتوي على أعلى محتوى من الحديد. يُطلق عليه أحيانًا حجر الأساس ، نظرًا لخصائصه الفريدة المتمثلة في وجود مجال مغناطيسي يتماشى دائمًا مع المجال المغناطيسي للأرض. على هذا النحو ، تم استخدامه كبوصلة مغناطيسية في وقت مبكر من 300 قبل الميلاد.