الخصائص العامه للمغناطيس
الدرس ١
الخصائص العامة للمغناطيس
استعمالات المغناطيس قديماً
هل قمت يوماً بتثبيت أوراق على الثلاجة أو على سطح معدني آخر مستخدماً المغناطيس؟ وهل تساءلت يوماً عن سبب جذب المغناطيس لبعض الفلزات؟
لاحظ الناس منذ آلاف السنين أن هناك معدناً يسمى المجنتايت يجذب القطع الحديدية. وقطعاً أخرى من المعدن نفسه. وقد اكتشفوا أيضاً عندما يدلكون قطعة حديدية بهذا المعدن تصبح هذه القطع الحديدية كالمجنتايت تجذب غيرها من المعادن. وربما صنعوا أول بوصلة في التاريخ عندما تركوا قطعة ممغنطة معلقة تعليقاً حراً في الهواء، فأخذت تدور، حتى أشار أحد طرفيها إلى الشمال. وللبوصلة أهمية كبيرة في الملاحة والاكتشافات العلمية، خاصة في البحار؛ حيث كان البحارة قديماً يعتمدون على النجوم أو الشمس؛ لمعرفة الجهة التي يبحرون إليها.
المغناطيس
المغناطيس الطبيعي جزء من معدن المجنتايت. حيث يجذب الأجسام المصنوعة من الحديد والفولاذ، ومنها المسامير ومشابك الورق، كما يجذب غيره من المغناطيس، ويتنافر معها. ولكل مغناطيس طرفان أو قطبان، يسمى أحدهما القطب الشمالي والآخر القطب الجنوبي. وكما يوضح الشكل ١؛ يتنافر القطب الشمالي للمغناطيس مع الأقطاب الشمالية الأخرى، ولكنه يجذب الأقطاب الجنوبية. ويتنافر القطب الجنوبي مع الأقطاب الجنوبية الأخرى، في حين يجذب الأقطاب الشمالية.
في هذا الدرس
الأهداف
- تصف سلوك المغناطيس.
- تربط بين سلوك المغناطيس والمجالات المغناطيسية.
- توضح لماذا تؤثر بعض المواد مغناطيسياً؟
الأهمية
- المغناطيسية إحدى القوى الأساسية في الطبيعة.
مراجعة المفردات
البوصلة: أداة تتكون من إبرة مغناطيسية، تتحرك بحرية لتحديد الاتجاهات.
المغناطيس الطبيعي: جزء من معدن المجنتايت.
المفردات الجديدة
- المجال المغناطيسي
- المنطقة المغناطيسية
- الغلاف المغناطيسي للكرة الأرضية
الشكل ١
يجذب القطب الشمالي للمغناطيس الأقطاب الجنوبية، ويتنافر القطبان المغناطيسيان الجنوبيان، أما القطب الشمالي للمغناطيس فيتجاذب مع القطب الجنوبي لمغناطيس آخر.
الصور
- ص1_الشكل1_تجاذب_وتنافر_الاقطاب_المغناطيسية
الصفحة ١٦٧
تساعد برادة الحديد على إظهار خطوط المجال المغناطيسي حول قضيب مغناطيسي.
تبدأ خطوط المجال المغناطيسي من القطب الشمالي، وتنتهي في القطب الجنوبي.
المجال المغناطيسي
لن يستغرق الأمر طويلاً عند تعاملك مع مغناطيسين متماثلين حتى تشعر أن المغناطيسين يتجاذبان أو يتنافران دون أن يتلامسا. فكيف يتحرك المغناطيس جسماً دون أن يلمسه؟ لذلك تذكر أن القوة التي تحرك الجسم قد تكون بسبب قوة دفع، أو جذب، والقوة المغناطيسية لا تختلف عن قوة الجاذبية والقوة الكهربائية، من حيث إنها تؤثر في الأجسام دون أن تلامسها، حيث تضعف كلما ابتعدت المغناطيس بعضها عن بعض.
تؤثر القوة المغناطيسية ضمن منطقة تحيط بالمغناطيس تسمى المجال المغناطيسي Magnetic Field، ويمكن الكشف عن هذه المنطقة من برادة حديد حول المغناطيس حيث تترتب على شكل خطوط منحنية تحيط بالمغناطيس، كما يبين الشكل ٢، وتبدأ خطوط المجال من أحد قطبي المغناطيس، لتنتهي بالقطب الآخر، وتساعد خطوط المجال المغناطيسي على تعرف اتجاه المجال المغناطيسي عند كل نقطة فيه.
ماذا قرأت؟
كيف تستدل على وجود مجال مغناطيسي؟
تبدأ خطوط المجال المغناطيسي من القطب الشمالي للمغناطيس، وتنتهي في القطب الجنوبي، كما تبينه في الشكل ٢، وتكون خطوط المجال متقاربة في المناطق التي يكون فيها المجال قوياً، وتتباعد الخطوط كلما ضعف المجال، وكما تلاحظ في الشكل ٣ يكون المجال المغناطيسي أقوى ما يمكن بالقرب من القطبين، ويضعف كلما ابتعدت عنهما، وتنحني خطوط المجال لتتقارب بعضها من بعض، في حالة التجاذب، وتنحني لتتباعد في حالة التنافر. ويبين الشكل ٣ خطوط المجال المغناطيسي بين قطبين شماليين، وكذلك بين قطب شمالي وآخر جنوبي.
الشكل ٢
تحيط خطوط المجال المغناطيسي بالمغناطيس، وكلما تقاربت خطوط المجال المغناطيسي كان المجال أقوى.
حدد أين يكون المجال بالنسبة لهذا المغناطيس أقوى ما يمكن؟
الصور
- ص2_برادة_الحديد_حول_قضيب_مغناطيسي
- ص2_الشكل2_خطوط_المجال_المغناطيسي
الصفحة ١٦٨
الشكل ٣
يظهر التجاذب والتنافر من خلال خطوط المجال.
وضح كيف يبدو المجال بين قطبين مغناطيسيين جنوبيين؟
كيف ينشأ المجال المغناطيسي
يمكن أن تصبح بعض المواد ومنها الحديد مغناطيساً، ويحيط بها مجال مغناطيسي. ويتولد المجال المغناطيسي عندما تتحرك الشحنات الكهربائية؛ فحركة الإلكترونات مثلاً تولد مجالاً مغناطيسياً.
يوجد داخل كل مغناطيس شحنات متحركة. وتحتوي كل ذرة على جسيمات مشحونة بشحنة سالبة تسمى الإلكترونات، وهذه الإلكترونات لا تتحرك حول أنوية الذرات بصورة دائرية فقط، وإنما تدور حول نفسها أيضاً في حركة مغزلية كما يبين الشكل ٤، وينجم عن نوعي الحركة التي يتحركها كل إلكترون مجال مغناطيسي، وتحتوي ذرات كل مغناطيس على إلكترونات متحركة بترتيب معين، بحيث تبدو كل ذرة وكأنها مغناطيس صغير. وفي بعض المواد كالحديد يوجد عدد كبير من الذرات لها مجالات مغناطيسية تشير إلى الاتجاه نفسه، وتسمى هذه المجموعة من الذرات التي تشير مجالاتها المغناطيسية إلى الاتجاه نفسه المنطقة المغناطيسية Magnetic Domain.
وتحتوي المادة القابلة للتمغنط، كالحديد والفولاذ، على العديد من هذه المناطق المغناطيسية، وعندما تكون المادة غير قابلة للتمغنط تكون هذه المناطق مرتبة في اتجاهات مختلفة، كما في الشكل ٥، فتغني المجالات المغناطيسية الناتجة عن تلك المناطق بعضها بعضاً؛ لذا لا تؤثر تلك المادة كمغناطيس.
الشكل ٤
تولد حركة الإلكترونات في الذرة مجالات مغناطيسية.
صف كيف تبدو الذرة كالذي يظهر في الشكل.
الصور
- ص3_الشكل3_خطوط_المجال_بين_قطبين
- ص3_الشكل4_حركة_الالكترونات_تولد_مجالا_مغناطيسيا
الصفحة ١٦٩
يحتوي المغناطيس على عدد هائل من المناطق المغناطيسية التي تكون مجالاتها المغناطيسية مرتبة وتشير إلى الاتجاه نفسه. افترض أننا قربنا مغناطيساً قوياً إلى قطعة حديد ليست مغناطيساً، المجال المغناطيسي لمغناطيس قوي على ترتيب المجالات المغناطيسية للعديد من المناطق المغناطيسية داخل قطعة الحديد؛ لتأخذ اتجاه خطوط المجال المغناطيسي نفسه للمغناطيس القوي، كما يبين الشكل ٥ ب. وهذه العملية تؤدي كما تشاهد إلى مغنطة مشابك الورق، كما في الشكل ٥ ج.
المجال المغناطيسي للأرض
لا تقتصر المغناطيسية في قطع من الحديد والفولاذ؛ فالكرة الأرضية لها مجال مغناطيسي، كما في الشكل ٦. وتسمى المنطقة المحيطة بالأرض والتي تتأثر بالمجال المغناطيسي للأرض الغلاف المغناطيسي للكرة الأرضية Magnetosphere. وتقوم هذه المنطقة بحماية الأرض من كثير من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس.
الشكل ٥
يمكن لبعض المعادن أن تصبح مغناطاً مؤقتة.
أ. مقطع مجهري في عينة من الحديد أو الفولاذ، تتجه المناطق المغناطيسية بشكل عشوائي، وهذا يلغي مجالاتها.
ب. عند تقريب مغناطيس قوي من قطعة حديد تترتب مناطقها المغناطيسية، وتصبح مجالاً مغناطيسياً موحداً.
ج. قضيب مغناطيسي يمغنط مشابك الورق، وتصبح الأطراف العلوية جميعها أقطاباً شمالية، وتصبح أطرافها السفلية أقطاباً جنوبية.
الصور
- ص4_الشكل5_ترتيب_المناطق_المغناطيسية_في_الحديد
- ص4_قضيب_مغناطيسي_يمغنط_مشابك_الورق
الصفحة ١٧٠
ويعتقد أن مركز المجال المغناطيسي الأرضي يقع عميقاً في لب الأرض الخارجي. وهناك نظرية تقول إن حركة الحديد المصهور في اللب الخارجي للأرض هي السبب في توليد المجال المغناطيسي للأرض. إن شكل المجال المغناطيسي للأرض مشابه للمجال الناشئ عن وجود قضيب مغناطيسي ضخم داخل الأرض، ويميل بزاوية ١١ درجة للخط الواصل بين قطبي الأرض الجغرافيين.
الشكل ٦
للأرض مجال مغناطيسي مشابه للمجال المتكون حول قضيب المغناطيس الأرض، ويعد القطب الشمالي الجغرافي للأرض جنوباً مغناطيسياً، كما يعد القطب الجنوبي الجغرافي للأرض شمالاً مغناطيسياً.
تطبيق العلوم
إيجاد الانحراف المغناطيسي
يشير القطب الشمالي لإبرة البوصلة نحو الشمال الجغرافي للأرض، والذي يعد كجنوب مغناطيسي لها.
تخيل أنك قمت برسم خط يبدأ من موقعك ويسمى بالخط الشمالي الحقيقي أو الأزرق، ثم رسمت خطاً آخر من موقعك ينتهي بالقطب الجنوبي المغناطيسي الذي تشير إليه الإبرة. تسمى الزاوية بين الخطين الانحراف المغناطيسي، وهو يختلف باختلاف موقعك على سطح الأرض، ولا بد من معرفة هذا الانحراف عند البحث عن الشمال الجغرافي.
تحديد المشكلة
افترض أن موقعك عند ٥٥° شمالاً، و١١٠° غرباً، ويقع القطب الشمالي الجغرافي عند ٩٠° شمالاً، و١١٠° غرباً، ويقع القطب الجنوبي المغناطيسي عند ٨٠° شمالاً، و١٠٥° غرباً، ما مقدار زاوية الانحراف المغناطيسي لموقعك؟
حل المشكلة
- ارسم شكلاً مشابهاً للشكل أعلاه، وثبت عليه البيانات السابقة.
- عين على الشكل موقعك، وموقع القطب الجنوبي المغناطيسي، والقطب الشمالي الجغرافي.
- ارسم خطاً من موقعك للقطب الشمالي الجغرافي، وخطاً آخر من موقعك للقطب الجنوبي المغناطيسي.
- قس الزاوية بين الخطين بالمنقلة.
الصور
- ص5_الشكل6_المجال_المغناطيسي_للارض
- ص5_تطبيق_العلوم_ايجاد_الانحراف_المغناطيسي
الصفحة ١٧١
تجربة
ملاحظة المجال المغناطيسي
الخطوات
- ضع قليلاً من برادة الحديد في طبق بتري بلاستيكي، ثم ثبت غطاءه بشريط لاصق شفاف.
- اجمع عدداً من المغناطيس فوق الطاولة، واحمل طبق بتري فوق كل مغناطيس، ولاحظ برادة الحديد، وارسم شكلها على ورقة.
- رتب مغناطيسين أو أكثر في أوضاع مختلفة فوق الطاولة، ثم ضع البرادة فوقها ولاحظ ما يحدث لها.
التحليل
- ماذا يحدث للبرادة بالقرب من أقطاب المغناطيس، وبعيداً عنها؟
- قارن بين مجالات المغناطيس المختلفة، وحدد الأقوى والأضعف من بينها.
المغناطيس الطبيعي
للنحل والحمام وغيرهما من المخلوقات أدوات ملاحة طبيعية خاصة، فهي تستطيع إيجاد طريقها. فمثلاً، لا يعرف إلى أين يتجه حمام الزاجل. وهب الله لهذه المخلوقات قطعاً صغيرة من معدن المجنتايت داخل أجسامها، ولهذه القطع مجالات مغناطيسية، تعتمد عليها في تعرف المجال المغناطيسي الأرضي لتحديد طريقها، وتستخدم بالإضافة لذلك نقاطاً استرشادية أخرى كالشمس والنجوم.
المجال المغناطيسي الأرضي المتغير
لا تبقى أقطاب المجال المغناطيسي الأرضي ثابتة في مكانها؛ فالقطب الشمالي المغناطيسي يقع الآن في مكان يختلف عما كان عليه قبل ٧٠٠ سنة مضت، كما يبين الشكل ٧. وقد يحدث أكثر من ذلك، كان ينعكس اتجاه المجال المغناطيسي للأرض، ولو أتيح استخدام البوصلة الحالية قبل ٧٠٠ ألف سنة لأشارت إبرتها إلى الجنوب الجغرافي الحالي بدلاً من الشمال الجغرافي؛ إذ إن اتجاه مجال الأرض المغناطيسي قد انعكس أكثر من ٢٠ مرة خلال ٥ ملايين السنة الماضية، وقد وجد ذلك مسجلاً ضمن البناء المغناطيسي للصخور القديمة، وكان ذلك في أثناء عملية برود الصخر وتجمده، حيث تجمد معه الترتيب المغناطيسي لذرات الحديد في الصخر، بما يتفق مع المجال المغناطيسي للأرض آنذاك، وبهذا شكلت الصخور سجلاً للتغيرات التي حدثت للمجال المغناطيسي الأرضي عبر العصور.
الشكل ٧
يختلف موقع القطب المغناطيسي للأرض من سنة إلى أخرى.
توقع كيف تكون حركة هذا القطب خلال السنوات القليلة القادمة؟
الصور
- ص6_تجربة_ملاحظة_المجال_المغناطيسي
- ص6_الشكل7_تغير_موقع_القطب_المغناطيسي_للارض
الصفحة ١٧٢
الشكل ٨
تجذب إبرة البوصلة مع خطوط المجال المغناطيسي أيضاً، وتصبح حول المغناطيس.
وضح ما يحدث لإبر البوصلات جميعها عند إزالة القضيب المغناطيسي.
البوصلة
إبرة البوصلة قضيب مغناطيسي صغير له قطبان: شمالي وجنوبي، وعند وضعها في مجال مغناطيسي تدور ثم تثبت في اتجاه يوازي خطوط المجال. ويبين الشكل ٨ كيف يتأثر اتجاه إبرة البوصلة بمكان وجودها حول قضيب مغناطيسي.
وكذلك يعمل المجال المغناطيسي للأرض على تدوير إبرة البوصلة، حتى تستقر بوضع متجه فيه القطب الشمالي لإبرة البوصلة نحو القطب المغناطيسي الأرضي، الموجود في شمال الكرة الأرضية. وهذا يبين أن قطب الأرض المغناطيسي الموجود في أقصى الشمال هو قطب مغناطيسي جنوبي.
العلوم عبر المواقع الإلكترونية
البوصلة
ارجع إلى المواقع الإلكترونية الموثوقة عبر شبكة الإنترنت لتتعرف العديد من أنواع البوصلات.
نشاط
استخدم البوصلة في تحديد موقعك بالنسبة للقطب الشمالي الحقيقي.
مراجعة الدرس ١
الخلاصة
المغناط
- للمغناطيس قطبان: شمالي وجنوبي.
- الأقطاب المغناطيسية المتشابهة تتنافر، والأقطاب المغناطيسية المختلفة تتجاذب.
- يحاط المغناطيس بمجال مغناطيسي يؤثر بقوى في المغناطيس الآخر.
- تكون بعض المواد قابلة للتمغنط؛ لأن ذراتها تسلك سلوك المغناطيس.
المجال المغناطيسي للأرض
- يحيط بالأرض مجال مغناطيسي يشبه المجال المغناطيسي المحيط بالقضيب المغناطيسي.
- تتحرك أقطاب الأرض المغناطيسية ببطء، وتتغير أماكنها من حين إلى آخر، وهي الآن قريبة من الأقطاب الجغرافية للأرض.
- شمال الأرض الجغرافي قريب من القطب المغناطيسي الجنوبي، وجنوب الأرض الجغرافي قريب من القطب المغناطيسي الشمالي.
اختبر نفسك
- وضح لماذا تسلك الذرات سلوك المغناطيس؟
- وضح لماذا تجذب المغناط الحديد ولا تجذب الورق؟
- صف كيف يكون سلوك الشحنات الكهربائية مماثلاً لسلوك الأقطاب المغناطيسية؟
- حدد مناطق الضعف ومناطق القوة في المجال المحيط بالمغناطيس.
- التفكير الناقد: إذا تم الحصول على مغناطيس على شكل حذاء الفرس من ثني قضيب مغناطيسي ليصبح على شكل حرف U، فكيف يمكن أن يتأثر مغناطيس مسطح آخر من هذا النوع أو يتنافر، أو يؤثر كل منهما في الآخر تأثيراً ضعيفاً؟
تطبيق المهارات
- تواصل: كان الملاحون القدامى يعتمدون على الشمس والنجوم وخط الساحل عند الإبحار. وضح كيف يزيد تطوير البوصلة من قدرتهم على الملاحة؟
الصور
- ص7_الشكل8_ابرة_البوصلة_وخطوط_المجال_المغناطيسي
- ص7_العلوم_عبر_المواقع_البوصلة
- ص7_مراجعة_الدرس_الخلاصة_واختبر_نفسك
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.