المغناطيس هو حجر يحتوي على خام الحديد الممغنط، وهو جزء أساسي من تكوينات الصخور البركانية، ويعتبر من المعادن الشائعة في الطبيعة. يعرف هذا الحجر منذ العصور القديمة بسبب قوته المغناطيسية، وهي القوة التي يؤثر بها المغناطيس على جزيئات المواد المعينة، مما يؤدي إما إلى جذبها أو انتزاعها، ومن بين المواد التي تتأثر بالمغناطيسية معدن الحديد .
تشكلت الأحجار المغناطيسية في ظروف لم يعرف علميا بعد، ولكن يعتقد العلماء أنها قد تكونت من أكاسيد الحديد الأسود والماجنيتايت. تتميز هذه الأحجار بأنها تظل مغناطيسية بشكل دائم بسبب مقاومتها. ومن النظريات المقترحة أيضا أن الأحجار المغناطيسية اكتسبت قوتها المغناطيسية من المجال المغناطيسي القوي للصواعق، وهذا يؤكد فكرة وجود الأحجار المغناطيسية على سطح الأرض وليس في العمق. في الطبيعة، هناك مركبان يأخذان شكل أحجار مغناطيسية طبيعية، وهما: أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4) والبيروتيت .
تاريخ اكتشاف المغناطيس
لا يعد اكتشاف المغناطيس حديثا، فقد اكتشفته الحضارات اليونانية والصينية وشعوب الأولمك في العصور القديمة. وقد استخدمت شعوب الأولمك المغناطيس في تحديد الاتجاهات وبناء المعابد، وأسس اسم “الحجر العجيب” للمغناطيس بعد ذلك. وقد اكتشف العالم اليوناني “طاليس ميليتوس” قوة جذب المغناطيس للحديد في القرن السادس قبل الميلاد، واستخدمت الحضارة الصينية المغناطيس في الملاحة البحرية خلال العصور الوسطى، وتم ذكره في كتاب “قائد وادي الشياطي .
المغناطيس عند العرب
يتضمن كتاب الجماهير في معرفة الجواهر للبيروني شرحا مفصلا حول المغناطيس ويذكر الصفات المشتركة بين المغناطيس والعنبر، ويعتبر الجذب هو الصفة المشتركة الرئيسية بينهما، ولكن المغناطيس لديه قوة جذب أكبر، وذكر البيروني أن الأمم السابقة استخدمت الحديد في صناعة السفن والإبحار بها، لكن الصينيين استخدموا الألواح الخشبية المصنوعة من خشب الزيتون لتجنب جذب السفن إلى قاع بحر الصين الذي يحتوي على الحجر المغناطيسي .
تسمية المغناطيس
هناك روايتان حول سبب تسمية المغناطيس بهذا الاسم: تعود المنشأ الأول للكشف عن الحجارة المغناطيسية إلى منطقة في آسيا الصغرى بالقرب من تركيا والتي تسمى مغنيسيا، أما المنشأ الثاني فيعود إلى راعي أغنام يدعى ماغنس الذي لاحظ أن عصاه المعدنية تنجذب بقوة نحو حجارة محددة وأن المسامير الموجودة في حذائه تنجذب بقوة إلى الصخور السوداء، وقد أطلق على هذه الصخور اسم المغنتيت تيمنا باسم هذا الراعي الذي اكتشفها .
أنواع المغناطيس
يتم تصنيف المغناطيس إلى ثلاثة أنواع
المغناطيس الدائم : تنشأ في هذا المغناطيس مجالات جذب بدون الحاجة إلى أي مصدر خارجي أو قوة أخرى أو تيار كهربائي؛ لأنه مغناطيس طبيعي، وتختلف أنواع المواد التي يتشكل منها المغناطيس الدائم، ولكل نوع خصائص مميزة وقوة جذب مختلفة عن الأنواع الأخرى.
المغناطيس المؤثت : هي مادة غير مغناطيسية تتحول إلى مغناطيس عند تعرضها لمجال مغناطيسي خارجي، ولكن تفقد هذه الخاصية عند انتهاء تأثير هذا المجال.
المغناطيس الكهربائي: يتم تحويل الحديد إلى مغناطيس في هذا النوع من خلال لفه بسلك موصل ومعزول، ثم يتم تمرير التيار الكهربائي خلال هذا السلك.
خصائص المغناطيس
أعلن علماء الفيزياء عن خصائص ومصطلحات عامة للمغناطيس، ومنها تم تحديدها
المغناطيسية : المغناطيسية تعرف بأنها متجهة، ويمكن إيجاد قوتها وقيمتها بالاعتماد على قيمة العزم المغناطيسي.
المجال المغناطيسي: الحث المغناطيسي أو المجال المغناطيسي هو القوة المغناطيسية المنبعثة من المغناطيس، ويمكن الكشف عنها باستخدام قضيب مغناطيسي ورق ومادة برادة الحديد، حيث تترتب البرادة في خطوط دائرية متجهة من الشمال إلى الجنوب، وتتعاكس خطوط المجال المغناطيسي الداخلية مع الخارجية، حيث تتجه من الجنوب إلى الشمال داخل المغناطيس.
الأقطاب: يتكون المغناطيس من قطبين بغض النظر عن طوله أو حجمه: قطب شمالي وقطب جنوبي. ونرى رموز (N، S) على طرفي القطب المغناطيسي، تشير إلى الشمال والجنوب على التوالي. عادة، يكون اللون الأحمر مرتبطا بالقطب الشمالي، بينما اللون الأزرق يرمز للقطب الجنوبي. تتميز هذه الأقطاب بقدرتها على الجذب إذا كانت مختلفة، مما يعني أن القطب الشمالي للمغناطيس يجذب القطب الجنوبي لمغناطيس آخر. وفي حالة تشابه الأقطاب، فإنها تتنافر .
الحركة الأفقية: يتميز المغناطيس بحركته الأفقية نحو الشمال المغناطيسي عند وضعه بشكل غير مقيد؛ فعند تعليقه في المركز الثقيل، يبدأ في الحركة جنوبا وشمالا، ويبقى متحركا حتى يصبح محوره متوازيا مع خط الانحراف المغناطيسي للكرة الأرضية. في هذا الحال، يكون القطبان الشمالي والجنوبي للمغناطيس بهذا الاتجاه.
قوة جذب المغناطيس : يعد طرفا المغناطيس هما الأقوى جاذبية مقارنة بباقي أجزائه، حيث يتكون المغناطيس من محور المغناطيس، وهو الخط الذي يصل بين قطبي المغناطيس، وتسمى هذه المسافة بالطول الفعال للمغناطيس ويرمز لها بـ (2L). والبعد الفاصل بين طرفي المغناطيس يعرف بالطول الطبيعي للمغناطيس. وتتميز المنطقة التي تتوسط المغناطيس بضعف قدرتها على الجذب، ويطلق عليها المنطقة الحيادية.
تساوي قوتي قطبي المغناطيس : تتساوى قوة جذب القطبين الشمالي والجنوبي المغناطيسيين، حيث لا يوجد أي اختلاف بينهما تماما.
استخدامات المغناطيس
تتعدد أستخدامات المغناطيس في الصناعات الحديثة، ومنها ما يأتي
– المجال الطبي: يعتبر جهاز الرنين المغناطيسي من أهم الأجهزة المستخدمة في المجالات الطبية، حيث يساعد على تشخيص حالة المريض بشكل أفضل من الأشعة السينية ويمنح رؤية أكثر وضوحا للأعضاء الداخلية للجسم.
– الأجهزة الإلكترونية: يتم استخدام المغناطيس في تصنيع مكبرات الصوت الكهربائية، والميكروفونات، وأجهزة قراءة أشرطة الفيديو.
– رفع أثقال حديدية أو فولاذية ثقيلة، مثل: مناطق ردم النفايات، والخردوات، وغيرها.
تشمل هذه الصناعة صناعة المحركات الكهربائية، والأجراس الكهربائية، والدينامو، والملفات اللولبية، ومعجلات الجسيمات.
– تثبيت هياكل القطارات المغناطيسية: تعتبر هذه واحدة من التطبيقات الرائعة في مجال الفيزياء. حيث يعتبر التيار الكهربائي والمغناطيس المحركان الأساسيان لهذا التطبيق. يعتمد على مواد ذات قدرة عالية على توصيل التيار الكهربائي للتحكم في القطار من خلال الجذب والتنافر الناشئين من القوة المغناطيسية. وقد تصل سرعة هذه القطارات إلى 431 كيلومترا في الساعة.