المجال المغناطيسي

تعريف المجال المغناطيسي

هو قوة تحيط بمنطقة المغناطيس، أو التيار الكهربائي، أو المجال الكهربائي المتغير، حيث يمكن ملاحظة المجالات المغناطيسية مثل تلك الموجودة في الأرض من خلال وضع إبرة البوصلة ضمن مجال مغناطيسي، مما يؤدي إلى تحريك جسيمات مشحونة كهربائياً في مسار دائري أو حلزوني، وتعد القوة الناتجة عن التيارات الكهربائية في الأسلاك الموجودة ضمن مجال مغناطيسي سبباً في تشغيل المحركات الكهربائية.

كيف ينشأ المجال المغناطيسيّ؟

ينشأ المجال المغناطيسي عندما تتحرّك الجسيمات المشحونة في جسم ما، ويختفي هذا المجال بتوقف حركتها، وتمتلك جميع الإلكترونات خاصية الزخم الزاوي، والتي تعني أنّ هذه الإلكترونات تدور حول محاورها، وتكون الإلكترونات في مداراتها على شكل أزواج.

بحيث يدور كل منهما باتجاه يعاكس الآخر، وينشأ عن هذه الحركة مجالان مغناطيسيان متعاكسان في الاتجاه، بحيث يلغي كل منهما الآخر، ولكن تتواجد إلكترونات منفردة في بعض أنواع الذرات، بحيث تدور هذه الإلكترونات في اتجاه واحد، وينشأ عنها مجال مغناطيسي واحد، لا يُلغى لعدم وجود مجال آخر يعاكسه.

يمكن خلق مجال مغناطيسيّ من خلال تمرير تيّار كهربائيّ عبرَ الأسلاك، وفي الكرة الأرضيّة ينشأ المجال المغناطيسيّ بفعل حركة المعدن المنصهر في اللّب الخارجيّ للأرض، والتي تتسبب أثناء حركتها بتوليد تيّارات كهربائيّة، الأمر الذي يؤدي إلى خلق مجال في الكرة الأرضيّة، وهو الذي يتسبب بعمل البوصلة المغناطيسيّة.

حساب شدة المجال المغناطيسي

تعبّر شدة المجال المغناطيسي عن نسبة القوة المغناطيسية اللازمة لإنتاج كثافة معينة من خطوط المجال المغناطيسي في وحدة الطول من المادة، ويُذكر أنّ المجال المغناطيسي يُعدّ كمية متجهة، إذ يقاس بالاعتماد على مقدار قوّته واتجاهه، وفيما يأتي طريقة حساب كليهما:

• اتجاه المجال المغناطيسي

يمكن معرفة اتجاه المغناطيسي باستخدام قاعدة قبضة اليد اليمنى ، ويمكن تطبيق هذه الطريقة بقبض اليد اليمنى، واستخدام الإبهام كمؤشر لاتجاه التيّار، فإذا كان التيّار متجه لأعلى فيوجه الإبهام للأعلى وهكذا، بينما تمثّل الأصابع المقبوضة اتجاه المجال المغناطيسي.

• مقدار شدّة المجال المغناطيسي

يستخدم قانون يدعى قانون بيوت سافارت لحساب شدّة المجال المغناطسيّ كمقدار وهو كالآتي:

شدّة المجال المغناطيسيّ= (النفاذيّة × شدّة التيار الكهربائيّ) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)

ويعبّر عنه بالرموز كما يأتي:

(2πr) / (I × μo) = B

حيث إنّ:

B: شدة المجال المغناطيسي ويُقاس بوحدة تسلا (T).

I: شدة التيار الكهربائي المار بالسلك ويُقاس بوحدة الأمبير.

μo: ثابت النفاذية للوسط ويُقاس بوحدة تسلا في متر لكل أمبير (A/T. m)، وتبلغ قيمته في حالة الفراغ 7-^10×π×4.

r: المسافة العمودية بين النقطة المراد حساب شدة مجالها والسلك، وتُقاس بوحدة المتر.

مثال على حساب شدة المجال المغناطيسي

• احسب شدة المجال المغناطيسيّ لسلك طويل مستقيم له حلقة دائريّة نصف قطرها 0.05م، علماً أنّ قراءة التيّار المتدفق عبرَه هيَ 2 أمبير.

الحل:

• شدّة المجال المغناطيسيّ= (النفاذيّة × شدّة التيار الكهربائيّ) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)
• شدّة المجال المغناطيسيّ= (2 ×10^-7 ×π×4) / (2π×0.05)
• شدّة المجال المغناطيسيّ= (6-^10 × 8) تسلا

تطبيقات على استخدام المجال المغناطيسي

يستخدم المجال المغناطيسيّ في العديد من التطبيقات العمليّة المتنوعة، ومنها ما يأتي:

المحركات

يكمن مبدأ عمل المحركات بخلق تغيّر في التيّار الكهربائيّ الذي يغذي المحرك، ممّا يؤدي إلى ارتفاع وانخفاض في المجالات المغناطيسيّة، وبالتالي دفع قلب المحرك من خلال تحريك عمود الدوران.

ومن الأمثلة على المحركات؛ الأبواب ذاتية الفتح، ومحرك السيارة، والمصاعد المتحركة، ومولدات الطاقة الكهرومائيّة وغيرها.

التصوير بالرنين المغناطيسيّ

يعدّ التصوير بالرنين المغناطيسيّ من أهمّ التطبيقات الطبيّة للمجال المغناطيسيّ، وهو عبارة عن أنبوب كبير يوضع فيه المريض، وبداخله يتمّ تنشيط مجال مغناطيسيّ قويّ يؤدي لدوران الذرات داخل جسم المريض بترددات دقيقة.

حيث يستقبل الجهاز هذه الترددات الراديويّة بتطابق يشابه تردد الذرات في الخلايا، وعندَ توقف الجهاز يقوم جهاز الكمبيوتر بفحصها ومطابقتها بأنواع ترددات معيّنة، ويظهر التشخيص على شكل صورة ثلاثيّة الأبعاد.

القرص الصلب في أجهزة الحواسيب

يُستخدم المجال المغناطيسيّ في عمل الأقراص الصلبة في أجهزة الحواسيب، فهو عبارة عن صندوق مزوّد بإلكترونيّات تعمل على تجميع المجالات المغناطيسيّة على القرص الصلب للقيام بعمليّة القراءة، وتعمل على تحويل البايتات (بالإنجليزية: bytes ) إلى مجال مغناطيسيّ للقيام بعمليّة الكتابة.

استخدامات أخرى

يستخدم المجال المغناطيسيّ في عمل البوصلة، وأجهزة الإنذار، والميكروفونات، ومكبرات الصوت، وأبواق السيارات، والأجراس الكهربائية، ومحركات الأقراص التي تعمل على تسجيل البيانات وقراءتها، وأجهزة قياس المغناطيسيّة وغيرها من التطبيقات.

المجال المغناطيسي الأرضي

المجال المغناطيسي الأرضي هو قوّة تنشأ بين قطبيّ الأرض الشمالي والجنوبيّ بعيدًا عن السطح، ومن أبرز خصائصه بأنّه مجال ثنائيّ القطب يشبه المغناطيس، إذ إنّ له قطب شمالي وقطب جنوبي يقعان في أقطاب الكرة الأرضية، ويُذكر أنّ هذا المجال يُعدّ ثلاثيّ الأبعاد ويحيط بالكرة الأرضية بأكملها.

تكمن أهميّة المجال المغناطيسي الأرضي بكونه مسببًا للعديد من القوى الأساسيّة والضروريّة في الكرة الأرضيّة مثل ظاهرة الحمل الحراريّ، والتيّار الحلقيّ، والنفاثات الكهربائية الشفقيّة، وغيرها.

إنّ المجال المغناطيسيّ هو قوّة تنشأ بفعل تغيّرات معيّنة، وهو قابل للقياس والحساب رياضيّاً باستخدام معادلة رياضيّة وضعها العلماء، ويظهر تأثير هذا المجال المغناطيسيّ على شكل خطوط مغناطيسيّة غير مرئيّة، ويمكن مشاهدة هذا التأثير على الأجسام التي تقع تحتَ تأثير هذا المجال، كما يمكن الاستفادة منه في العديد من التطبيقات العمليّة.