مفهوم المجال الكهرومغناطيسي
يمكن تعلم كيفية صنع مجال كهرومغناطيسي من مصادر طبيعية أو اصطناعية بسهولة عن طريق بعض الخطوات البسيطة، ويمكن تصنيف المجالات الكهربائية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية إلى ثابتة ومتغيرة في الوقت المناسب، ويمكن مقارنة الموجات الكهرومغناطيسية والميكانيكية بالنسبة لخصائصهم الفيزيائية وتفاعلاتهم المحددة مع الكائنات الحية النباتية والحيوانية والبشرية.
في الفيزياء يمكن تعريف المجال كمجال تأثير، فمثلًا هناك مجال جاذبية الأرض وهي المنطقة التي تجذب فيها الأرض الأجسام، ومنها تدرك كيف تنتشر الموجات الكهرومغناطيسية في الفضاء ، أمّا في المجالات الكهرومغناطيسية وهي المناطق التي يمكننا فيها التقاط التلفزيون البث وإشارات الهاتف المحمول على سبيل المثال تعمل الجاذبية بين جسمين لهما كتلة، في حين أنّ المجال الكهربائي
يعمل على شحنات كهربائية موجبة أو سالبة فإنّ الشحنة الكهربائية أساس خاصية المادة إلى جانب الكتلة، وهذه التفاعلات ترجع إلى القوى التي تتناسب شدتها مع كتلة الأشياء أو مع قيمة الشحنات الكهربائية، والتي تتناقص مع مربع المسافة التي يفصل بينهما ويلغي كل منهما الآخر إلى ما لا نهاية.
طريقة صنع مجال كهرومغناطيسي
تمثل اكتشاف أن الكهرباء والمغناطيسية مظاهر مختلفة لنفس الظاهرة، تتويجًا لإنجازات الفيزياء الكلاسيكية في القرن التاسع عشر.
أثبت العلماء الآن أن المجال الكهرومغناطيسي المحيط بالمغناطيس الدائم هو نفس المجال الذي يحيط بالسلك الذي يمر به تيار كهربائي، وكلاهما هما أمثلة على المجالات الكهرومغناطيسية.
كما ويمكنك إثبات ذلك بنفسك عن طريق إنشاء مغناطيس كهربائي بسيط ومراقبة سلوك الموجات وتأثيرها على الأجسام المعدنية الصغيرة مثل المسامير أو برادة الحديد.
يمكنك مقارنة المجال المستحث كهربائيًا بالمغناطيس بنفسك، عندما تتأكد من أن المغناطيس الكهربائي الخاص بك لم يعمل لفترة طويلة بدون مقاوم، والذي يعمل على تقليل تدفق التيار. يمكنك توصيل المقاوم في دائرتك أو قد يكون ساخنًا جدًا لدرجة أنه لا يمكن التعامل معه.
خطوات عمل مجال كهرومغناطيسي
هناك العديد من الطرق المختلفة لتوليد الموجات الكهرومغناطيسية، ومن بينها الطرق التالية
- قم بلف سلك نحاسي رفيع وعازل حول مسمار أو مسمار حديدي متوسط الحجم، ثم قم بعمل أكبر عدد ممكن من الانعطافات.
يجب أن يكون السلك غير رقيق جدًا، حتى لا يتم سخنه عند تمرير التيار من خلاله، ولا يجب أن يكون سميكًا جدًا أيضًا، حتى يمكن إجراء العديد من الدورات في الملف. - يتم فك أطراف السلك بسكين وشريط أحد طرفيها على أي من طرفي بطارية ديسيل باستخدام شريط كهربائي، ويجب التأكد من جودة الاتصال.
- يُرش بعض برادة الحديد على طاولة ويوضع المسمار فوقها، ثم يمس الطرف الآخر من السلك بطرف البطارية، ويتابع ما يحدث للبطاقات، ثم يتم فصل الاتصال لمنع السلك من السخونة الزائدة.
- يمكن وضع قضيب مغناطيسي دائم بعيدًا بما يكفي عن السلك لمنع التجاذب أو الاندفاع، ثم لمس السلك بطرف البطارية ومشاهدة ما يحدث للمغناطيس.
- يتم توصيل السلك الفضفاض بمقاوم صغير بحدود 30 أوم وتوصيل المقاوم بطرف البطارية بطول آخر من السلك بنفس المقياس.
يعمل المقاوم على تقليل تدفق التيار في السلك ومنع ارتفاع درجة الحرارة، مما يتيح لك ترك السلك متصلاً دون الحاجة لفصله.
يجب ملاحظة النمط الذي تم إنشاؤه بواسطة برادة الحديد عند وضع المغناطيس الكهربائي عليها. - ثم يتم إزالة المغناطيس الكهربائي واستبداله بمغناطيس قضيبي، ويتم مقارنة الأنماط، وينبغي أن تبدو متشابهة تقريبًا، على الرغم من أن أحدهما قد ينتشر أكثر أو أقل من الآخر، اعتمادًا على القوة النسبية للمغناطيس.
ويؤكد هذا أن المجالات الكهرومغناطيسية التي ينتجها المغناطيس والمغناطيس الكهربائي متطابقة، وكلاهما مجالان كهرومغناطيسيان. - امسك قضيب المغناطيس بالقرب من المغناطيس الكهربائي لتشعر بالجاذبية، ثم اقلب المغناطيس بحيث تكون الأقطاب في اتجاهين معاكسين لتشعر بالانتفاض، وهذا يؤكد أن لكل من الحقلين قطب شمالي وجنوبي.
عزل الموجات الكهرومغناطيسية
الظواهر الكهرومغناطيسية موجودة في كل مكان من بطارية هاتفك الخلوي إلى الأقمار الصناعية التي ترسل البيانات إلى الأرض، يمكنك وصف سلوك الكهرباء من خلال المجالات الكهرومغناطيسية، وهي مناطق حول الأشياء التي تمارس قوى كهربائية ومغناطيسية، وكلاهما جزء من نفس القوة الكهرومغناطيسية.
بما أن هناك قوة كهرومغناطيسية في العديد من تطبيقات الحياة اليومية، يمكنك تجربة إثبات هذه الظواهر الفيزيائية لنفسك عن طريق بناء جهاز باستخدام بطارية ومواد معدنية أخرى مثل الأسلاك النحاسية والمسامير المعدنية المتوفرة في منزلك.
لتوليد الموجات الكهرومغناطيسية وبناء مولد المجال الكهرومغناطيسي، يتطلب ذلك ملفا لولبيا من الأسلاك النحاسية الملفوفة بشكل حلزوني أو لولبي، وجسما معدنيا مثل مسمار حديدي، وسلكا عازلا ومصدرا للجهد مثل بطارية أو أقطاب كهربائية لتوليد تيارات كهربائية.
يمكن استخدام مشابك ورقية معدنية أو بوصلة لمراقبة تأثير المولد إذا كان الجسم المعدني مغناطيسيًا حديديًا، مثل الحديد، وهي مادة يمكن مغنطتها بسهولة، وستكون أكثر فعالية بكثير، ويمكن القيام بذلك باتباع الخطوات التالية:
- ينبغي وضع المواد على سطح غير موصل مثل الخشب أو الخرسانة.
- يتم لف السلك النحاسي بإحكام قدر الإمكان حول الجسم المعدني حتى يتم تغطيته بالكامل، وكلما زاد عدد الملفات، كلما كان المولد الميداني أقوى.
- يتم قص السلك النحاسي بحيث يتم إنشاء أجزاء صغيرة منه في الرأس ونهايات الجسم المعدني.
- يتم توصيل أحد طرفي قطعة السلك المعزول بالنحاس البارز من رأس الجسم المعدني، ثم يتم توصيل الطرف الآخر من السلك المعزول بأحد طرفي مصدر الجهد على مصدر الطاقة المتغير.
- يتم توصيل أحد طرفي السلك المعزول بالمصدر الموجود على مصدر الطاقة المتغير، ثم القيام بالخطوات اللازمة.
- وضع بعض المشابك الورقية بالقرب من الجسم المعدني عند وضعه على السطح.
- يتم تعيين قرص مزود الطاقة المتغير على قيمة 0 فولت.
- قم بتوصيل مصدر الطاقة وتشغيله.
- يمكن ملاحظة التفاعل بين المجال المغناطيسي للجسم المعدني وجهد الدوران الذي يتم تطبيقه ببطء عندما يكون الجهد بقوة كافية من مولد الظفر، وذلك من خلال ملاحظة حركة دبابيس الورق.
- يمكن استخدام بوصلة في المنتصف لملاحظة اتجاه المجال الكهرومغناطيسي، ويجب أن تتوافق إبرة البوصلة مع محور الملف عند تدفق التيار.
قوة المجال الكهرومغناطيسي
توضح الخصائص الكهرومغناطيسية، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة للطبيعة، كيفية نشوء مجال كهرومغناطيسي ناتج عن تدفق التيار الكهربائي.
عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر السلك ، يزداد المجال المغناطيسي حول ملفات السلك ، وهذا يسمح للتيار بالتدفق عبر مسافات أقصر أو في مسارات أصغر وأقرب إلى الموصل المعدني. وعندما يتدفق التيار الكهربائي عبر السلك، يتكون المجال الكهرومغناطيسي حول السلك بشكل دائري.
عندما يتدفق التيار عبر السلك، ينتج حقلا، وتحدد اتجاه المجال المغناطيسي باستخدام قاعدة اليد اليمنى بناء على نوع الموجة.
تعني هذه القاعدة أنه إذا وضعت إبهامك الأيمن في اتجاه تيار السلك، فإن أصابعك ستلتف في اتجاه المجال المغناطيسي، ويمكن لهذه القواعد العامة أن تساعدك على تذكر اتجاه هذه الظواهر.
عندما ينتقل التيار على شكل ملف لولبي حول مسمار معدني، يتم إنتاج حقل مغناطيسي داخل القلم المعدني، وتنطبق قاعدة اليد اليمنى أيضًا على شكل الملف اللولبي للتيار حول الجسم المعدني، وعندما ينتقل التيار على شكل حلقات حول السلك، فيتم إنتاج حقل مغناطيسي في القلم المعدني أو أي جسمآخر آخر.
ينتج عن ذلك إنشاء مجال كهرومغناطيسي يتداخل مع اتجاه البوصلة ويمكن أن يجذب المشابك المعدنية إليه، ويختلف عمل هذا النوع من مولدات المجال الكهرومغناطيسي عن المغناطيس الدائم.
بالمقابل للمغناطيس الدائم، تحتاج المغناطيسات الكهربائية إلى تيار كهربائي يمر بها لتوليد مجال مغناطيسي للاستخدامات المختلفة، ويتيح هذا الأمر للعلماء والمهندسين وغيرهم من المتخصصين استخدامها في مجموعة واسعة من التطبيقات والتحكم فيها بشكل كبير.