بحث عن المجالات المغناطيسية

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد وعلى آله وصحبه أجمعين. أما بعد، فقد عرف الإنسان المغناطيس منذ القدم حين لاحظ أن بعض الصخور تجذب قطع الحديد، ثم تبين مع تقدم العلم أن للمغناطيس مجالًا غير مرئي يحيط به ويؤثر فيما حوله. وللمجالات المغناطيسية دور كبير في عالمنا، من البوصلة التي تهدي المسافرين إلى المحركات الكهربائية والأجهزة الطبية الحديثة. وفي هذا البحث نتناول أهم مفاهيمها وقوانينها.

تعريف الموضوع

المجال المغناطيسي هو الحيز المحيط بمغناطيس أو سلك يمر فيه تيار كهربائي، وتظهر فيه آثار القوى المغناطيسية على المواد المغناطيسية والشحنات المتحركة. وهو كمية متجهة يرمز لها بالرمز B، وتقاس بوحدة التسلا (T) في النظام الدولي للوحدات، وتستخدم أحيانًا وحدة أصغر هي الجاوس، والتسلا الواحد يساوي عشرة آلاف جاوس.

أهمية الموضوع

تقوم على المجالات المغناطيسية تقنيات كثيرة: المولدات والمحولات والمحركات الكهربائية، وأجهزة التخزين، والتصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات، والقطارات المغناطيسية. وفهمها ضروري لدراسة الكهرومغناطيسية والفيزياء الحديثة.

أهداف البحث

• التعرف على المجال المغناطيسي وخطوطه وخصائصه.
• معرفة مصادر المجال المغناطيسي والعلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية.
• تعرّف القوة المغناطيسية على شحنة متحركة وعلى سلك يحمل تيارًا.
• حساب المجال المغناطيسي لسلك مستقيم وملف لولبي.
• التعرف على المجال المغناطيسي للأرض وعلى تطبيقات المجالات المغناطيسية.

عناصر البحث

أولًا: خطوط المجال المغناطيسي

لتمثيل المجال المغناطيسي نرسم خطوطًا تسمى خطوط المجال، ومن خصائصها:

• تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل في قطبه الجنوبي خارج المغناطيس، وتكمل دورتها داخله فهي خطوط مغلقة.
• اتجاه المجال عند أي نقطة هو اتجاه المماس للخط عندها، وهو اتجاه استقرار القطب الشمالي لإبرة مغناطيسية موضوعة عند هذه النقطة.
• كلما تقاربت الخطوط كان المجال أقوى، وكلما تباعدت كان أضعف.
• لا تتقاطع خطوط المجال أبدًا.

ويمكن رؤية شكل الخطوط بنثر برادة الحديد على ورقة موضوعة فوق مغناطيس.

ثانيًا: مصادر المجال المغناطيسي

هناك مصدران رئيسان للمجال المغناطيسي:

• المغانط الدائمة: كقطع المغناطيس المصنوعة من الحديد والنيكل والكوبالت وسبائكها.
• التيار الكهربائي: فقد اكتشف العالم الدنماركي هانز أورستد عام ١٨٢٠م أن التيار الكهربائي يحرف إبرة البوصلة القريبة منه، فكان ذلك أول دليل على العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، ثم بنى عليه أمبير وفاراداي وماكسويل نظرية متكاملة.

وأصل المغناطيسية في المغانط حركة الإلكترونات داخل الذرات وخواصها المغناطيسية الذاتية.

ثالثًا: القوة المغناطيسية على شحنة متحركة

إذا تحركت شحنة q بسرعة v داخل مجال مغناطيسي B أثّر فيها المجال بقوة تعطى بالعلاقة:

F = q v B sin θ

حيث θ الزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال. ومن خصائص هذه القوة أنها تعتمد على كل من السرعة والمجال، وتنعدم إذا كانت الشحنة ساكنة أو تتحرك موازية للمجال، وأقصى قيمة لها عندما تتحرك الشحنة عموديًا على المجال. واتجاهها يحدده قاعدة اليد اليمنى: توجه الأصابع في اتجاه السرعة وتثنى نحو اتجاه المجال، فيشير الإبهام إلى اتجاه القوة على الشحنة الموجبة، ويعكس الاتجاه للشحنة السالبة.

وبما أن القوة عمودية دائمًا على السرعة فإنها لا تبذل شغلًا ولا تغير مقدار السرعة، بل تغير اتجاهها فقط، ولذلك تتحرك الشحنة في مسار دائري إذا دخلت عموديًا على مجال منتظم، ونصف قطر المسار يعطى بالعلاقة:

r = mv / qB

رابعًا: القوة المغناطيسية على سلك يحمل تيارًا

التيار الكهربائي شحنات متحركة، فيتعرض السلك الذي يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي لقوة تعطى بالعلاقة:

F = B I L sin θ

حيث I شدة التيار و L طول السلك داخل المجال. وهذه القوة هي أساس عمل المحرك الكهربائي، إذ يوضع ملف يمر فيه تيار بين قطبي مغناطيس فيتعرض لعزم يدوّره باستمرار.

خامسًا: المجال المغناطيسي الناتج عن التيار

• سلك مستقيم طويل: يتولد حوله مجال خطوطه دوائر مركزها السلك، ويعطى مقداره على بعد r منه بالعلاقة B = μ₀I / 2πr، حيث μ₀ ثابت النفاذية المغناطيسية للفراغ، وقيمته نحو 4π × 10^-7 T·m/A. ويتحدد اتجاهه بقاعدة اليد اليمنى: يشير الإبهام إلى اتجاه التيار وتلتف الأصابع في اتجاه المجال.
• الملف اللولبي: سلك ملفوف على شكل حلزون، ويكون المجال في داخله منتظمًا تقريبًا ويعطى بالعلاقة B = μ₀nI، حيث n عدد اللفات في وحدة الطول. ويشبه المجال خارجه مجال مغناطيس قضيبي. وإذا وضع في داخله قضيب من الحديد المطاوع زاد المجال كثيرًا، وهذا هو المغناطيس الكهربائي.

سادسًا: مثال محلول

سلك مستقيم طويل يمر فيه تيار شدته 10 A. ما مقدار المجال المغناطيسي عند نقطة تبعد 0٫2 m عنه؟

B = μ₀I / 2πr = (4π × 10^-7 × 10) / (2π × 0.2) = 1 × 10^-5 T

أي أن المجال يساوي عشرة ميكروتسلا تقريبًا، وهو قريب من مقدار المجال المغناطيسي للأرض.

سابعًا: المجال المغناطيسي للأرض

تتصرف الأرض كأنها مغناطيس ضخم، ويُعتقد أن مصدر مجالها حركة المعادن المنصهرة في لبّها الخارجي. ومقدار مجالها عند سطحها صغير يقارب عشرات الميكروتسلا. والقطب الجغرافي الشمالي قريب من القطب المغناطيسي الجنوبي للأرض، ولهذا ينجذب القطب الشمالي للبوصلة نحو الشمال. وللمجال المغناطيسي الأرضي فائدة عظيمة، فهو يحرف جزءًا كبيرًا من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس، ويحمي بذلك الأحياء، وتتولد عند اصطدام بعضها بغلافنا الجوي قرب القطبين الظواهر الضوئية المعروفة بالشفق القطبي.

ثامنًا: تطبيقات المجالات المغناطيسية

• المحرك الكهربائي والمولد: الأول يحوّل الطاقة الكهربائية إلى حركية، والثاني يفعل العكس.
• المغناطيس الكهربائي: في الرافعات التي ترفع الخردة الحديدية وفي الأجراس الكهربائية.
• التصوير بالرنين المغناطيسي: يستخدم مجالات مغناطيسية قوية وموجات راديو للحصول على صور مفصلة لأعضاء الجسم دون أشعة سينية.
• مطياف الكتلة: يعتمد على انحراف الأيونات في المجال المغناطيسي لفصلها حسب كتلتها.
• القطارات المغناطيسية: تستخدم قوى التنافر والتجاذب المغناطيسي لترتفع عن السكة فتقل مقاومة الاحتكاك.

النتائج

• المجال المغناطيسي كمية متجهة تقاس بالتسلا، وخطوطه مغلقة لا تتقاطع.
• مصدر المجال مغانط دائمة أو تيارات كهربائية.
• تتأثر الشحنة المتحركة والسلك الحامل للتيار بقوة مغناطيسية عمودية على المجال.
• مجال السلك المستقيم يتناسب عكسيًا مع البعد، ومجال الملف اللولبي ينتظم في داخله.
• للأرض مجال مغناطيسي يحمي من الجسيمات الشمسية.

التوصيات

• تنفيذ تجارب بنثر برادة الحديد وبإبرة البوصلة لرؤية شكل المجال.
• التدرب على قواعد اليد اليمنى لتحديد الاتجاهات بدقة.
• ربط الموضوع بالتطبيقات الطبية والصناعية لزيادة الاهتمام بالفيزياء.

الخاتمة

تعرفنا في هذا البحث على المجالات المغناطيسية: خطوطها ومصادرها والقوى الناتجة عنها وقوانين حسابها وتطبيقاتها، وتبين أن الكهرباء والمغناطيسية وجهان لحقيقة واحدة هي الكهرومغناطيسية. وفي هذا النظام المتقن ما يدعو الإنسان إلى التأمل في عظمة خالقه سبحانه والإقبال على العلم.

المراجع

• كتاب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتاب «أساسيات الفيزياء»، هاليداي ورسنك وووكر.
• كتاب «الفيزياء للعلماء والمهندسين»، سيرواي وجويت.
• كتاب «فيزياء الجامعة»، يونغ وفريدمان.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، المجالات المغناطيسية