- التاريخ والاكتشاف
- التطبيقات القديمة
- الدراسات العلمية الأولى
- التحقيقات الحديثة
- الخواص المغناطيسية للمواد
- المغناطيسية المغناطيسية ، البارامغناطيسية والنفاذية المغناطيسية
- استخدامات الطاقة المغناطيسية
- بعض تطبيقات الطاقة المغناطيسية
- المميزات والعيوب
- الطاقات الأولية والثانوية
- خصائص الطاقات الأولية والثانوية
- أمثلة على الطاقة المغناطيسية
- الطاقة المغناطيسية للملف
- تمرين حل
- المحلول
و المغناطيسية أو الطاقة المغناطيسية هي القوة المرتبطة حركة الطبيعة وقادرة على إنتاج جذب الكهربائية أو التنافر في بعض الأحمال المواد. المغناطيس مصادر معروفة للمغناطيسية.
يوجد داخل هذه التفاعلات التي تُترجم إلى وجود مجالات مغناطيسية ، والتي تمارس تأثيرها على قطع صغيرة من الحديد أو النيكل ، على سبيل المثال.
ترجع ألوان الشفق القطبي الجميلة إلى الجسيمات الكونية التي تنبعث منها الطاقة حيث ينحرفها المجال المغناطيسي للأرض. المصدر: Pixabay.
يصبح المجال المغناطيسي للمغناطيس مرئيًا عند وضعه أسفل ورقة تنتشر عليها برادة الحديد. يتم توجيه الملفات على الفور على طول خطوط الحقل ، مما يؤدي إلى إنشاء صورة ثنائية الأبعاد للحقل.
مصدر آخر معروف هو الأسلاك التي تحمل التيار الكهربائي. ولكن على عكس المغناطيس الدائم ، تختفي المغناطيسية عندما يتوقف التيار.
كلما حدث مجال مغناطيسي في مكان ما ، كان على عامل ما القيام بعمل. يتم تخزين الطاقة المستثمرة في هذه العملية في المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه ويمكن بعد ذلك اعتبارها طاقة مغناطيسية.
يعتمد حساب مقدار الطاقة المغناطيسية المخزنة في الحقل على المجال وهندسة الجهاز أو المنطقة التي تم إنشاؤها فيه.
المحاثات أو الملفات هي أماكن جيدة للقيام بذلك ، فهي تولد طاقة مغناطيسية بنفس الطريقة التي يتم بها تخزين الطاقة الكهربائية بين ألواح المكثف.
التاريخ والاكتشاف
التطبيقات القديمة
الأساطير التي رواها بليني عن اليونان القديمة تتحدث عن الراعي ماغنيس ، الذي وجد منذ أكثر من 2000 عام معدنًا غامضًا قادرًا على جذب قطع من الحديد ، ولكن ليس المواد الأخرى. كان أكسيد الحديد الأسود مع خصائص مغناطيسية قوية.
ظل سبب الجذب المغناطيسي مخفيًا لمئات السنين. في أحسن الأحوال ، كان يعزى إلى أحداث خارقة للطبيعة على الرغم من أنه ليس لهذا السبب ، فقد تم العثور على تطبيقات مثيرة للاهتمام ، مثل البوصلة.
تستفيد البوصلة التي اخترعها الصينيون من مغناطيسية الأرض لتوجيه المستخدم أثناء التنقل.
الدراسات العلمية الأولى
حققت دراسة الظواهر المغناطيسية تقدمًا كبيرًا بفضل ويليام جيلبرت (1544 - 1603). درس هذا العالم الإنجليزي من العصر الإليزابيثي المجال المغناطيسي لمغناطيس كروي وخلص إلى أن الأرض يجب أن يكون لها مجال مغناطيسي خاص بها.
من خلال دراسته للمغناطيس ، أدرك أيضًا أنه لا يمكنه الحصول على أقطاب مغناطيسية منفصلة. عندما ينقسم المغناطيس إلى قسمين ، فإن المغناطيس الجديد له كلا القطبين أيضًا.
ومع ذلك ، فقد أدرك العلماء وجود علاقة بين التيار الكهربائي والمغناطيسية في بداية القرن التاسع عشر.
وُلد هانز كريستيان أورستد (1777-1851) في الدنمارك ، وكان لديه في عام 1820 فكرة تمرير تيار كهربائي عبر موصل ومراقبة تأثير ذلك على البوصلة. سوف تنحرف البوصلة ، وعندما يتوقف التيار عن التدفق ، ستشير البوصلة مرة أخرى إلى الشمال كالمعتاد.
يمكن التحقق من هذه الظاهرة من خلال تقريب البوصلة من أحد الكابلات الخارجة من بطارية السيارة أثناء تشغيل البادئ.
في لحظة إغلاق الدائرة ، يجب أن تتعرض الإبرة لانحراف ملحوظ ، لأن بطاريات السيارات يمكن أن توفر تيارات عالية بما يكفي بحيث تنحرف البوصلة.
بهذه الطريقة أصبح من الواضح أن الشحنات المتحركة هي التي تؤدي إلى المغناطيسية.
التحقيقات الحديثة
بعد سنوات قليلة من تجارب أورستد ، وضع الباحث البريطاني مايكل فاراداي (1791-1867) علامة فارقة أخرى باكتشافه أن المجالات المغناطيسية المتغيرة تؤدي بدورها إلى تيارات كهربائية.
ترتبط كلتا الظاهرتين ، الكهربائية والمغناطيسية ، ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض ، حيث تؤدي كل واحدة إلى ظهور الأخرى. تم جمعهم من قبل تلميذ فاراداي ، جيمس كليرك ماكسويل (1831 - 1879) ، في المعادلات التي تحمل اسمه.
تحتوي هذه المعادلات وتلخص النظرية الكهرومغناطيسية وهي صالحة حتى في الفيزياء النسبية.
الخواص المغناطيسية للمواد
لماذا تظهر بعض المواد خصائص مغناطيسية أو تكتسب المغناطيسية بسهولة؟ نحن نعلم أن المجال المغناطيسي ناتج عن الشحنات المتحركة ، لذلك يجب أن توجد داخل المغناطيس تيارات كهربائية غير مرئية تؤدي إلى المغناطيسية.
تحتوي كل المواد على إلكترونات تدور حول نواة الذرة. يمكن مقارنة الإلكترون بالأرض ، التي لها حركة انتقالية حول الشمس وأيضًا حركة دورانية على محورها.
تنسب الفيزياء الكلاسيكية حركات مشابهة للإلكترون ، على الرغم من أن القياس ليس دقيقًا تمامًا. ومع ذلك ، فإن النقطة المهمة هي أن كلا خاصيتي الإلكترون تجعله يتصرف مثل حلقة صغيرة تخلق مجالًا مغناطيسيًا.
إن دوران الإلكترون هو الذي يساهم بشكل كبير في المجال المغناطيسي للذرة. في الذرات التي تحتوي على العديد من الإلكترونات ، يتم تجميعها في أزواج مع دوران متعاكس. وهكذا ، فإن مجالاتهم المغناطيسية تلغي بعضها البعض. هذا ما يحدث في معظم المواد.
ومع ذلك ، هناك بعض المعادن والمركبات التي يوجد فيها إلكترون غير مزاوج. بهذه الطريقة ، صافي المجال المغناطيسي ليس صفرًا. هذا يخلق لحظة مغناطيسية ، متجه حجمه هو ناتج التيار ومنطقة الدائرة.
تتفاعل اللحظات المغناطيسية المتجاورة مع بعضها البعض وتشكل مناطق تسمى المجالات المغناطيسية ، حيث يتم محاذاة العديد من الدورات في نفس الاتجاه. يكون المجال المغناطيسي الناتج قويًا جدًا.
المغناطيسية المغناطيسية ، البارامغناطيسية والنفاذية المغناطيسية
المواد التي تمتلك هذه الجودة تسمى المغناطيسية الحديدية. هم قليلون: الحديد والنيكل والكوبالت والجادولينيوم وبعض السبائك من نفس الشيء.
تفتقر بقية العناصر الموجودة في الجدول الدوري إلى هذه التأثيرات المغناطيسية الواضحة جدًا. تقع في فئة شبه المغناطيسية أو النفاسية المغناطيسية.
في الواقع ، فإن النفاذية المغناطيسية هي خاصية لجميع المواد التي تعاني من تنافر طفيف في وجود مجال مغناطيسي خارجي. البزموت هو العنصر الأكثر إبرازًا للمغناطيسية.
من ناحية أخرى ، تتكون البارامغناطيسية من استجابة مغناطيسية أقل كثافة من المغناطيسية الحديدية ولكنها جذابة بنفس القدر. المواد البارامغناطيسية هي على سبيل المثال الألومنيوم والهواء وبعض أكاسيد الحديد مثل الجيوثايت.
استخدامات الطاقة المغناطيسية
المغناطيسية هي جزء من القوى الأساسية للطبيعة. نظرًا لأن البشر هم أيضًا جزء منها ، فإنهم يتأقلمون مع وجود الظواهر المغناطيسية ، وكذلك مع بقية الحياة على هذا الكوكب. على سبيل المثال ، تستخدم بعض الحيوانات المجال المغناطيسي للأرض لتوجيه نفسها جغرافيًا.
في الواقع ، يُعتقد أن الطيور تقوم بهجرات طويلة بفضل حقيقة أن أدمغتها لديها نوع من البوصلة العضوية التي تسمح لها بإدراك المجال المغنطيسي الأرضي واستخدامه.
بينما يفتقر البشر إلى بوصلة كهذه ، فإنهم بدلاً من ذلك لديهم القدرة على تعديل البيئة بعدة طرق أكثر من بقية مملكة الحيوان. وهكذا ، فإن أعضاء جنسنا قد استخدموا المغناطيسية لصالحهم منذ اللحظة التي اكتشف فيها الراعي اليوناني الأول حجر المغناطيس.
بعض تطبيقات الطاقة المغناطيسية
منذ ذلك الحين هناك العديد من تطبيقات المغناطيسية. وهنا عدد قليل:
- البوصلة المذكورة أعلاه والتي تستخدم المجال المغنطيسي الأرضي لتوجيه نفسها جغرافياً.
- الشاشات القديمة للتليفزيونات والحاسبات وأجهزة الذبذبات تعتمد على أنبوب أشعة الكاثود والتي تستخدم ملفات تولد مجالات مغناطيسية. هذه مسؤولة عن انحراف شعاع الإلكترون بحيث يصل إلى أماكن معينة على الشاشة ، وبالتالي تشكيل الصورة.
- مطياف الكتلة ، وتستخدم لدراسة أنواع مختلفة من الجزيئات ولها تطبيقات عديدة في الكيمياء الحيوية وعلم الجريمة والأنثروبولوجيا والتاريخ وغيرها من التخصصات. يستخدمون المجالات الكهربائية والمغناطيسية لصرف الجسيمات المشحونة في مسارات تعتمد على سرعتها.
- الدفع المغنطيسي الهيدروديناميكي ، حيث تدفع قوة مغناطيسية نفاثة من مياه البحر (موصل جيد) إلى الوراء ، بحيث بموجب قانون نيوتن الثالث ، تتلقى المركبة أو القارب دفعة أمامية.
- التصوير بالرنين المغناطيسي ، طريقة غير جراحية للحصول على صور لداخل جسم الإنسان. في الأساس ، يستخدم مجالًا مغناطيسيًا شديدًا جدًا ويحلل استجابة نوى الهيدروجين (البروتونات) الموجودة في الأنسجة ، والتي لها خاصية الدوران المذكورة أعلاه.
وقد تم بالفعل إنشاء هذه التطبيقات ، ولكن في المستقبل يُعتقد أن المغناطيسية يمكنها أيضًا مكافحة أمراض مثل سرطان الثدي ، من خلال تقنيات ارتفاع الحرارة ، والتي تنتج حرارة مستحثة مغناطيسيًا.
الفكرة هي حقن المغنتيت السائل مباشرة في الورم. بفضل الحرارة الناتجة عن التيارات المستحثة مغناطيسيًا ، ستصبح جزيئات الحديد ساخنة بدرجة كافية لتدمير الخلايا الخبيثة.
المميزات والعيوب
عندما تفكر في استخدام نوع معين من الطاقة ، فإنها تتطلب تحويلها إلى نوع من الحركة مثل حركة التوربين أو المصعد أو السيارة ، على سبيل المثال ؛ أو أنها تتحول إلى طاقة كهربائية يتم تشغيلها على بعض الأجهزة: هواتف ، أجهزة تلفزيون ، جهاز صراف آلي وما شابه.
الطاقة مقدار لها مظاهر متعددة يمكن تعديلها بعدة طرق. هل يمكن تضخيم طاقة مغناطيس صغير بحيث يتحرك باستمرار أكثر من بضع قطع نقدية؟
لكي تكون قابلة للاستخدام ، يجب أن يكون للطاقة نطاق كبير وأن تأتي من مصدر وفير للغاية.
الطاقات الأولية والثانوية
توجد هذه الطاقات في الطبيعة ، والتي تنتج منها الأنواع الأخرى. تُعرف بالطاقات الأولية:
- طاقة شمسية.
- الطاقه الذريه.
- الطاقة الحرارية الأرضية.
- قوة الرياح.
- طاقة الكتلة الحيوية.
- الطاقة من الوقود الأحفوري والمعادن.
يتم إنتاج الطاقات الثانوية ، مثل الكهرباء والحرارة ، من هذه. أين الطاقة المغناطيسية هنا؟
الكهرباء والمغناطيسية ليسا ظاهرتين منفصلتين. في الواقع ، يُعرف الاثنان معًا بالظواهر الكهرومغناطيسية. طالما أن أحدهما موجود ، فسيظل الآخر موجودًا.
حيثما توجد طاقة كهربائية ، ستكون هناك طاقة مغناطيسية بشكل ما. لكن هذه طاقة ثانوية تتطلب تحولًا مسبقًا لبعض الطاقات الأولية.
خصائص الطاقات الأولية والثانوية
يتم تحديد مزايا أو عيوب استخدام نوع من الطاقة وفقًا للعديد من المعايير. يتضمن ذلك مدى سهولة ورخص إنتاجه ، وكذلك مدى قدرة العملية على التأثير سلبًا على البيئة والأشخاص.
شيء مهم يجب مراعاته هو أن الطاقات تتغير عدة مرات قبل استخدامها.
كم عدد التحولات التي يجب أن تحدث لجعل المغناطيس يلصق قائمة التسوق بباب الثلاجة؟ كم عدد لبناء سيارة كهربائية؟ بالتأكيد يكفي.
وما مدى نظافة الطاقة المغناطيسية أو الكهرومغناطيسية؟ هناك من يعتقد أن التعرض المستمر للمجالات الكهرومغناطيسية من أصل بشري يسبب مشاكل صحية وبيئية.
يوجد حاليًا العديد من خطوط البحث المخصصة لدراسة تأثير هذه المجالات على الصحة والبيئة ، ولكن وفقًا لمنظمات دولية مرموقة ، لا يوجد حتى الآن دليل قاطع على أنها ضارة.
أمثلة على الطاقة المغناطيسية
يُعرف الجهاز الذي يعمل على احتواء الطاقة المغناطيسية بالمحث. وهو عبارة عن ملف يتكون من لف سلك نحاسي بعدد كافٍ من المنعطفات ، ومن المفيد في العديد من الدوائر تقييد التيار ومنعه من التغير المفاجئ.
لفائف النحاس. المصدر: Pixabay.
عن طريق تدوير تيار خلال لفات الملف ، يتم إنشاء مجال مغناطيسي بداخله.
إذا تغير التيار ، فقم بتغير خطوط المجال المغناطيسي. هذه التغييرات تحفز تيارًا في المنعطفات يعارضها ، وفقًا لقانون فاراداي لينز للحث.
عندما يزيد التيار أو ينقص فجأة ، يعارضه الملف ، وبالتالي يمكن أن يكون له تأثيرات وقائية على الدائرة.
الطاقة المغناطيسية للملف
يتم تخزين الطاقة المغناطيسية في المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه في الحجم المحدد بواسطة لفات الملف ، والتي سيتم الإشارة إليها على أنها U B والتي تعتمد على:
- شدة المجال المغناطيسي ب.
- منطقة المقطع العرضي للملف A.
- طول الملف ل.
- نفاذية الفراغ μ o.
وتحسب على النحو التالي:
هذه المعادلة صالحة في أي منطقة من الفضاء يوجد بها مجال مغناطيسي. إذا كان الحجم V لهذه المنطقة معروفًا ، ونفاذه وشدة المجال ، فمن الممكن حساب مقدار الطاقة المغناطيسية التي يمتلكها.
تمرين حل
المجال المغناطيسي داخل ملف مملوء بالهواء بقطر 2.0 سم وطول 26 سم هو 0.70 T. ما مقدار الطاقة المخزنة في هذا المجال؟
المحلول
تم استبدال القيم العددية في المعادلة السابقة ، مع الحرص على تحويل القيم إلى وحدات النظام الدولي.
- جيانكولي ، د. 2006. الفيزياء: مبادئ مع تطبيقات. الطبعة السادسة. برنتيس هول. 606-607.
- ويلسون ، دينار 2011. الفيزياء 12. بيرسون. 135-146.