القوى الناتجة عن المجالات المغناطيسية

ما هو المجال المغناطيسي

المجال المغناطيسي هو صورة تستخدم كأداة لوصف كيفية توزيع القوة المغناطيسية في الفضاء حول وداخل جسم مغناطيسي، ويتكون المغناطيس من قطبين ويمكن أن يكون هناك جذب بين أقطاب متضادة أو تنافر بين أقطاب متماثلة، وندرك أن هناك مناطق تمتد حول المغناطيس ويصف المجال المغناطيسي هذه المناطق، ومن خلال التعرف على المجالات المغناطيسية يمكن معرفة المغناطيسات الدائمة والمؤقتة

ما هي القوى الناتجة عن المجالات المغناطيسية

تؤدي المجالات المغناطيسية المتفاعلة إلى ظهور القوة مغناطيسية  وهي جزء من القوة الكهرومغناطيسية ، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة ، وتسببها حركة الشحنات ، وستكون هناك قوة جذب مغناطيسية بين جسمين يحتويان على شحنة لها نفس اتجاه الحركة ، في حين أن الأجسام المشحونة تتحرك في اتجاهين متعاكسين لها قوة تنافر بينهما.

ويمكن أيضًا تعريفه بأنه الشكل الجذاب أو القبيح للطاقة الموجودة بين أقطاب المغناطيس والجسيمات المشحونة كهربائيًا، وتخلق هذه الشحنات المتحركة مجالات مغناطيسية.

أنواع القوة المغناطيسية

يمكن أن تكون القوة المغناطيسية من الأنواع التالية:

النفاذية المغناطيسية

لا تحتوي المواد ذات النفاذية المغناطيسية على إلكترونات غير متزاوجة، وكل مادة تقريبًا لديها نفاذية مغناطيسية وتميل هذه المواد إلى مقاومة المجال المغناطيسي الذي يتم تطبيقه، وبالتالي يتم صدها بواسطة هذا المجال المغناطيسي، ومن الأمثلة على هذه المواد هي النحاس والفضة والذهب والهواء والماء.

البارامغناطيسية 

المواد البارامغناطيسية تحتوي على إلكترونات غير مقترنة. وبسبب أن الإلكترونات غير المقترنة تكون حرة في تحديد اتجاه عزمها المغناطيسي، فعند وجود مجال مغناطيسي خارجي، تميل هذه اللحظات المغناطيسية لمحاذاة نفسها مع اتجاه المجال المطبق، وبالتالي تعززه. ومن أمثلة هذه المواد الألومنيوم والمنغنيز والبلاتين والليثيوم والأكسجين.

المغناطيسية الحديدية

تحتوي هذه المواد أيضًا على إلكترونات غير متزاوجة مثل المواد المغناطيسية، وتتميز بأنها تمتلك خواص مغناطيسية قوية في مجال مغناطيسي خارجي، وتحتفظ بخواصها المغناطيسية حتى بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي، ومن أمثلتها الحديد والنيكل والكوبالت.

قانون القوة المغناطيسية 

يعتمد حجم القوة المغناطيسية بين شيئين على مقدار الشحنة والحركة الموجودة في كل من الجسمين ومدى تباعدهما ، ويعتمد اتجاه القوة على اتجاهات حركة الشحنة ، والطريقة المعتادة لإيجاد القوة المغناطيسية من حيث مقدار الشحن الثابت V تتحرك بسرعة ثابتة q في مجال مغناطيسي موحد B ، إذا كنا لا نعرف حجم المجال المغناطيسي مباشرة ، فلا يزال بإمكاننا استخدام هذه الطريقة لأنه غالبًا ما يكون من الممكن حساب المجال المغناطيسي بناءً على المسافة إلى تيار معروف.

تسمى القوة التي يؤثر بها المجال المغناطيسي على شحنة (q) تتحرك بسرعة (v) بقوة لورنتز المغناطيسية، ويمكن حسابها بالتالي:

• F = v q × B

هنا، `B` هو المجال المغناطيسي، و `v` هي السرعة، و `F` هي القوة العمودية على اتجاه المجال المغناطيسي `B`، و `q` هي الشحنة. تكون القوة `F` عمودية على المستوى الذي يحتوي على كل من `v` و `B`.

في هذه الصيغة يتم كتابتها باستخدام حاصل الضرب الاتجاهي المتجه ، يمكننا كتابة مقدار القوة المغناطيسية بفك حاصل الضرب الاتجاهي ، مكتوبة من حيث الزاوية ثيتاθثيتا (<180 ^ دائرة<1 8 0 ∘ أقل من 180 درجة) بين متجه السرعة وناقل المجال المغناطيسي:

• F= qvB sinθ   

 مربع البداية، F، يعادل q، v، B، جيب، ثيتا، مربع النهاية

يمكن تحديد اتجاه القوة باستخدام قاعدة صفعة اليد اليمنى، حيث تصف هذه القاعدة اتجاه القوة على أنه اتجاه `صفعة` اليد المفتوحة.

أمثلة على القوة المغناطيسية

هناك العديد من الأمثلة في حياتنا اليومية على القوة المغناطيسية، وفيما يلي بعض هذه الأمثلة:

• البوصلة

البوصلة هي أداة تستخدم لتحديد الاتجاه، تحتوي على إبرة مغناطيسية مثبتة على محور أو دبوس قصير، ويمكن للإبرة الدوران بحرية والإشارة دائمًا إلى الشمال.

• ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي

يُعَدُّ التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) واحدًا من أشهر تقنيات التصوير الطبي المستخدمة في العديد من مراكز التشخيص في جميع أنحاء العالم. وتستخدم ماسحات التصوير بالرنين المغناطيسي مجالات مغناطيسية قوية وتدرجات مجال مغناطيسي وموجات الراديو لتوليد صور لأعضاء الجسم.

• المحرك الكهربائي

نستخدم القوة المغناطيسية في عمل مجففات الشعر اليدوية، والسكاكين الكهربائية، وشفرات الحلاقة الكهربائية لقص الشعر واللحية، فالمحرك الكهربائي يحول الطاقة الكهربائية إلى حركة فيزيائية، وتولد المحركات الكهربائية مجالات مغناطيسية بتيار كهربائي من خلال ملف، ثم يتسبب المجال المغناطيسي في قوة مغناطيسية بمغناطيس تسبب الحركة أو الدوران الذي يدير المحر.

• مكبرات الصوت

يتم تشغيل مكبر الصوت عن طريق تحويل إشارة كهربائية إلى صوت مسموع، ويحتوي المكبر على مغناطيس كهربائي، وهو عبارة عن ملف معدني يولد مجالا مغناطيسيا عند تدفق التيار الكهربائي فيه، ويتم جذبه بالتالي إلى المغناطيس الدائم ويطرد منه، ويهتز ذهابا وإيابا، وهذا ما يسمى القوة المغناطيسية التي تؤثر على السلك الذي يمر به التيار

• الثلاجات

تعمل الخزفيات المغناطيسية الضعيفة، مثل فريت الباريوم أو فريت السترونتيوم الموجود في مغناطيس الثلاجة، على تحويل دوران الإلكترونات غير المزدوجة في الذرات المعدنية في الثلاجة، بحيث يتم جذب المغناطيس وباب الثلاجة لبعضهما البعض، وتحافظ هذه القوة على إغلاق الأبواب.

• الحاسوب

يتم تخزين البيانات في محركات الأقراص الثابتة عن طريق الطبقة المغناطيسية الموجودة على القرص، وتتكون هذه الطبقة من مليارات أو حتى تريليونات من المغناطيسات الصغيرة، ويتم تخزين البيانات باستخدام رأس كهرومغناطيسي.

• الميكروويف

تعمل أفران الميكروويف أيضًا بمساعدة القوة المغناطيسية ، يستخدمون جهازًا يسمى مغنطرون لتوليد الطاقة للطهي ، المغنطرون عبارة عن أنبوب مفرغ مصمم لجعل الإلكترونات تدور في حلقة داخل الأنبوب ، يتم وضع مغناطيس حول الأنبوب لتوفير القوة المغناطيسية التي تجعل الإلكترونات تتحرك في حلقة.

• السيارات

بسبب القوة المغناطيسية، تستخدم السيارات الخصائص الكهرومغناطيسية التي تنتجها المحركات لإنشاء الحركة، بينما في المحركات التي تعمل بالوقود الأحفوري، يتم الحصول على الطاقة من خلال الاشتعال، حيث يتم تدوير الملف المغناطيسي المتصل بمحور لتدوير عجلات السيارة وتحريكها.

• القطارات

المغناطيس العائم هو نظام نقل يستخدم مجموعتين من المغناطيسات، إحداهما لصد القطار ودفعه بعيدا عن المسار، والأخرى لتحريك القطار في الهواء، مستفيدا من انخفاض الاحتكاك.

• المروحة المغناطيسية

يتم صد المغناطيسات الموجودة في دوار المروحة بتلك الموجودة في الجزء الثابت ، عندما يتمكنون من صد أنفسهم بعيدًا عن الحد الأقصى الذي تسمح به حركة الدوار ، تقوم الدائرة الكهربائية بتبديل إحدى مجموعات المغناطيسات ، بحيث يجد أولئك الموجودون في الجزء المتحرك والجزء الثابت أنفسهم يصدون بعضهم البعض مرة أخرى ، ومن خلال القيام بذلك بشكل متكرر في كل دورة من الدوار ، يتم إبقاء الدوار في حالة حركة مستمرة ، كل هذا يتم بواسطة قوة القوة المغناطيسية.