خصائص خطوط المجال المغناطيسي

شكل خطوط المجال المغناطيسي للتيار المستقيم

ظهور المجالات المغناطيسية هو أحد أهم مصادر القوة الكهرومغناطيسية. عندما تكون الشحنات في حالة حركة، يزداد التأثير المغناطيسي وتزداد قوة المجال المغناطيسي. وهي واحدة من القوى الأربع الرئيسية في الطبيعة. شكل خطوط المجال المغناطيسي المستمر يتكون من دوائر ذات مركز واحد، حيث تكون مسارات خطوط القوة المغناطيسية دائرية إلى حد ما، ومركزها هو مركز المغناطيس نفسه أو مركز المجال المغناطيسي. هناك عوامل مؤثرة في المجال المغناطيسي للملف اللولبي، حيث يتدفق التيار في الموصل الكهربائي. وعادة ما تكون هذه الخطوط مرئية، وعند وضع صفيحة فوق مغناطيس أو موصل كهربائي، يتشكل برادة الحديد على شكل خطوط المجال المغناطيسي أو خطوط الكهرباء.

المجال المغناطيسي

هو مجال يتم إنشاؤه بواسطة مغناطيس أو شحنة كهربائية متحركة، أو بفعل القوة المغناطيسية المؤثرة على سلك يمر به تيار، والمجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بمادة مغناطيسية أو شحنة كهربائية متحركة حيث يعمل فيها تأثير القوة المغناطيسية. يتشكل المجال المغناطيسي على شكل خطوط متعددة، وهو أداة بصرية تستخدم لتصوير اتجاه وقوة المجال المغناطيسي. يتألف المغناطيس من زوج من الأقطاب، الشمالية والجنوبية، حيث تتجذب الأجسام المختلفة نحو القطبين وتتنافر الأجسام المماثلة. ومن أمثلة المجال المغناطيسي قريبة المثال هي تأثيرات إبرة البوصلة المغناطيسية. يعتبر المجال المغناطيسي أساسيا في تشغيل المحرك الكهربائي حيث يتسبب في تحريك الإلكترونات في اتجاه معين، وبالتالي تكوين تيار كهربائي.

يمكن تمثيل المجال المغناطيسي بخطوط مستمرة، وهناك العديد من العوامل التي تؤثر على شدة المجال المغناطيسي، مثل القوة أو التدفق المغناطيسي، حيث ينبثق من أقطاب مغناطيسية تبحث عن الشمال وتدخل أقطابا مغناطيسية تبحث عن الجنوب، وتشير كثافة الخطوط إلى حجم المجال المغناطيسي، فعندما يكون المجال المغناطيسي قويا في أقطاب المغناطيس، تكون خطوط المجال مزدحمة معا أو أكثر كثافة، أما في أماكن بعيدة عن الأقطاب فيكون المجال المغناطيسي ضعيفا فينتشر الخطوط ويصبحون أقل كثافة، ويمكن تمثيل المجال المغناطيسي المنتظم بخطوط مستقيمة متوازية متساوية المسافات، ويشير اتجاه التدفق إلى الاتجاه الذي يشير فيه القطب الشمالي للمغناطيس الصغير، وتستمر خطوط التدفق مستمرة وتشكل حلقات مغلقة، وبالنسبة للقضيب المغناطيسي، يخرج الخطوط من القطب الشمالي وتحيط به وتدخل القطب الجنوبي، وتستمر عبر المغناطيس إلى القطب الشمالي مرة أخرى.

تعريف خطوط المجال المغناطيسي

المغناطيس يخلق مجالات مغناطيسية، لا يمكن رؤيتها، تملأ الفراغ حول المغناطيس حيث تعمل القوى المغناطيسية، وحيث يمكنها جذب أو طرد المواد المغناطيسية، على الرغم من أننا لا نستطيع رؤية الحقول المغناطيسية، يمكننا اكتشافها باستخدام برادة الحديد، تصطف قطع الحديد الصغيرة في مجال مغناطيسي، كما يوصف التفاعل المغناطيسي من حيث المجال المغناطيسي لأنه يحدد الدرجات في مجال تعمل فيه نفس النقطة عند تلك النقطة، والجسيمات المشحونة المتحركة هي مجالات مغناطيسية، وبعض الجسيمات تخلق نفس الحقول المغناطيسية مقارنة بالباقي المغناطيسية، مثل مرور تيار كهربائي داخل الموصل، ستولد مغناطيسًا دائمًا، ويُطلق على عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تخترق السطح اسم التدفق المغناطيسي، والتدفق المغناطيسي هو قوة المجال المغناطيسي العام الذي ينتقل عبر منطقة معينة حيث يصف التدفق المغناطيسي تأثيرات التدفق المغناطيسي، القوة المغناطيسية المؤثرة على الجسم الذي يشغل المساحة.

ما هي خصائص المجال المغناطيسي

هناك بعض الخصائص المهمة لخطوط المجال المغناطيسي، فيما يلي:

• تتناسب قرب خطوط المجال أو كثافتها مع شدة المجال بشكل متناسب.
• يبدو أن خطوط المجال المغناطيسي يمكن أن تبدأ أو تنتهي في القطب الشمالي وتتداخل وتندمج في القطب الجنوبي.
• داخل المغناطيس، تتجه خطوط المجال المغناطيسي من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي.
• من المستحيل أن يتقاطع خطوط المجال مع بعضها البعض.
• تصنع خطوط المجالات المغناطيسية دائمًا حلقات مغلقة وتستمر داخل مواد مغناطيسية، وعلى الرغم من أنها في بعض الأحيان لا يتم تصويرها بهذه الطريقة، إلا أنها لا تظهر أبدًا بشكل متقطع أو تتوقف في أي مكان.
• تتميز خطوط المجالات المغناطيسيةبوجود اتجاه وحجم في أي نقطة في الحقل، لذلك يتم تمثيلها بواسطة متجه يشير إلى اتجاه المجال المغناطيسي.
• يتزايد تأثير المجال المغناطيسي عند القطبين بسبب كثافة خطوط المجال في هذه المناطق.
• تتجمع خطوط المجال المغناطيسي بشكل طبيعي في المناطق التي يصبح فيها المجال المغناطيسي أكثر قوة، ويشير حجم خطوط المجال وكثافتها إلى شدة المجال.

كيف تقيس المجالات المغناطيسية

نظرًا لأن المجال المغناطيسي يتكون من كمية متجهة، فإن هناك جانبين يجب قياسهما لوصفه؛ القوة والاتجاه،

يمكن قياس شدة المجال المغناطيسي بسهولة عن طريق استخدام بوصلة مغناطيسية تتجاوب مع المجال، وقد تم استخدام البوصلات المغناطيسية في الملاحة باستخدام المجال المغناطيسي للأرض منذ القرن الحادي عشر.

من المثير للاهتمام أن قياس القوة كان أصعب بكثير، ولم يتم اكتشاف مقاييس المغناطيسية إلا في القرن التاسع عشر. تعتمد معظم مقاييس المغناطيسية على استغلال القوة التي يشعر بها الإلكترون أثناء تحركه عبر مجال مغناطيسي. لم يكن القياس الدقيق للمجالات المغناطيسية الصغيرة عمليا إلا بعد اكتشاف المقاومة المغناطيسية العملاقة في عام 1988 في مواد ذات طبقات خاصة. تم تطبيق هذا الاكتشاف بسرعة في الفيزياء الأساسية لتقنية القرص الصلب المغناطيسي المستخدمة في تخزين البيانات في أجهزة الكمبيوتر. أدى هذا إلى زيادة سعة تخزين البيانات بمقدار ألف ضعف في فترة قصيرة جدا بعد تطبيق التقنية مباشرة. وفي عام 2007، حصل ألبرت فيرت وبيتر جرونبيرج على جائزة نوبل في الفيزياء تقديرا لهذا الاكتشاف.

استخدامات المجال المغناطيسي

• لقد تم استخدام المغناطيس في الطب منذ آلاف السنين، وخاصة من قبل الصينيين، حيث يستخدم لتحديد وخز الإبر في جسم المريض، وعلاج الاكتئاب وتخفيف الآلام، ويتم وضعه في مكان الألم.
• يتم استخدامه أيضًا في صناعة أجهزة التلفزيون، وخاصة أشعة الكاثود، حيث يتم إطلاق تيار من الإلكترونات في اتجاه الشاشة باستخدام مسدس إلكتروني في عنق الأنبوب.
•  تستخدم المادة المماثلة للمركبات المعدنية في صناعة الإلكترونيات، حيث تستخدم في عملية تخزين البيانات على أقراص الكمبيوتر وأشرطة الفيديو. وتستخدم أشرطة الفيديو أيضًا مادة مماثلة مع المركبات الحديدية، والتي تسمح بتخزين الحقول المغناطيسية في أنماط على الشريط.
• يتم استخدام المغناطيس أيضًا في صناعة بطاقات الائتمان اليومية وأشكال الهوية الأخرى التي نستخدمها.
• يستخدم المغناطيس في العديد من الأشياء في المنزل، مثل المكانس المغناطيسية ومكبرات الصوت وسماعات الرأس، وغيرها من الأشياء اللاحصر لها.

مصادر المجال المغناطيسي

يتكون المجال المغناطيسي بعدة طرق، بالإضافة إلى أنه يتكون من المغناطيس نفسه، حيث يمكن تكوين المجال المغناطيسي من خلال السلك الذي يتدفق من خلاله التيار الكهربائي، أو من خلال الموصلات الالكهربائية، وبمعنى آخر، يمكن أن يتم إنشاء المجال المغناطيسي من خلال حركة الشحنات الكهربائية.

توليد تيار كهربائي من المجال المغناطيسي

يؤدي المغناطيس إلى إشعاع مجاله، واكتشف هانز كريستيان أورستد في عام 1820 تيارا كهربائيا ينحرف عبر الأسلاك الكهربائية بالقرب من المغناطيس، مما يشير إلى أن تيار الكهرباء يسبب انحراف البوصلة المجاورة له. تم توليد التيار المغناطيسي الفائق في العملية المذهلة، حيث حدثت سلسلة من الأحداث الساحرة المرتبطة ببعضها البعض. أصبحنا مشهورين بسبب التجارب الفيزيولوجية الكهربائية التي أتاحت قياس المجالات، وهناك تأثير متبادل بين المجالات المغناطيسية والتيارات الكهربائية. يتضح هذا التأثير من خلال قانون لابلاس للقوى الكهرومغناطيسية، عندما يمر تيار كهربائي عبر موصل (مثل سلك كهربائي) محاط بمجال مغناطيسي محدد. تحت تأثير القوة الكهرومغناطيسية الناتجة عن التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي، يتحرك الموصل أو يدور.