- المجال المغناطيسي في الفيزياء
- ج
- أقطاب المغناطيس
- المصادر
- المعادن المغناطيسية والمغناطيسات الكهربائية
- القوة المغناطيسية على شحنة متحركة
- كيف يتم توليد المجال المغناطيسي؟
- أنواع
- قانون بيوت سافارت
- أمثلة
- ينتج المجال المغناطيسي عن سلك مستقيم طويل جدًا
- الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة ملف هيلمهولتز
- المراجع
و المجال المغناطيسي هو التأثير الذي تتحرك الشحنات الكهربائية لديها على الفضاء الذي يحيط بهم. تحتوي الشحنات دائمًا على مجال كهربائي ، ولكن فقط تلك التي في حالة حركة يمكن أن تولد تأثيرات مغناطيسية.
كان وجود المغناطيسية معروفًا منذ فترة طويلة. وصف الإغريق القدماء معدنًا قادرًا على جذب قطع صغيرة من الحديد: كان حجر المغناطيس أو حجر المغناطيس.
الشكل 1. عينة المغنتيت. المصدر: ويكيميديا كومنز. روجينيغرو 81.
كان الحكماء طاليس من ميليتس وأفلاطون مشغولين بتسجيل التأثيرات المغناطيسية في كتاباتهم. بالمناسبة ، كانوا يعرفون أيضًا الكهرباء الساكنة.
لكن المغناطيسية لم ترتبط بالكهرباء حتى القرن التاسع عشر ، عندما لاحظ هانز كريستيان أورستد أن البوصلة انحرفت بالقرب من سلك موصل يحمل تيارًا.
نحن نعلم اليوم أن الكهرباء والمغناطيسية وجهان لعملة واحدة ، إذا جاز التعبير.
المجال المغناطيسي في الفيزياء
في الفيزياء ، مصطلح المجال المغناطيسي هو كمية متجهة ، مع معامل (قيمته العددية) ، والاتجاه في الفضاء والمعنى. كما أن لها معنيين. الأول هو ناقل يسمى أحيانًا الحث المغناطيسي ويرمز إليه ب.
وحدة B في النظام الدولي للوحدات هي tesla ، والمختصرة T. والكمية الأخرى التي تسمى أيضًا المجال المغناطيسي هي H ، والمعروفة أيضًا باسم شدة المجال المغناطيسي ووحدتها الأمبير / متر.
كلا الكميتين متناسبان ، لكنهما محددان بهذه الطريقة لمراعاة التأثيرات التي تحدثها المواد المغناطيسية على الحقول التي تمر من خلالها.
إذا تم وضع مادة ما في منتصف مجال مغناطيسي خارجي ، فسيعتمد المجال الناتج على هذا وأيضًا على الاستجابة المغناطيسية للمادة. هذا هو سبب ارتباط B و H بـ:
B = ميكرون م H
هنا μ m ثابت يعتمد على المادة وله وحدات مناسبة بحيث تكون النتيجة تسلا عند الضرب في H.
ج
-المجال المغناطيسي هو مقدار متجه ، لذلك له المقدار والاتجاه والإحساس.
-وحدة المجال المغناطيسي B في النظام الدولي هي tesla واختصارها T ، بينما H هي أمبير / متر. الوحدات الأخرى التي تظهر بشكل متكرر في الأدبيات هي gauss (G) و oersted.
- خطوط المجال المغناطيسي هي دائمًا حلقات مغلقة ، تاركة قطبًا شماليًا وتدخل القطب الجنوبي. يكون الحقل دائمًا مماسًا للخطوط.
- يتم عرض الأقطاب المغناطيسية دائمًا في زوج من الشمال إلى الجنوب. لا يمكن أن يكون لديك قطب مغناطيسي معزول.
- ينشأ دائمًا من حركة الشحنات الكهربائية.
- شدتها متناسبة مع حجم الحمل أو التيار الذي ينتجها.
- يتناقص حجم المجال المغناطيسي بعكس مربع المسافة.
-يمكن أن تكون الحقول المغناطيسية ثابتة أو متغيرة ، سواء في الزمان أو في المكان.
- المجال المغناطيسي قادر على إحداث قوة مغناطيسية على شحنة متحركة أو على سلك يحمل تيارًا.
أقطاب المغناطيس
يحتوي قضيب المغناطيس دائمًا على قطبين مغناطيسيين: القطب الشمالي والقطب الجنوبي. من السهل جدًا التحقق من أن الأعمدة التي تحمل نفس العلامة تتنافر ، بينما تجذب الأنواع المختلفة.
هذا مشابه تمامًا لما يحدث مع الشحنات الكهربائية. يمكن أيضًا ملاحظة أنه كلما اقتربوا ، زادت القوة التي يجذبون بها أو يتنافرون معها.
المغناطيسات الشريطية لها نمط مميز من خطوط المجال. إنها منحنيات حادة ، تاركة القطب الشمالي وتدخل القطب الجنوبي.
الشكل 2. خطوط المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي. المصدر: ويكيميديا كومنز.
إحدى التجارب البسيطة للنظر في هذه السطور هي نشر برادة حديدية فوق ورقة ووضع قضيب مغناطيسي تحتها.
تُعطى شدة المجال المغناطيسي كدالة لكثافة خطوط المجال. تكون دائمًا أكثر كثافة بالقرب من القطبين ، وتنتشر عندما نبتعد عن المغناطيس.
يُعرف المغناطيس أيضًا باسم ثنائي القطب المغناطيسي ، حيث يكون القطبان هما على وجه التحديد القطبين المغناطيسي الشمالي والجنوبي.
لكن لا يمكن الفصل بينهما. إذا قمت بقطع المغناطيس إلى النصف ، فستحصل على مغناطيسين ، كل منهما بقطبيه الشمالي والجنوبي. تسمى الأقطاب المعزولة أحاديات القطب المغناطيسية ، ولكن حتى الآن لم يتم عزل أي منها.
المصادر
يمكن للمرء أن يتحدث عن مصادر مختلفة للمجال المغناطيسي. وهي تتراوح من المعادن المغناطيسية ، عبر الأرض نفسها ، والتي تتصرف مثل المغناطيس الكبير ، إلى المغناطيسات الكهربائية.
لكن الحقيقة هي أن كل مجال مغناطيسي له أصله في حركة الجسيمات المشحونة.
سنرى لاحقًا أن المصدر الأساسي لكل المغناطيسية يكمن في التيارات الصغيرة داخل الذرة ، خاصة تلك التي يتم إنتاجها بسبب حركات الإلكترونات حول النواة والتأثيرات الكمومية الموجودة في الذرة.
ومع ذلك ، فيما يتعلق بأصلها العياني ، يمكن للمرء أن يفكر في المصادر الطبيعية والمصادر الاصطناعية.
المصادر الطبيعية من حيث المبدأ لا "تنطفئ" ، فهي مغناطيس دائم ، ولكن يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الحرارة تدمر مغناطيسية المواد.
بالنسبة للمصادر الاصطناعية ، يمكن قمع التأثير المغناطيسي والتحكم فيه. لذلك لدينا:
- مغناطيسات من أصل طبيعي ، مصنوعة من معادن مغناطيسية مثل أكسيد الحديد الأسود والماغيميت وكلاهما من أكاسيد الحديد على سبيل المثال.
- التيارات الكهربائية والمغناطيسات الكهربائية.
المعادن المغناطيسية والمغناطيسات الكهربائية
توجد في الطبيعة العديد من المركبات ذات الخصائص المغناطيسية الرائعة. فهي قادرة على جذب قطع الحديد والنيكل ، على سبيل المثال ، وكذلك المغناطيسات الأخرى.
أكاسيد الحديد المذكورة ، مثل أكسيد الحديد الأسود و maghemite ، هي أمثلة على هذه الفئة من المواد.
القابلية المغناطيسية هي المعلمة المستخدمة لتحديد الخصائص المغناطيسية للصخور. الصخور النارية الأساسية هي تلك التي لديها أعلى حساسية بسبب محتواها العالي من المغنتيت.
من ناحية أخرى ، طالما أن لديك سلكًا يحمل تيارًا ، فسيكون هناك مجال مغناطيسي مرتبط. لدينا هنا طريقة أخرى لتوليد المجال ، والتي في هذه الحالة ، تتخذ شكل دوائر متحدة المركز مع السلك.
يتم تحديد اتجاه حركة المجال من خلال قاعدة الإبهام الأيمن. عندما يشير إبهام اليد اليمنى إلى اتجاه التيار ، ستشير الأصابع الأربعة المتبقية إلى الاتجاه الذي تنحني فيه خطوط الحقل.
الشكل 3. قاعدة الإبهام الأيمن للحصول على اتجاه وإحساس المجال المغناطيسي. المصدر: ويكيميديا كومنز.
المغناطيس الكهربائي هو جهاز ينتج المغناطيسية من التيارات الكهربائية. لديه ميزة القدرة على التشغيل وإيقاف التشغيل حسب الرغبة. عندما يتوقف التيار ، يختفي المجال المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أيضًا التحكم في شدة المجال.
تعتبر المغناطيسات الكهربائية جزءًا من أجهزة مختلفة ، بما في ذلك مكبرات الصوت ومحركات الأقراص الثابتة والمحركات والمرحلات وغيرها.
القوة المغناطيسية على شحنة متحركة
يمكن التحقق من وجود مجال مغناطيسي B عن طريق اختبار شحنة كهربائية - تسمى q - والتي تتحرك بسرعة v. لهذا ، فإن وجود الحقول الكهربائية والجاذبية مستبعد ، على الأقل في الوقت الحالي.
في مثل هذه الحالة ، فإن القوة التي تتعرض لها الشحنة q ، والتي يشار إليها باسم F B ، ترجع بالكامل إلى تأثير المجال. من الناحية النوعية ، يلاحظ ما يلي:
- حجم F B يتناسب مع q والسرعة v.
- إذا كانت v موازية لمتجه المجال المغناطيسي ، فإن مقدار F B يساوي صفرًا.
- القوة المغناطيسية عمودية على كل من v و B.
- أخيرًا ، يتناسب حجم القوة المغناطيسية مع sin θ ، حيث θ هي الزاوية بين متجه السرعة وناقل المجال المغناطيسي.
كل ما سبق صالح لكل من الرسوم الموجبة والسالبة. الفرق الوحيد هو أن اتجاه القوة المغناطيسية معكوس.
تتوافق هذه الملاحظات مع حاصل الضرب المتجه بين متجهين ، بحيث تكون القوة المغناطيسية التي تتعرض لها الشحنة النقطية q ، والتي تتحرك بسرعة v في منتصف المجال المغناطيسي هي:
F B = q v x B
الوحدة التي هي:
الشكل 4. قاعدة اليد اليمنى للقوة المغناطيسية على شحنة نقطية موجبة. المصدر: ويكيميديا كومنز.
كيف يتم توليد المجال المغناطيسي؟
هناك عدة طرق ، على سبيل المثال:
- عن طريق جذب مادة مناسبة.
- تمرير تيار كهربائي عبر سلك موصل.
لكن أصل المغناطيسية في المادة يفسر من خلال تذكر أنه يجب أن يرتبط بحركة الشحنات.
إن الإلكترون الذي يدور حول النواة هو في الأساس دائرة تيار مغلقة صغيرة ، لكنها قادرة على المساهمة بشكل كبير في مغناطيسية الذرة. يوجد عدد كبير جدًا من الإلكترونات في قطعة من المادة المغناطيسية.
هذه المساهمة في مغناطيسية الذرة تسمى العزم المغناطيسي المداري. لكن هناك المزيد ، لأن الترجمة ليست الحركة الوحيدة للإلكترون. كما أن لها عزم دوران مغناطيسي ، وهو تأثير كمي يمكن تشبيهه بدوران الإلكترون على محوره.
في الواقع ، فإن اللحظة المغناطيسية للدوران هي السبب الرئيسي لمغناطيسية الذرة.
أنواع
يمكن أن يتخذ المجال المغناطيسي عدة أشكال ، اعتمادًا على توزيع التيارات التي تنشأ عنه. في المقابل ، يمكن أن يختلف ليس فقط في المكان ، ولكن أيضًا في الوقت ، أو كليهما في نفس الوقت.
- بالقرب من أقطاب المغناطيس الكهربائي يوجد مجال ثابت تقريبًا.
- يتم الحصول أيضًا داخل الملف اللولبي على كثافة عالية ومجال موحد ، مع توجيه خطوط المجال على طول المحور المحوري.
- يقترب المجال المغناطيسي للأرض جيدًا جدًا من مجال قضيب مغناطيسي ، خاصةً في المنطقة المجاورة للسطح. أبعد من ذلك ، تعمل الرياح الشمسية على تعديل التيارات الكهربائية وتشوهها بشكل كبير.
- السلك الذي يحمل التيار له مجال على شكل دوائر متحدة المركز مع السلك.
فيما يتعلق بما إذا كان المجال يمكن أن يتغير بمرور الوقت أم لا ، لدينا:
- المجالات المغناطيسية الساكنة ، عندما لا يتغير حجمها ولا اتجاهها بمرور الوقت. مجال مغناطيس القضيب هو مثال جيد لهذا النوع من المجالات. أيضًا تلك التي تنشأ من الأسلاك التي تحمل تيارات ثابتة.
- الحقول المتغيرة بمرور الوقت ، إذا اختلفت خصائصها بمرور الوقت. طريقة واحدة للحصول عليها هي من مولدات التيار المتناوب ، والتي تستخدم ظاهرة الحث المغناطيسي. توجد في العديد من الأجهزة شائعة الاستخدام ، مثل الهواتف المحمولة.
قانون بيوت سافارت
عندما يكون مطلوبًا لحساب شكل المجال المغناطيسي الناتج عن توزيع التيارات ، يمكن استخدام قانون Biot-Savart ، الذي اكتشفه الفيزيائيان الفرنسيان جان ماري بيوت (1774-1862) وفيليكس سافارت (1791-1841) في عام 1820.).
بالنسبة لبعض التوزيعات الحالية ذات الأشكال الهندسية البسيطة ، يمكن الحصول على تعبير رياضي لناقل المجال المغناطيسي مباشرة.
لنفترض أن لدينا مقطعًا سلكيًا بطول تفاضلي dl يحمل تيارًا كهربائيًا I. يُفترض أيضًا أن السلك في فراغ. المجال المغناطيسي الذي ينتج هذا التوزيع:
- ينقص بعكس مربع المسافة إلى السلك.
- يتناسب مع شدة التيار I الذي يمر عبر السلك.
- اتجاهه مماسي لمحيط نصف القطر r المتمركز على السلك واتجاهه محدد بقاعدة الإبهام الأيمن.
- μ o = 4π. 10 -7 تيم / A
- d B هو فارق مجال مغناطيسي.
- أنا هي شدة التيار المتدفق عبر السلك.
- r هي المسافة بين مركز السلك والنقطة التي تريد إيجاد الحقل فيها.
-r هو المتجه الذي ينتقل من السلك إلى النقطة التي تريد حساب الحقل فيها.
أمثلة
فيما يلي مثالان على المجال المغناطيسي وتعبيراتهما التحليلية.
ينتج المجال المغناطيسي عن سلك مستقيم طويل جدًا
من خلال قانون Biot-Savart ، من الممكن الحصول على المجال الناتج عن سلك موصل رفيع محدود يحمل تيارًا. نتيجة:
الحقل الذي تم إنشاؤه بواسطة ملف هيلمهولتز
يتكون ملف Helmholtz من ملفين دائريين متطابقين ومتحادي المركز ، يتم تمرير نفس التيار إليهما. إنها تعمل على إنشاء مجال مغناطيسي موحد تقريبًا داخلها.
الشكل 5. رسم تخطيطي لملفات هيلمهولتز. المصدر: ويكيميديا كومنز.
حجمه في وسط الملف هو:
يتم توجيه Y على طول المحور المحوري. عوامل المعادلة هي:
- N يمثل عدد لفات الملفات
- أنا مقدار التيار
- μ o هي النفاذية المغناطيسية للفراغ
- R هو نصف قطر الملفات.
المراجع
- فيغيروا ، د. (2005). السلسلة: فيزياء العلوم والهندسة. المجلد 1. الكينماتيكا. حرره دوغلاس فيغيروا (USB).
- المجال المغناطيسي قوة H. تم الاسترجاع من: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
- كيركباتريك ، ل. 2007. الفيزياء: نظرة على العالم. الطبعة السادسة المختصرة. سينجاج ليرنينج.
- المجال المغناطيسي والقوى المغناطيسية. تم الاسترجاع من: physics.ucf.edu.
- ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون.
- سيرواي ، آر ، جيويت ، ج. (2008). فيزياء للعلوم والهندسة. المجلد 2. السابع. Ed. Cengage Learning.
- جامعة فيجو. أمثلة على المغناطيسية. تم الاسترجاع من: quintans.webs.uvigo.es