المغناطيسية

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته

أهلا وسهلا بكم أعزائنا القراء في موضوع جديد من موضوعات 

العلم نور في موضوعنا اليوم سنتحدث عن المغناطيسية وسنتطرق إلى :

      -        تخطيط المجالات المغناطيسية .

      -        المجالات المغناطيسية للتيارات .

      -        القوة المؤثرة على تيار في مجال مغناطيسي .

      -        امتداد قاعدة اليد اليمنى . 

      -        القوى المؤثرة على شحنات متحركة . 

      -        المجال المغناطيسي للأرض  . 

تخطيط المجالات المغناطيسية :

يتواجد المجال المغناطيسي في المنطقة المتاخمة للمغناطيس . و كبداية قد نصف المجال المغناطيسي بدلالة تأثيره على إبرة بوصلة .  وكما قد تعلم فإبرة البوصلة ليست إلا مغناطيسا صغيرا , و طرف الإبرة الذي يشير إلى الشمال نتيجة للمجال المغناطيسي للكرة الأرضية يسمى القطب الشمالي للمغناطيس الإبري , وفضلا عن ذلك يعرف المجال المغناطيسي بحيث أن القطب الشمالي لإبرة البوصلة يشير إلى اتجاه مواز للمجال . إذا اخذنا هذا في الاعتبار بالإضافة إلى حقيقة أن الأقطاب المتشابهة تتنافر و المختلفة تتجاذب فإنه يصبح من السهل تخطيط المجال المغناطيسي .

افترض كمثال بسيط اننا نريد تخطيط المجال المغناطيسي حول قضيب مغناطيسي إذا وضعت بوصلة بجوار المغناطيس فإنها تصطف في اتجاه المجال المغناطيسي كما يوضح الشكل السابق , حيث ترى عدة بوصلات . وعليك أن تقنع نفسك أن الأقطاب الشمالية للإبر (رؤوس الأسهم ) ستصطف , كما هو مبين تحت تأثير التنافر مع القطب الشمالي و التجاذب مع القطب الجنوبي للمغناطيس . وتتكون صورة المجال المغناطيسي عن طريق رسم سلسلة من الخطوط حول المغناطيس بحيث تبين هذه الخطوط الاتجاه الذي تشير إليه ابرة البوصلة , وقد تم هذا بالنسبة لقضيب مغناطيسي في الشكل التالي 

أما المجالات التي تحيط بأنواع أخرى من المغناطيسات فترى في الشكلين التاليين أن المجال يأخذ الاتجاه الخارج من القطب الشمالي والمقابل على القطب الجنوبي لماذا ؟

تذكر أن اتجاه المجال عند نقطة ما يكون موازيا للاتجاه الذي تشير إليه ابرة البوصلة .

كثير من الملامح الهامة للمجال المغناطيسي يمكن التيقن منها من صور كالموجودة في الشكل السابق , و على وجه الخصوص يمكن اعتبار الكثافة النسبية للخطوط في شكل معين كمقياس لشدة المجال . ونتيجة لهذا فان خطوط المجال المغناطيسي في شكل ما ليست فقط صورة لاتجاه المجال وانما تشير أيضا إلى قيمته النسبية .

المجالات المغناطيسية للتيارات :

ليست المغناطيسات المصدر الوحيد للمجالات المغنطيسية ,فقد اكتشف هانزكريستيان اورستد , عام 1820 م أنه إذا سرى تيار في سلك فسينتج عن ذلك انحراف لإبرة بوصلة مجاورة . وقد بين هذا أن التيار المار في سلك له القدرة  على توليد مجال مغناطيسي ونحن نعلم الآن , من تجارب مختلفة أخرى , صحة هذا الأمر , فضلا عن هذا هناك دلائل على أن المجال المغناطيسي لمغناطيس ما قد يكون أيضا نتيجة لحركات الشحنات .

لقد بحث أورستد طبيعة المجال المغناطيسي لسلك مستقيم طويل يحمل تيارا ويبين الشكل السابق تجربة أورستد . يحمل السلك تيارا في الاتجاه المشار إليه . عند وضع بوصلة بالقرب من السلك فإن الإبرة تستقر بحيث يكون طولها مماسا لدائرة متحدة المركز مع السلك مما يدل أن المجال المغناطيسي موجود على هيئة دائرية حول السلك . وكما هو متوقع تبلغ شدة المجال أقصاها بجوار السلك مباشرة .

ويوضح الشكل التالي  تمثيلا ذا ثلاثة أبعاد للمجال المغناطيسي , وفي هذا الشكل كما في الأشكال التالية سيكون رمز النقطة دليلا على أن السهم في اتجاه القارئ وهذان الرمزان عني بهما الإشارة إلى راس السهم وذيله .

هناك قاعدة بسيطة تدلنا على اتجاه المجال المغناطيسي حول سلك ما تسمى قاعدة اليد اليمنى فلو اننا قبضنا على السلك باليد اليمنى بحيث يشير الابهام في اتجاه التيار , فإن الأصابع ستحيط السلك مشيرة إلى اتجاه المجال .

القوة المؤثرة على تيار في مجال مغناطيسي :

ناقشنا حتى الآن الجوانب الكيفية فقط للمجال المغناطيسي و نود الآن البحث عن وسيلة لقياسه بدقة . ويمكن عمل هذا باستخدام حقيقة أنه إذا وضع سلك يحمل تيارا في مجال مغناطيسي فإنه يتعرض لقوة . ولبيان هذه الظاهرة في تجربة نموذجية يوضع سلك بين قطبي مغناطيس كما هو مبين في الشكل السابق وعندما يسري تيار خلال السلك في الاتجاه المشار إليه , فإن السلك يتعرض لقوة تدفعه في الاتجاه المبين , فإذا عكس اتجاه التيار ينعكس اتجاه القوة المؤثرة على السلك .

يعتمد مقدار القوة F المؤثرة على السلك على عدة عوامل . وبالرجوع إلى التجربة يمكننا فصل كل عامل على حدة ثم تحديد العلاقات بين العوامل بدقة . لقد وجد أن القوة تتناسب طرديا مع كل من التيار I في السلك وطول السلك L الموجود في المجال المغناطيسية فحين يتضاعف التيار تتضاعف تبعا لذلك القوة . سنختار تعريفا للمجال المغناطيسي بدلالة متجه B  له اتجاه عند نقطة ما مطابق لاتجاه المجال المغناطيسي عند تلك النقطة . ومقدار B سيعتبر متناسبا مع القوة التي يتعرض لها السلك الذي يحتمل تيارا وهو بالمجال . ومن ثم فإن القوة التي تؤثر على سلك طوله L يحتمل تيارا قدره I في مجال مغناطيسي شدته B يعطى بالعلاقة :

على أن هناك بعض المضاعفات , فعندما يكون السلك على خط واحد مع المجال فإن القوة المؤثرة عليه تكون صفرا . وقد بينت تجارب أخرى أن القوة المؤثرة على السلك تتناسب مع مركبة B المتعامدة مع السلك .

إن الوحدات المعرفة في المعادلة السابقة للكمية B هي Wb/m²  وتسمى أيضا weber/m² , tesla ( T )  . وكلتا التسميتين مستخدمتان .

ووحدتها هي N/(A)(m)

ف N  وحدة القوة F

و A وحدة التيار I

و m وحدة الطول L

و wb  أو T وحدة شدة المجال المغناطيسي B

ومن الوحدات المستخدمة للتعبير عن B وحدة gauss (G) وهي أصغر بكثير من وحدة weber / square meter إذ أن العلاقة بينهما هي 10⁴ G = 1 wb/m² .

هناك عدة أسماء تطلق على B  وهي : شدة المجال المغناطيسي , كثافة التدفق , الحث المغناطيسي .

مثال توضيحي : أوجد القوة المؤثرة على طول قدرة 300 cm من سلك , فإذا كانت الزاوية 53 و التيار 20 A أما الحث المغناطيسي B هو 2.0 G

الحل :

إن قيمة B عند تحويلها تساوي 0.8 T  و عند تحويل L إلى متر نجد انها تساوي 3.0 . (قمنا بالتحويل وذلك لأن    Gauss و cm  ليستا من الوحدات الأساسية )

امتداد قاعدة اليد اليمنى  :

بينا في القسم السابق أن اتجاه القوة التي يتعرض لها سلك يحمل تيارا في مجال مغناطيسي يكون عاموديا على المستوى الذي يحدد بكل السلك والمجال . سنقوم الآن بدراسة امتداد بديهي بسيط لقاعدة اليد اليمنى مما يتيح لنا أن نعرف اتجاه القوة التي يتعرض لها السلك . وهي في الحقيقة ليست إلا وسيلة بديهية محضة لتذكر اتجاه القوة ولا يجب الصاق أي معنى فيزيائي بهذه القاعدة لأنها ببساطة قاعدة ذهنية .

وفي هذه القاعدة نجد أن أصابع اليد المفتوحة ستشير في اتجاه خطوط المجال المغناطيسي وتثبت اليد بحيث يكون الابهام مشيرا إلى الاتجاه الذي يسري فيه التيار داخل السلك . وحين يتم هذا سيكون اتجاه القوة المؤثرة على السلك هو الذي تدفع إليه راحة اليد .

لا يجب أن يكون في هذا الأمر أي خلط , فخط متجه المجال B وخط السلك يحددان معا مستوى . وتكون القوة دائما عمودية على هذا المستوى وطالما عرفت هذا فإن التخمين الصرف يتيح لك فرصة مقدارها خمسون في المائة لكي تحصل على الاتجاه الصحيح للقوة التي إما أن تكون خارجة أو داخلة من أحد جوانب المستوى . باستخدام هذه القاعدة ستتمكن من تحديد الاتجاه الصحيح   .

القوى المؤثرة على شحنات متحركة :

إن التيار هو نتيجة لحركة الجسيمات المشحونة , والسلك الذي يحمل تيارا يتعرض لقوة في مجال مغناطيسي . فهل من الضروري أن توجد هذه الجسيمات داخل السلك حتى يتعرض لتلك القوة جانب المجال المغناطيسي ؟

وعلى ما يبدو فلو أن القوة أثرت مباشرة على ناقلات الشحنة , لتعرضت هذه لقوة حتى في حيز مفتوح في منطقة يوجد فيها مجال مغناطيسي . والحقيقة أن هذا يحدث فعلا .

المجال المغناطيسي للأرض :

إن بعضا من التجارب التي وصفت في القسم السابق يعمل على تعقيدها كون الأرض تمثل مغناطيسا هائلا ويوضح الشكل السابق المجال المغناطيسي لها , ويمكن فقط على وجه التقريب تحديد موقع الأقطاب داخل الأرض وهي مبينة في الشكل للتوضيح . وتلاحظ هنا على وجه الخصوص أن الأقطاب الجغرافية , حسبما يحددها محور دوران الأرض , لا تنطبق مع الأقطاب المغناطيسية . كيف يمكن تحديد موضع القطب المغناطيسي عند الطرف الشمالي للأرض؟ تستخدم بوصلة يكون قطبها الشمالي – حسب التعريف – هو طرف الابرة الذي يشير إلى الشمال وعلى هذا فإن القطب الموجود عند الطرف الشمالي للأرض يجب أن يكون فعلا هو القطب الجنوبي للمغناطيس لأنه يجذب القطب الشمالي لإبرة البوصلة .

وهذه بطبيعة الحال هي النتيجة الحتمية لاختيارنا طرف المغناطيس الذي يتجه للشمال , قطبا مغناطيسيا شماليا . وعلى الرغم من أن التعريف العادي للقطب الشمالي والجنوبي قد تسبب بعض الخلط إلا أن هذا لا يشكل أية صعوبة بالنسبة للطالب الماهر .

يكون المجال المغناطيسي للأرض موازيا لسطح الأرض بالقرب من خط الاستواء فقط أما بالقرب من القطبين فإن المجال يكون عموديا على الأرض تقريبا . والكميات المطلوبة لتحديد مجال الأرض في بقعة معينة هي اتجاه ومقدار هذا المجال .

تم بحمد الله

نستقبل أسئلتكم واستفساراتكم واقتراحاتكم في خانة التعليقات

" نرد على جميع التعليقات "

وختاما نتمنى أن يكون الموضوع نال إعجابكم ونهلتم منه الفائدة المرجوة...

 بالتوفيق للجميع ...^_^