القوة المغناطيسية
تُعرف القوة المغناطيسية أو قوة التجاذب والتنافر بين الجسيمات التي تمتلك شحنة كهربائية، بأنَّها القوة الأساسية المسؤولة عن التأثير على الجسيمات كعمل المحركات الكهربائية، أو جذب المغناطيس للحديد.
وتجدر الإشارة إلى أنَّ هناك قوى كهربائية تربط الشحنات الكهربائية الثابتة مع بعضها البعض، في حين أنَّ الشحنات الكهربائية المتحركة تتحكم بها القوى الكهربائية والمغناطيسية، بالتّالي يُمكن وصف القوة المغناطيسية الناشئة بين شحنتين متحركتين بأنَّها التأثير الذي تمارسه إحداهما من خلال مجال مغناطيسي يتمّ إنشاؤه بفعل الأخرى.
تُعتبر القوة المغناطيسية إحدى قوى الطبيعة الأساسية، وهي نتيجة القوة الكهرومغناطيسية التي تتسبَّب بها حركة الشحنات، حيث أنَّ الشحنات التي تحمل نفس اتجاه الحركة ينشأ فيما بينها قوة جذب مغناطيسية، في حين أنَّ الأجسام التي تتحرك شحناتها في اتجاهات متعاكسة تنشأ قوة تنافر فيما بينها.
قانون القوة المغناطيسية
يُعرف قانون القوة المغناطيسية باسم قانون قوة لورنتز والذي من شأنهِ أن يربط القوة التي تؤثر بالشحنة الكهربائية أو التيار بالمجال المغناطيسي، ويُمكن التعبير عنه كمنتج مُتّجهي مُتقاطع كما يأتي:
F = qv × B
حيث إن:
- q: مقدار الشحنة الكهربائية.
- v: مقدار السرعة التي تتحرك بها الشحنة.
- B: المجال المغناطيسي.
ويُمكن تبسيط النتيجة من خلال القانون الآتي:
F = qvBsin (θ)
من القانون السابق الزاوية (θ) هي الزاوية الواقعة بين (v) و(B)، بالتّالي القوة القصوى تنشأ في حال كانت (v) متعامدة على (B)، وتكون أقل ما يكون وهي صفر عندما يكونان متوازيين.
أمّا فيما يَخصّ القوة التي تَنتج عن مجال مغناطيسي ويُؤثر على قضيب يحمل تيارًا، في هذهِ الحالة يُرمز لقضيب ذو طول مُوحد بالرمز (l)، ويُرمز لمساحة المقطع العرضي بالرمز (A)، ويُعبّر عن كثافة عدد الإلكترونات التي تنتقل عبر قضيب التوصيل بالرمز (n).
عندها يُمكن حساب العدد الإجمالي لحاملات الشحن من خلال (nAI)، حيثُ يُمثّل (I) التيار الثابت في القضيب، في حين أنَّ سرعة انجرافه تُحسب من خلال(vd)، وفي حال وَضِع قضيب التوصيل في مجال مغناطيسي خارجي يحمل الحجم (B) تُحسب القوة المُطبّقة على الشحنات المتحركة أو الإلكترونات من خلال القانون الآتي:
F = (nAI) q v d × B
حيثُ تمثِّل (q) قيمة الشحنة على الناقل المحمول، و(nqvd) تُمثِّل أيضًا كثافة التيار (j)، بينما ( A × | nqvd | )يُمثِّل التيار المار من خلال الموصل، ومنها تكون المعادلة كما يأتي:
F=[(nqevd) AI] × B = [jAI] × B = Il × B
حيث يُمثّل (I) مُتجه المقدار والذي يساوي طول القضيب الموصل.
بماذا تقاس القوة المغناطيسية
تُقاس القوة سواءً كانت قوة مغناطيسية، أو كهربائية، أو ميكانيكية دائمًا بوحدة النيوتن، أو كيلو نيوتن أو ميكرو نيوتن تبعًا للمسألة، ويُقاس المجال المغناطيسي بوحدة تيسلا (T).
ما هو اتجاه القوة المغناطيسية ؟
يُستخدم لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية قاعدة اليد اليمنى، وتُستخدم هذه القاعدة لتحديد اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة المتحركة، فإذا كانت الشحنة سالبة، فإنّ اتجاه القوة المؤثرة عليها سيكون في الاتجاه المعاكس.
وتُطبق قاعدة اليد اليمنى من خلال الإشارة بالإبهام نحو اتجاه حركة الشحنة (السرعة)، ثم الإشارة بالأصابع الأخرى نحو اتجاه المجال المغناطيسي، وبالتالي فإنّ الاتجاه العمودي الناشئ على كف اليد اليمنى يكون اتجاه القوة المغناطيسية، وإذا كانت الشحنة سالبة يُعكس اتجاه القوة المغناطيسية الذي حُدد من قاعدة اليد اليمنى.
ما الفرق بين القوة المغناطيسية والمجال المغناطيسي
تُعرف القوة المغناطسية بأنّها قوة التأثير التي تُمارسه شحنة كهربائية على شحنة أخرى من خلال المجال المغناطيسي الذي أُنشئ بفعل الشحنة الأخرى، بحيث تكون قوة تجاذب إذا تحركتا الشحنتين في نفس الاتجاه، وتكون قوة تنافر إذا تحركتا الشحنتين في اتجاهات متعاكسة.
وتُسمى المنطقة أو المساحة التي تُحيط بالمغناطيس، أو المكان الذي بُذلت داخله القوة المغناطيسية على مغناطيس آخر بالمجال المغناطيسي.
تطبيقات على القوة المغناطيسية
تعتمد العديد من التطبيقات العملية في الحياة اليوميّة على القوة المغناطيسي، ومن أبرز هذه التطبيقات ما يأتي:
تُستخدم البوصلة لتحديد الاتجاهات؛ إذ تتكوّن من دبوس صغير مُثبت عليه إبرة مغناطيسية، بحيث تتحرّك هذه الإبرة دائمًا نحو اتجاه الشمال باستخدام القوة المغناطيسية المؤثرة عليها.
- التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
تُستخدم تقنية التصوير بالرنين في العديد من المراكز الطبية التشخيصية في العالم، وهي من أكثر تقنيات التصوير المستخدمة شيوعًا، وتُستخدم هذه التقنية قوّة المجالات المغناطيسية وموجات الراديو للحصول على صور لأعضاء جسم الإنسان.
تُستخدم المحركات الكهربائية في العديد من الأجهزة الكهربائية كمجففات الشعر اليدوية، وشفرات الحلاقة الكهربائية، والسكاكين الكهربائية، وتحوّل هذه المحركات الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانيّة تُدير المحرك، وذلك من خلال مرور تيار كهربائي عبرها ينشأ عنه مجال مغناطيسي، والذي يُؤدي إلى تولّيد قوة مغناطيسية تُسبب الحركة أو الدوران.
تُستخدم محركات الأقراص الثابتة في أجهزة الحاسوب القوة المغناطيسية لتخزين البيانات، وذلك من خلال مادة طلاء مغناطيسية موجودة على القرص مكونة من عدد هائل من المغناطيسات الصغيرة.
تُستخدم أجهزة الميكروويف جهاز المغنطرون لتوليد القوة المغناطيسية، ولتوليد طاقة كهربائية للطهي، بحيث يتكوّن هذا الجهاز من أنبوب مفرغ يُوجد بالقرب منه مغناطيسي، ويوفر قوة مغناطيسية تُساعد الإلكترونات على الدوران في حلقة لتوليد الطاقة الكهربائية.
أمثلة رياضية على حساب القوة المغناطيسية
ندرج فيما يأتي أمثلة رياضية على حساب القوة المغناطيسية:
المثال (1):
تحرّكت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني الموجب بسرعة 7×10^6 م/ث، إذا علمتَ أنّ اتجاه المجال المغناطيسي نحو الداخل، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة مقدارًا واتجاهًا.
الحل:
مقدار الشحنة = 3×10^-6 كولوم. مقدار المجال المغناطيسي = 0.01 تسلا. سرعة الشحنة = 7×10^6 م/ث. الزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال المغناطيسي (θ) = °90.
F = qvBsin (θ)
F = 3×10^6- × 7×10^6 × 0.01 sin (90)
F = 0.21 N
يُحدد اتجاه القوة المغناطيسية باستخدام قاعدة اليد اليمنى: يُشير الإبهام إلى اتجاه السرعة وهو السيني الموجب، وتُشير الأصابع الأخرى نحو الداخل باتجاه المجال المغناطيسي، وبالتالي يكون اتجاه القوة المغناطيسية نحو الأعلى أي باتجاه المحور الصادي الموجب.
المثال (2):
تحرّكت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني السالب بسرعة 7×10^6 م/ث، إذا علمتَ أنّ اتجاه المجال المغناطيسي نحو المحور السيني الموجب، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة مقدارًا واتجاهًا.
الحل:
مقدار الشحنة = 3×10^6- كولوم. مقدار المجال المغناطيسي = 0.01 تسلا. سرعة الشحنة = 7×10^6 م/ث. الزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال المغناطيسي (θ) = °180.
F = qvBsin (θ)
F = 3×10^6- × 7×10^6 × 0.01 sin (180)
F = 0، أي لم تتولد قوة مغناطسية بسبب حركة الشحنة الموازية لاتجاه المجال المغناطيسي وفي اتجاه معاكس.
