المغانط: الدائمة والمؤقتة
3-1 المغانط: الدائمة والمؤقتة
Magnets: Permanent and Temporary
تجربة استهلالية
في أي اتجاه تؤثر المجالات المغناطيسية؟
سؤال التجربة
ما اتجاه القوة التي تؤثر في جسم ممغنط موضوع في مجال مغناطيسي؟
الخطوات
- ضع أمامك قضيبًا مغناطيسيًا أفقيًا على أن يكون قطبه الشمالي نحو اليسار.
- ضع قضيبًا مغناطيسيًا آخر أفقيًا أيضًا عن يسار القضيب الأول وعلى بعد 5.0 cm منه بحيث يكون متاحًا وضع بوصلة بين القضيبين المغناطيسيين، على أن يكون قطبه الشمالي نحو اليسار أيضًا.
- ارسم شكلًا توضيحيًا لما قمت به على ورقة، وتحقق من تحديد الأقطاب عليه.
- ضع البوصلة بالقرب من أحد القطبين، وارسم الاتجاه الذي يشير إليه سهمها.
- استمر في تغيير موضع البوصلة نحو القطب الآخر عدة مرات، وفي كل مرة ارسم الاتجاه الذي يشير إليه السهم حتى تحصل على 15-20 سهمًا.
- كرر الخطوات من 3 إلى 5 على أن يكون القطبان الشماليان متقابلين في هذه المرة.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_استهلالية_اتجاه_القوة_في_المجال_المغناطيسي.png
التحليل
ما الاتجاه الذي يشير إليه الطرف الأحمر لإبرة البوصلة عادة؟ وما الاتجاه الذي يبتعد عنه؟ ولماذا قد لا تشير بعض الأسهم إلى أي الموقعين في السؤالين؟
التفكير الناقد
يسمى المخطط الذي حصلت عليه بعد رسمك للأسهم، المجال المغناطيسي. تذكر المقصود بكل من مجال الجاذبية الأرضية، والمجال الكهربائي، وعرّف المجال المغناطيسي.
3-1 المغانط: الدائمة والمؤقتة
Magnets: Permanent and Temporary
رابط الدرس الرقمي
[www.ien.edu.sa](http://www.ien.edu.sa)
الأهداف
بعد دراسة هذا الدرس يتوقع أن تكون قادرًا على أن:
- تصف خصائص المغانط ومنشأ المغناطيسية في المواد.
- تقارن بين المجالات المغناطيسية المختلفة.
المفردات
| المفردة |
| --------------------------- |
| المستقطب |
| المجالات المغناطيسية |
| التدفق المغناطيسي |
| القاعدة الأولى لليد اليمنى |
| الملف اللولبي |
| المغناطيس الكهربائي |
| المنطقة المغناطيسية |
| القاعدة الثانية لليد اليمنى |
مقدمة الدرس
عُرفت المغانط والمجالات المغناطيسية منذ أكثر من 2000 سنة مضت.
واستخدم البحارة الصينيون المغانط في صورة بوصِلات ملاحية قبل 900 سنة تقريبًا. ودرس العلماء منذ القدم وفي أنحاء العالم كافة الصخور المغناطيسية التي تسمى مغانط طبيعية.
وللمغانط اليوم أهمية متنامية في حياتنا اليومية؛ فالمولدات الكهربائية، والمحركات الكهربائية البسيطة، وأجهزة التلفاز، وأجهزة العرض التي تعمل بالأشعة المهبطية، وأشرطة التسجيل، ومشغلات الأقراص الصلبة الموجودة داخل أجهزة الحاسوب، جميعها تعتمد على الآثار المغناطيسية للتيارات الكهربائية.
وإذا كنت قد استخدمت البوصلة يومًا ما، أو التقطت الدبابيس أو مشابك الورق بالمغناطيس فقد لاحظت بعض الآثار المغناطيسية.
ولربما صنعت مغناطيسًا كهربائيًا أيضًا، وذلك بلف سلك معزول حول مسمار، ثم وصلت طرفي السلك ببطارية.
وستكون خصائص المغانط أكثر وضوحًا إذا استخدمت في تجربتك مغناطيسين. ولدراسة المغناطيسية بصورة أفضل يمكنك التجريب بالمغانط، كتلك الموضحة في الشكل 3-1.
الخصائص العامة للمغانط
General Properties of Magnets
علّق مغناطيسًا بخيط، كما هو موضح في الشكل 3-2a. إذا استخدمت قضيبًا مغناطيسيًا فعليك تعليقه بسلك ينتهي بخطافين لتجعله أفقيًا.
عندما يستقر المغناطيس يتخذ اتجاهًا معينًا. حرك المغناطيس بحيث يشير إلى اتجاه مختلف ثم اتركه. هل استقر القضيب المغناطيسي عند الاتجاه الأول نفسه؟ إذا حدث ذلك فإلى أي اتجاه يشير؟
ستجد أن القضيب المغناطيسي قد استقر في اتجاه شمال - جنوب. اكتب الحرف N عند الطرف الذي يشير إلى اتجاه الشمال بوصفه مرجعًا.
يمكنك أن تستنتج من خلال هذه التجربة البسيطة أن المغناطيس مستقطب، أي له قطبان متميزان متعاكسان، أحدهما القطب الباحث عن الشمال الجغرافي للأرض، ويسمى القطب الشمالي. والآخر القطب الباحث عن الجنوب الجغرافي للأرض، ويسمى القطب الجنوبي.
والبوصلة ليست أكثر من مغناطيس صغير حر الدوران.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-1_المغانط_الشائعة.png
الشكل 3-1
المغانط الشائعة التي تباع في معظم محال الأدوات المنزلية والمكتبات.
علّق مغناطيسًا آخر بالطريقة نفسها، وحدد القطب الشمالي له كما فعلت مع المغناطيس الأول.
ولاحظ تفاعل المغناطيسين؛ وذلك بتقريب أحدهما إلى الآخر، كما هو موضح في الشكل 3-2b.
ماذا يحدث عند تقريب القطبين الشماليين أحدهما إلى الآخر؟ حاول ذلك مع الأقطاب الجنوبية. وأخيرًا ماذا يحدث عند تقريب القطبين المختلفين أحدهما إلى الآخر؟
لعلك لاحظت أن القطبين الشماليين يتنافران وكذلك الجنوبيان. ولعلك لاحظت كذلك أن القطب الجنوبي لأحدهما انجذب نحو القطب الشمالي للآخر.
أي أن الأقطاب المتشابهة تتنافر والأقطاب المختلفة تتجاذب.
ولجميع المغانط قطبان مختلفان. وإذا قسمت المغناطيس نصفين فسينتج مغناطيسان جديدان، كل منهما له قطبان.
وقد حاول العلماء كسر المغناطيس ليفصلوا القطبين أحدهما عن الآخر للحصول على قطب مغناطيسي منفرد، إلا أن أحدًا لم ينجح في ذلك حتى على المستوى المجهري.
وإذا علمنا أن المغانط تنتظم دائمًا في اتجاه شمال - جنوب فسوف يظهر لنا أن الأرض نفسها مغناطيس عملاق.
ولأن الأقطاب المغناطيسية المختلفة تتجاذب، والقطب المغناطيسي الشمالي لإبرة البوصلة يشير نحو الشمال، لذا يجب أن يكون القطب المغناطيسي الجنوبي للأرض بالقرب من القطب الشمالي الجغرافي لها.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-2_تعليق_مغناطيس_وتنافر_الأقطاب.png
الشكل 3-2
إذا علقت مغناطيسًا بخيط فإن المغناطيس سيتخذ اتجاهًا يتناسب مع الخصائص المغناطيسية للأرض (a). سيشير القطب الشمالي للمغناطيس نحو الشمال.
وإذا قربت القطب الشمالي للمغناطيس الآخر نحو القطب الشمالي للمغناطيس المعلق فسوف يبتعد المغناطيس المعلق (b).
كيف تؤثر المغانط في المواد الأخرى؟
عرفت منذ طفولتك أن المغانط تجذب مغانط أخرى وبعض الأجسام القريبة، ومنها المسامير والدبابيس ومشابك الورق، والعديد من الأجسام الفلزية الأخرى.
وخلافًا للتفاعل بين مغناطيسين فإن أي طرف للمغناطيس يجذب أي طرف لقطعة حديد.
فكيف تفسر هذا السلوك؟
أولًا، إذا لامس المغناطيس مسمارًا، ثم لامس المسمار قطع حديد صغيرة فسيصبح المسمار نفسه مغناطيسًا، كما هو موضح في الشكل 3-3.
فالمغناطيس يحفز المسمار ليصبح مستقطبًا. ويعتمد اتجاه قطبية المسمار على قطبية المغناطيس.
وإذا أبعدت المغناطيس فسيفقد المسمار بعضًا من مغناطيسيته، ولن يطول جذبه للأجسام الفلزية الأخرى.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-3_تمغنط_المسمار_بالحث.png
الشكل 3-3
ينجذب المسمار نحو المغناطيس. وفي هذه العملية يصبح المسمار نفسه ممغنطًا، ويمكنك أن ترى أنه عندما يحدث تلامس بين المغناطيس والمسمار فإن المسمار يصبح قادرًا على جذب أجسام فلزية أخرى.
وعند فصل المسمار عن المغناطيس تسقط بعض الأجسام الفلزية؛ وذلك لأن المسمار يفقد جزءًا من مغناطيسيته.
وإذا كررت التجربة الموضحة في الشكل 3-3، ووضعت قطعة من الحديد المطاوع، حديد يحتوي على القليل من الكربون، بدلًا من المسمار فستلاحظ أن الحديد المطاوع يفقد كل جاذبيته للأجسام الفلزية الأخرى مباشرة عند إبعاد المغناطيس؛ وذلك لأن الحديد المطاوع مغناطيس مؤقت.
أما المسمار فيحتوي على معادن أخرى تتيح له الاحتفاظ ببعض مغناطيسيته عند إبعاد المغناطيس الدائم.
المغناطيس الدائم
تتولد مغناطيسية المغناطيس الدائم بطريقة مشابهة للتي تولدت بها مغناطيسية المسمار.
وبسبب التركيب المجهري للمادة التي يتكون منها المغناطيس فإن المغناطيسية المستحثة تصبح دائمة.
يصنع العديد من المغانط الدائمة من سبيكة حديد تحتوي على خليط من الألومنيوم والنيكل والكوبالت.
وهناك مجموعة متنوعة من العناصر الترابية النادرة، ومنها النيوديميوم والجادولينيوم، تنتج مغانط دائمة قوية جدًا مقارنة بأحجامها.
المجالات المغناطيسية حول المغانط الدائمة
Magnetic Fields Around Permanent Magnets
عندما تجري تجربة باستخدام مغناطيسين تلاحظ أن القوى بينهما، سواء أكانت قوة تجاذب أو تنافر، تحدث حتى قبل تلامسهما.
وبالطريقة نفسها التي وصفت بها قوة الجاذبية والقوة الكهربائية من خلال مجال الجاذبية الأرضية والمجال الكهربائي، يمكن وصف القوى المغناطيسية من خلال المجالات المغناطيسية المتولدة حول المغناطيس.
وهذه المجالات المغناطيسية كميات متجهة توجد في المنطقة التي تؤثر فيها القوة المغناطيسية.
يمكن تمثيل المجال المغناطيسي الموجود حول المغناطيس باستخدام برادة الحديد؛ فكل قطعة صغيرة من برادة الحديد تصبح مغناطيسًا بالحث.
وتدور برادة الحديد حتى تصبح موازية للمجال المغناطيسي، مثل إبرة البوصلة تمامًا.
ويوضح الشكل 3-4a برادة الحديد في محلول الجليسرول، وهي تحيط بالقضيب المغناطيسي. ويمكن ملاحظة صورة ثلاثية الأبعاد للمجال.
وفي الشكل 3-4b ترتبت برادة الحديد، وأعطت رسمًا ثنائي الأبعاد للمجال المغناطيسي، ويساعدك ذلك على تصور خطوط المجال المغناطيسي.
ويمكن لبرادة الحديد كذلك أن تظهر كيف يتشوه المجال المغناطيسي بواسطة جسم ما.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-4_برادة_الحديد_حول_قضيب_مغناطيسي.png
الشكل 3-4
يظهر المجال المغناطيسي لقضيب مغناطيسي بوضوح في الأبعاد الثلاثة، وذلك عند تعليق المغناطيس في الجليسرول مع برادة الحديد (a)، إلا أنه من الأسهل وضع المغناطيس أسفل ورقة، ثم رش برادة الحديد فوقها لمشاهدة نمط المجال المغناطيسي في بعدين (b).
خطوط المجال المغناطيسي
لاحظ أن خطوط المجال المغناطيسي تشبه خطوط المجال الكهربائي في أنها وهمية، وهي تستخدم لتساعدنا على تصور المجال، وتزودنا بمقياس لشدة المجال المغناطيسي.
ويسمى عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تخترق السطح التدفق المغناطيسي.
والتدفق عبر وحدة المساحة يتناسب طرديًا مع شدة المجال المغناطيسي.
وكما تلاحظ من الشكل 3-4 فإن معظم التدفق المغناطيسي مركز عند القطبين؛ حيث يكون المجال المغناطيسي عندهما أكبر ما يمكن.
يعرف اتجاه خط المجال المغناطيسي بأنه الاتجاه الذي يشير إليه القطب الشمالي لإبرة البوصلة عند وضعها في المجال المغناطيسي.
ويحدد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي بحيث تكون خارجة من القطب الشمالي للمغناطيس وداخلة إلى القطب الجنوبي له، كما هو موضح في الشكل 3-5.
ماذا يحدث داخل المغناطيس؟
لا توجد أقطاب مفردة تنتهي فيها أو تبدأ منها خطوط المجال المغناطيسي، لذا فهي تكمل دورتها داخل المغناطيس دائمًا من القطب الجنوبي إلى القطب الشمالي لتشكل حلقات مقفلة.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
دلالة_الألوان_لخطوط_المجال_المغناطيسي.png
دلالة الألوان
| الدلالة | اللون |
| ---------------------- | --------------------- |
| الشحنات الموجبة | الأحمر |
| الشحنات السالبة | الأزرق |
| خطوط المجال الكهربائي | النيلي، الأزرق الداكن |
| خطوط المجال المغناطيسي | الأخضر |
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-5_خطوط_المجال_المغناطيسي_حول_قضيب.png
الشكل 3-5
يمكن تصور خطوط المجال المغناطيسي على شكل حلقات مغلقة تخرج من القطب الشمالي وتدخل إلى القطب الجنوبي للمغناطيس نفسه لتكمل دورتها إلى القطب الشمالي.
ما نوع المجالات المغناطيسية المتكونة بواسطة أزواج من القضبان المغناطيسية؟
يمكن مشاهدة هذه المجالات بوضع مغناطيسين أسفل ورقة، ورش برادة حديد عليها.
يبين الشكل 3-6a خطوط المجال بين قطبين متشابهين.
وفي المقابل إذا وضع قطبان مختلفان متقاربان فإنهما يكونان مجالًا، كما هو موضح في الشكل 3-6b.
وتبين برادة الحديد أن خطوط المجال بين قطبين مختلفين تتجه مباشرة من أحد المغناطيسين لتصل إلى الآخر.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-6_مجالات_مغناطيسية_لأقطاب_متشابهة_ومختلفة.png
الشكل 3-6
تبين خطوط المجال المغناطيسي الممثلة ببرادة الحديد أن الأقطاب المتشابهة تتنافر (a)، والأقطاب المختلفة تتجاذب (b).
ولا تشكل برادة الحديد خطوطًا متصلة بين الأقطاب المتشابهة. لكنها تبين أن خطوط المجال المغناطيسي تنتقل مباشرة بين القطبين الشمالي والجنوبي لمغناطيسين.
القوى المؤثرة في الأجسام الموضوعة في مجالات مغناطيسية
تؤثر المجالات المغناطيسية بقوى في مغانط أخرى؛ فالمجال المغناطيسي الناتج عن القطب الشمالي لمغناطيس يدفع القطب الشمالي لمغناطيس آخر بعيدًا في اتجاه خط المجال، والقوى الناتجة عن المجال نفسه والمؤثرة في قطب جنوبي لمغناطيس آخر تجذبه في عكس اتجاه خطوط المجال.
وفي الوقت نفسه فإن المغناطيس الثاني يحاول أن يصطف أو يرتب مع المجال، كما في إبرة البوصلة.
عندما توضع عينة مصنوعة من الحديد أو الكوبالت أو النيكل في المجال المغناطيسي لمغناطيس دائم تصبح خطوط المجال مركزة أكثر خلال هذه العينة، وتتمغنط بالحث.
وتبدو خطوط المجال كأنها تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل أحد طرفي العينة، وتمر خلالها، ثم تخرج من الطرف الآخر للعينة.
ولذلك يكون طرف العينة القريب من القطب الشمالي للمغناطيس قطبًا جنوبيًا، فتنجذب العينة نحو المغناطيس.
مسائل تدريبية
1
إذا حملت قضيبين مغناطيسيين على راحتي يديك، ثم قربت يديك إحداهما إلى الأخرى فهل ستكون القوة تنافرًا أم تجاذبًا في كل من الحالتين الآتيتين؟
a. تقريب القطبين الشماليين أحدهما إلى الآخر.
b. تقريب القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي.
2
يبين الشكل 3-7 خمسة مغانط في صورة أقراص مثقوبة بعضها فوق بعض.
فإذا كان القطب الشمالي للقرص العلوي متجهًا إلى أعلى فما نوع القطب الذي يكون نحو الأعلى لكل من المغانط الأخرى؟
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-7_مغانط_أقراص_مثقوبة_متراصة.png
الشكل 3-7
صورة مغانط في صورة أقراص مثقوبة بعضها فوق بعض.
3
يجذب مغناطيس مسمارًا، ويجذب المسمار بدوره قطعًا صغيرة، كما هو موضح في الشكل 3-3.
فإذا كان القطب الشمالي للمغناطيس الدائم عن اليسار كما هو موضح فأي طرفي المسمار يمثل قطبًا جنوبيًا؟
4
لماذا تكون قراءة البوصلة المغناطيسية غير صحيحة أحيانًا؟
المجالات المغناطيسية حول التيارات الكهربائية
Magnetic Fields Around Electric Currents
أجرى الفيزيائي الدنماركي هانز كريستيان أورستد عام 1820م تجارب على التيارات الكهربائية المارة في الأسلاك، فوضع سلكًا فوق محور بوصلة صغيرة، وأوصل نهايتي السلك بدائرة كهربائية مغلقة، كما هو موضح في الشكل 3-8a.
وكان يتوقع أن تشير البوصلة إلى اتجاه السلك أو اتجاه سريان التيار، لكن بدلًا من ذلك تعجب لرؤية إبرة البوصلة تدور لتصبح في اتجاه عمودي على السلك، كما هو موضح في الشكل 3-8b.
أي أن القوى المؤثرة في قطبي مغناطيس البوصلة كانت متعامدة مع اتجاه التيار داخل السلك.
ووجد أورستد أيضًا أنه لو لم يكن هناك تيار في السلك لما كان هناك قوى مغناطيسية.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-8_تجربة_أورستد_والتيار_والبوصلة.png
الشكل 3-8
باستخدام أدوات مماثلة لتلك الموضحة في الشكل (a) تمكن أورستد من توضيح العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية، وذلك بتمرير تيار كهربائي في السلك (b).
المجال المغناطيسي لسلك مستقيم
إذا انحرفت إبرة البوصلة عند وضعها بالقرب من سلك يحمل تيارًا وجب أن يكون ذلك ناتجًا عن مجال مغناطيسي ولّده التيار الكهربائي.
ويمكنك بسهولة ملاحظة المجال المغناطيسي حول سلك يحمل تيارًا عن طريق إنفاذ سلك رأسيًا خلال قطعة كرتون أفقية، ورش برادة حديد عليها.
فعند مرور التيار في السلك ستلاحظ أن برادة الحديد ترتب وتشكل نمطًا في صورة دوائر متحدة المركز حول السلك، كما هو موضح في الشكل 3-9.
تشير الخطوط الدائرية إلى أن خطوط المجال المغناطيسي حول السلك الطويل، اللانهائي، الذي يسري فيه تيار كهربائي تشكل حلقات مغلقة بالطريقة نفسها التي تشكل بها خطوط المجال المغناطيسي حلقات مغلقة حول المغانط الدائمة.
وتتناسب شدة المجال المغناطيسي المتولد حول سلك مستقيم وطويل طرديًا مع مقدار التيار المار في السلك، وعكسيًا مع البعد عنه.
وتبين البوصلة اتجاه خطوط المجال. وإذا عكس اتجاه التيار فستعكس إبرة البوصلة اتجاهها أيضًا، كما هو موضح في الشكل 3-10a.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-9_المجال_المغناطيسي_حول_سلك_يمر_فيه_تيار.png
الشكل 3-9
يظهر المجال المغناطيسي حول سلك يمر فيه تيار كهربائي ويخترق قرصًا كرتونيًا في صورة دوائر متحدة المركز من برادة الحديد حول السلك.
القاعدة الأولى لليد اليمنى
تستخدم القاعدة الأولى لليد اليمنى في تحديد اتجاه المجال المغناطيسي بالنسبة إلى اتجاه التيار الاصطلاحي.
تخيل أنك تمسك بيدك اليمنى قطعة من سلك معزول. اجعل إبهامك في اتجاه التيار الاصطلاحي.
ستشير أصابعك التي تدور حول السلك إلى اتجاه المجال المغناطيسي، كما هو موضح في الشكل 3-10b.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-10_قاعدة_اليد_اليمنى_لسلك_مستقيم.png
الشكل 3-10
ينعكس اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن مرور تيار في سلك موصل مستقيم عندما ينعكس اتجاه التيار المار فيه (a).
ويحدد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن سلك مستقيم يحمل تيارًا باستخدام القاعدة الأولى لليد اليمنى (b).
المجال المغناطيسي لملف دائري
يولد التيار الكهربائي المار في حلقة سلكية مجالًا مغناطيسيًا حول جميع أجزاء الحلقة.
وعند تطبيق القاعدة الأولى لليد اليمنى على أي جزء من أجزاء الحلقة السلكية ستجد أن اتجاه المجال المغناطيسي داخل الحلقة يكون دائمًا في الاتجاه نفسه.
ففي الشكل 3-11a يكون اتجاه المجال المغناطيسي داخل الحلقة خارجًا من الصفحة، أما اتجاه المجال المغناطيسي خارج الحلقة فيكون دائمًا داخلًا إلى الصفحة.
المجال المغناطيسي لملف لولبي
وعند لف السلك عدة لفات لتكوين ملف لولبي، ثم تمرير تيار في الملف، يكون اتجاه المجال حول جميع اللفات في الاتجاه نفسه، كما هو موضح في الشكل 3-11b.
ويسمى الملف الطويل المكون من عدة لفات الملف اللولبي، المحث، ويكون المجال المغناطيسي داخل الملف اللولبي مساويًا لمجموع المجالات الناتجة عن لفاته.
وعندما يسري تيار في ملف سلكي يصبح لهذا الملف مجال مغناطيسي يشبه المجال الناتج عن مغناطيس دائم.
وعند تقريب الملف الذي يسري فيه تيار من مغناطيس معلق فإن أحد طرفي الملف سيتنافر مع القطب المماثل له من المغناطيس، وهذا يعني أن الملف الذي يسري فيه تيار يمثل مغناطيسًا له قطبان، شمالي وجنوبي.
ويسمى المغناطيس الذي ينشأ عن سريان تيار كهربائي في ملف المغناطيس الكهربائي.
وتتناسب شدة المجال المغناطيسي الناتج في ملف طرديًا مع مقدار التيار المار فيه ومع عدد لفاته؛ ذلك لأن المجالات المغناطيسية لللفات متساوية، وتكون هذه المجالات في الاتجاه نفسه.
يمكن زيادة قوة المغناطيس الكهربائي أيضًا عن طريق وضع قضيب حديدي، قلب، داخل الملف؛ حيث يدعم هذا القلب المجال المغناطيسي ويقويه.
فيعمل القلب على زيادة المجال المغناطيسي؛ لأن مجال الملف اللولبي يولد مجالًا مغناطيسيًا مؤقتًا في القلب، تمامًا كما يعمل المغناطيس الدائم عند تقريبه إلى قطعة حديد.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-11_المجال_المغناطيسي_لملف_دائري_وملف_لولبي.png
الشكل 3-11
يمكن تمثيل المجال المغناطيسي حول حلقة سلكية تحمل تيارًا باستخدام القاعدة الأولى لليد اليمنى (a).
يولد التيار المار في الملف اللولبي مجالًا مغناطيسيًا، بحيث يضاف مجال كل لفة إلى مجالات اللفات الأخرى (b).
تطبيق الفيزياء
الكهرومغناطيسية
تستخدم الكهرومغناطيسية غالبًا في روافع نقل الحديد والفولاذ في مواقع الصناعات.
والمغناطيس الذي يعمل بفرق جهد 230 V وتيار 156 A يمكن أن يرفع كتلة مقدارها 11300 kg.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تطبيق_الفيزياء_الكهرومغناطيسية_في_روافع_نقل_الحديد.png
تجربة عملية
كيف يولّد التيارالكهربائي مجالاً مغناطيسيا قويًّا؟
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية
القاعدة الثانية لليد اليمنى
وتستخدم القاعدة الثانية لليد اليمنى في تحديد اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن مغناطيس كهربائي بالنسبة إلى اتجاه سريان التيار الاصطلاحي.
تخيل أنك تمسك بيدك اليمنى ملفًا معزولًا، فإذا دورت أصابعك حول الحلقات في اتجاه سريان التيار الاصطلاحي، كما هو موضح في الشكل 3-12، فسيشير إبهامك نحو القطب الشمالي للمغناطيس الكهربائي.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-12_القاعدة_الثانية_لليد_اليمنى.png
الشكل 3-12
تستخدم القاعدة الثانية لليد اليمنى في تحديد قطبية المغناطيس الكهربائي.
مسائل تدريبية
5
يسري تيار كهربائي في سلك مستقيم طويل من الشمال إلى الجنوب. أجب عما يأتي:
a. عند وضع بوصلة فوق السلك لوحظ أن قطبها الشمالي اتجه شرقًا. ما اتجاه التيار في السلك؟
b. إلى أي اتجاه تشير إبرة البوصلة إذا وضعت أسفل السلك؟
6
ما شدة المجال المغناطيسي على بعد 1 cm من سلك يسري فيه تيار، مقارنة بما يأتي:
a. شدة المجال المغناطيسي على بعد 2 cm من السلك.
b. شدة المجال المغناطيسي على بعد 3 cm من السلك.
7
صنع طالب مغناطيسًا بلف سلك حول مسمار، ثم وصل طرفي السلك ببطارية، كما هو موضح في الشكل 3-13.
أي طرفي المسمار، المدبب أم المسطح، سيكون قطبًا شماليًا؟
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-13_مغناطيس_كهربائي_بمسمار_وبطارية.png
الشكل 3-13
رسم يوضح سلكًا ملفوفًا حول مسمار موصولًا ببطارية.
8
إذا كان لديك بكرة سلك وقضيب زجاجي وقضيب حديدي وآخر من الألومنيوم، فأي قضيب تستخدم لعمل مغناطيس كهربائي يجذب قطعًا فولاذية؟ وضح إجابتك.
9
يعمل المغناطيس الكهربائي الوارد في المسألة السابقة جيدًا، فإذا أردت أن تجعل قوته قابلة للتعديل والضبط باستخدام مقاومة متغيرة فهل ذلك ممكن؟ وضح إجابتك.
تجربة
المجالات المغناطيسية الثلاثية الأبعاد
اربط مسمارًا من منتصفه بخيط بحيث يصبح معلقًا بصورة أفقية. ضع قطعة صغيرة من الشريط اللاصق حول الخيط في موضع التفافه حول المسمار حتى لا يفلت الخيط.
أدخل المسمار داخل الملف وشغل مصدر الجهد الموصول بالملف، ثم افصل مصدر الجهد، وأخرج المسمار من داخل الملف، ثم أمسك الخيط لتعليق المسمار.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تجربة_المجالات_المغناطيسية_الثلاثية_الأبعاد.png
الخطوات
- توقع: ما سلوك المسمار مع وجود مغناطيس دائم؟
- اختبر توقعك.
التحليل والاستنتاج
- وضح ما دليلك على أن المسمار أصبح ممغنطًا؟
- ارسم شكلًا ثلاثي الأبعاد يوضح المجال المغناطيسي حول المسمار.
الصورة المجهرية للمواد المغناطيسية
A Microscopic Picture of Magnetic Materials
تعلمت أنه عند وضع قطعة حديد أو كوبالت أو نيكل بالقرب من مغناطيس فإن العنصر يصبح مغناطيسًا أيضًا، وسيكون له قطبان، شمالي وجنوبي، إلا أن هذه المغنطة تكون مؤقتة.
ويعتمد توليد هذه القطبية المؤقتة على اتجاه المجال الخارجي.
ويفقد العنصر مغناطيسيته عند إبعاد المجال الخارجي.
وتسلك العناصر الثلاثة، الحديد والنيكل والكوبالت، سلوك مغانط كهربائية بطرائق عديدة؛ إذ لها خاصية تسمى الفرومغناطيسية.
المناطق المغناطيسية
على الرغم من أن التفاصيل التي اقترحها أمبير حول منشأ مغناطيسية المغناطيس كانت غير صحيحة إلا أن فكرته الأساسية كانت صائبة؛ فكل إلكترون في الذرة يشبه مغناطيسًا كهربائيًا صغيرًا.
وعندما تترتب مجموعة المجالات المغناطيسية الخاصة بإلكترونات الذرات المتجاورة في الاتجاه نفسه تسمى هذه المجموعة المنطقة المغناطيسية.
وعلى الرغم من أن هذه المجموعة قد تحوي 10²⁰ ذرة مفردة، إلا أن المناطق المغناطيسية تبقى صغيرة جدًا ومحدودة، غالبًا من 10 إلى 1000 ميكرون، لذا فإن عينة صغيرة من الحديد تحتوي على عدد هائل من المناطق المغناطيسية.
عندما لا تكون قطعة الحديد داخل مجال مغناطيسي فإن المناطق المغناطيسية تكون في اتجاهات عشوائية، وتلغي مجالاتها المغناطيسية بعضها بعضًا، كما في الشكل 3-14a.
أما عندما توضع قطعة الحديد داخل مجال مغناطيسي فإن هذه المناطق المغناطيسية تترتب بفعل المجال الخارجي لتصبح متفقة معه في الاتجاه، كما هو موضح في الشكل 3-14b.
وفي حالة المغناطيس المؤقت تعود المناطق إلى عشوائيتها بعد إزالة المجال المغناطيسي الخارجي.
وللحصول على مغناطيس دائم يتم خلط الحديد مع مواد أخرى لإنتاج سبائك تحافظ على المناطق المغناطيسية مرتبة بعد إزالة تأثير المجال المغناطيسي الخارجي.
الصورة التابعة لهذه الفقرة:
الشكل_3-14_المناطق_المغناطيسية_في_قطعة_حديد.png
الشكل 3-14
قطعة الحديد (a) تصبح مغناطيسًا فقط عندما تترتب مناطقها المغناطيسية في اتجاه واحد (b).
التسجيل في الوسائط
تولد المسجلات الصوتية وأجهزة الفيديو نبضات وإشارات كهربائية في رأس التسجيل الذي يتكون من مغانط كهربائية، فيعمل على توليد مجالات مغناطيسية تمثل الصوت والصورة المراد تسجيلهما.
وعندما يمر شريط التسجيل المغناطيسي الذي يحتوي على قطع صغيرة جدًا من مواد مغناطيسية فوق رأس التسجيل، تترتب المناطق المغناطيسية لهذه القطع بواسطة المجالات المغناطيسية لرأس التسجيل.
وتعتمد اتجاهات ترتيب واصطفاف المناطق المغناطيسية على اتجاه التيار المار برأس التسجيل، وبذلك تصبح تلك المناطق المغناطيسية تسجيلًا مغناطيسيًا للصوت والصورة المسجلين.
وتسمح المادة المغناطيسية الموجودة على الشريط البلاستيكي للمناطق المغناطيسية بالمحافظة على ترتيبها، إلى أن يتم تطبيق مجال مغناطيسي قوي يكفي لتغييرها مرة أخرى.
وعند تشغيل الشريط وإعادة قراءته تنتج إشارة بواسطة التيارات المتولدة عند مرور رأس التسجيل فوق الجسيمات المغناطيسية على الشريط، وترسل هذه الإشارة إلى مضخم وإلى زوج من مكبرات الصوت أو سماعات الأذن.
وعند استعمال شريط مسجل عليه سابقًا لتسجيل أصوات جديدة ينتج رأس المسح مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا بصورة سريعة يعمل على بعثرة اتجاهات المناطق المغناطيسية على الشريط.
التاريخ المغناطيسي للأرض
تسجل الصخور التي تحتوي على الحديد تاريخ اختلاف اتجاهات المجال المغناطيسي الأرضي؛ فصخور قاع البحر نتجت عن اندفاع صخور منصهرة من شقوق في قاع المحيط.
وعندما بردت تمغنطت في اتجاه المجال المغناطيسي الأرضي في ذلك الزمن.
ونتيجة للتوسع في قاع البحر فإن الصخور الأبعد عن الشقوق تعد أقدم من الصخور القريبة من الشقوق.
وقد تفاجأ العلماء الأوائل الذين فحصوا صخور قاع البحر عندما وجدوا أن اتجاه المغنطة في الصخور المختلفة متغير ومتنوع.
وخلصوا من خلال بياناتهم إلى أن القطبين المغناطيسيين للأرض قد تبادلا موقعيهما عدة مرات على مر العصور في تاريخ الأرض.
وأصل المجال المغناطيسي للأرض ومنشؤه غير مفهوم بصورة جيدة حتى الآن، كما تعد كيفية انعكاس اتجاه هذا المجال لغزًا حتى يومنا هذا.
3-1 مراجعة
10. المجالات المغناطيسية
هل المجال المغناطيسي حقيقي أم مجرد وسيلة من النمذجة العلمية؟
11. القوى المغناطيسية
اذكر بعض القوى المغناطيسية الموجودة حولك. كيف يمكنك عرض تأثيرات هذه القوى؟
12. اتجاه المجال المغناطيسي
صف قاعدة اليد اليمنى المستخدمة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي حول سلك مستقيم يمر فيه تيار كهربائي.
13. المغانط الكهربائية
وضعت قطعة زجاج رقيقة وشفافة فوق مغناطيس كهربائي نشط، ورش فوقها برادة الحديد فترتبت بنمط معين.
إذا أعيدت التجربة بعد عكس قطبية مصدر الجهد فما الاختلافات التي ستلاحظها؟ وضح إجابتك.
14. التفكير الناقد
تخيل لعبة داخلها قضيبان فلزيان متوازيان وضعا بصورة أفقية أحدهما فوق الآخر، وكان القضيب العلوي حر الحركة إلى أعلى وإلى أسفل.
a. إذا كان القضيب العلوي يطفو فوق السفلي، وعكس اتجاهه فإنه يسقط نحو القضيب السفلي. وضح لماذا قد يسلك القضيبان هذا السلوك؟
b. افترض أن القضيب العلوي قد فقد وحل محله قضيب آخر. في هذه الحالة يسقط القضيب العلوي نحو القضيب السفلي مهما كان اتجاهه. فما نوع القضيب الذي استعمل؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.