مفهوم المجال المغناطيسي
المجال المغناطيسي هو القوة التي تحيط بمنطقة المغناطيس، أو التيار الكهربائي، أو المجال الكهربائي المتغير. يمكن ملاحظة هذه المجالات المغناطيسية من خلال إبرة البوصلة التي توضح الحركة في مجال مغناطيسي، مما يؤدي إلى حركة الجسيمات المشحونة كهربائيًا في مسارات دائرية أو حلزونية. تعتبر القوة الناتجة عن التيارات الكهربائية في الأسلاك الواقعة ضمن مجال مغناطيسي عاملاً مهماً في تشغيل المحركات الكهربائية.
كيفية نشوء المجال المغناطيسي
يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة حركة الجسيمات المشحونة داخل جسم ما، ويفقد هذا المجال قوته عندما تتوقف هذه الحركة. تمتلك جميع الإلكترونات خاصية الزخم الزاوي، مما يعني أنها تدور حول محاورها. عادةً ما تكون الإلكترونات في مداراتها على شكل أزواج، بحيث يدور كل زوج في اتجاه يعاكس الآخر، مما يؤدي إلى إنشاء مجالين مغناطيسيين متعاكسين يلغي كل منهما تأثير الآخر. ومع ذلك، توجد إلكترونات مفردة في بعض أنواع الذرات، وتدور هذه الإلكترونات في اتجاه واحد، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا غير قابل للإلغاء لعدم وجود مجال آخر يعاكسه.
يمكن توليد مجال مغناطيسي عن طريق تمرير تيار كهربائي خلال الأسلاك. في الأرض، يتكون المجال المغناطيسي نتيجة حركة المعادن المنصهرة في اللب الخارجي، والتي تولد تيارات كهربائية أثناء حركتها، مما يؤدي إلى تشكيل المجال المغناطيسي للأرض، والذي بدوره يؤثر على عمل البوصلة المغناطيسية.
حساب شدة المجال المغناطيسي
تعتبر شدة المجال المغناطيسي مقياسًا للقوة المغناطيسية المطلوبة لإنتاج كثافة معينة من خطوط المجال المغناطيسي في وحدة الطول في المادة. وتجدر الإشارة إلى أن المجال المغناطيسي يعتبر كمية متجهة، يُقاس بناءً على مقدار قوته واتجاهه. وفيما يلي كيفية حساب كل منهما:
- اتجاه المجال المغناطيسي
يمكن تحديد اتجاه المجال المغناطيسي باستخدام قاعدة قبضة اليد اليمنى. يمكن تطبيق هذه القاعدة من خلال قبض اليد اليمنى واستخدام الإبهام كمؤشر لاتجاه التيار. إذا كان التيار يتجه لأعلى، يُوجه الإبهام للأعلى أيضًا، بينما تمثل الأصابع المنقبضة اتجاه المجال المغناطيسي.
- مقدار شدة المجال المغناطيسي
يُستخدم قانون يُعرف بقانون بيوت سافارت لحساب شدة المجال المغناطيسي كمقدار، وهو كالتالي:
شدة المجال المغناطيسي = (النفاذية × شدة التيار الكهربائي) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)
ويتم التعبير عنه بالرموز كما يلي:
(2πr) / (I × μo) = B
حيث أن:
B: شدة المجال المغناطيسي وتُقاس بوحدة تسلا (T).
I: شدة التيار الكهربائي المار بالسلك وتُقاس بوحدة الأمبير.
μo: ثابت النفاذية للوسط وتُقاس بوحدة تسلا في متر لكل أمبير (A/T.m)، وتبلغ قيمته في حالة الفراغ 4π × 10^-7.
r: المسافة العمودية بين النقطة المراد حساب شدة مجالها والسلك، وتُقاس بوحدة المتر.
مثال على حساب شدة المجال المغناطيسي
- احسب شدة المجال المغناطيسي لسلك طويل مستقيم له حلقة دائرية نصف قطرها 0.05 م، علمًا أن قراءة التيار المتدفق عبره هي 2 أمبير.
الحل:
- شدة المجال المغناطيسي = (النفاذية × شدة التيار الكهربائي) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)
- شدة المجال المغناطيسي = (2 × 10^-7 × 4π) / (2π × 0.05)
- شدة المجال المغناطيسي = (8 × 10^-6) تسلا
تطبيقات عمليّة للمجال المغناطيسي
يستخدم المجال المغناطيسي في مجموعة متنوعة من التطبيقات العملية، بما في ذلك:
المحركات
يعتمد مبدأ عمل المحركات على إنشاء تغيير في التيار الكهربائي الذي يغذي المحرك، مما يؤدي إلى زيادة وانخفاض في المجالات المغناطيسية وبالتالي دفع قلب المحرك من خلال تحريك عمود الدوران.
ومن بين الأمثلة على المحركات؛ الأبواب ذاتية الفتح، ومحرك السيارة، والمصاعد، ومولدات الطاقة الكهرومائية وغيرها.
التصوير بالرنين المغناطيسي
يعتبر التصوير بالرنين المغناطيسي من أهم التطبيقات الطبية للمجال المغناطيسي. يتضمن ذلك وضع المريض في أنبوب كبير، حيث يتم تنشيط مجال مغناطيسي قوي يدفع الذرات داخل جسم المريض إلى الدوران بترددات دقيقة.
يستقبل الجهاز هذه الترددات الراديوية بتطابق مع تردد الذرات داخل الخلايا، وعند توقف الجهاز، يقوم الكمبيوتر بمعالجة هذه الترددات وتصنيفها، مما ينتج عنه صورة ثلاثية الأبعاد توضّح نتائج الفحوصات.
الأقراص الصلبة في أجهزة الحواسيب
يُستخدم المجال المغناطيسي في تشغيل الأقراص الصلبة في أجهزة الحواسيب. وهو عبارة عن صندوق مزود بإلكترونيات تعمل على تجميع المجالات المغناطيسية على القرص الصلب لإجراء عمليات القراءة. كما تقوم بتحويل البيانات إلى مجال مغناطيسي للكتابة.
استخدامات إضافية
يستخدم المجال المغناطيسي أيضًا في تشغيل البوصلات، وأجهزة الإنذار، والميكروفونات، ومكبرات الصوت، وأبواق السيارات، والأجراس الكهربائية، ومحركات الأقراص القابلة للتسجيل، وأجهزة قياس المغناطيسية، والعديد من التطبيقات الأخرى.
المجال المغناطيسي الأرضي
المجال المغناطيسي الأرضي هو القوة الناشئة بين القطبين الشمالي والجنوبي للأرض على عمق معين. ومن أبرز خصائصه أنه يشبه المغناطيس الثنائي القطب، حيث يحتوي على قطب شمالي وآخر جنوبي يقعان في مواقع آمنة على سطح الكرة الأرضية. يُصرف أن هذا المجال ثلاثي الأبعاد ويحيط بكوكب الأرض بالكامل.
تكمن أهمية المجال المغناطيسي الأرضي في كونه مصدراً لعديد من القوى الأساسية والضرورية، مثل ظاهرة الحمل الحراري، والتيارات الحلقيّة، والنفاثات الكهربائية الشفقيّة، وغيرها.
إنّ المجال المغناطيسي هو قوة تنشأ نتيجة لتغييرات معينة، ويمكن قياسه وحسابه رياضيًا باستخدام معادلات وضعها العلماء. يظهر تأثير هذا المجال على شكل خطوط مغناطيسية غير مرئية، ويمكن رؤيته وتأثيره على الأجسام التي تكون تحت تأثير هذا المجال، مما يتيح استخداماته المتعددة في التطبيقات العملية المختلفة.