Tإن وجود المغناطيس والمجالات المغناطيسية معروف منذ أكثر من 2000 عام. استخدم البحارة الصينيون المغناطيس كبوصلات ملاحية منذ حوالي 900 عام. في جميع أنحاء العالم، درس العلماء الأوائل الصخور المغناطيسية، التي تسمى أحجار المغناطيس. اليوم، يلعب المغناطيس دورًا متزايد الأهمية في حياتنا اليومية. المولدات الكهربائية، والمحركات الكهربائية البسيطة، وأجهزة التلفزيون، وشاشات أشعة الكاثود، ومسجلات الأشرطة، والأقراص الصلبة للكمبيوتر، كلها تعتمد على التأثيرات المغناطيسية للتيارات الكهربائية.

إذا سبق لك أن استخدمت بوصلة أو التقطت مساميرًا أو مشابك ورق بمغناطيس، فقد لاحظت بعض تأثيرات المغناطيسية. ربما تكون قد صنعت مغناطيسًا كهربائيًا عن طريق لف سلك حول مسمار وتوصيله بالبطارية. تصبح خصائص المغناطيس أكثر وضوحًا عند تجربة اثنين منها. لتعزيز دراستك للمغناطيسية، يمكنك تجربة المغناطيس، مثل تلك الموضحة في الشكل.

من المحتمل أنك لاحظت أن المغناطيس يجذب مشابك الورق والمسامير والأشياء الأخرى المصنوعة من الحديد. أي مغناطيس، سواء كان على شكل قضيب أو حدوة حصان، له طرفان أو وجهان، يسميان قطبين، حيث يكون التأثير المغناطيسي أقوى. إذا تم تعليق قضيب مغناطيس من خيط رفيع، فقد وجد أن أحد قطبي المغناطيس سيتجه دائمًا نحو الشمال. ولا يُعرف على وجه اليقين متى تم اكتشاف هذه الحقيقة، ولكن من المعروف أن الصينيين كانوا يستخدمونها كوسيلة مساعدة للملاحة بحلول القرن الحادي عشر وربما قبل ذلك.

هذا هو مبدأ البوصلة. إبرة البوصلة هي مجرد قضيب مغناطيسي مدعوم في مركز ثقله بحيث يمكنه الدوران بحرية. يسمى قطب المغناطيس المعلق بحرية والذي يشير نحو الشمال الجغرافي بالقطب الشمالي للمغناطيس. أما القطب الآخر فيتجه نحو الجنوب ويسمى بالقطب الجنوبي.

من الملاحظة المألوفة أنه عند تقريب مغناطيسين من بعضهما البعض، يؤثر كل منهما بقوة على الآخر. يمكن أن تكون القوة جذابة أو مثيرة للاشمئزاز ويمكن الشعور بها حتى عندما لا يتلامس المغناطيس. إذا تم تقريب القطب الشمالي لقضيب مغناطيسي واحد من القطب الشمالي لمغناطيس آخر، فإن القوة تكون تنافرية. وبالمثل، إذا اقترب القطبان الجنوبيان، تكون القوة تنافرية. ولكن عندما يتم تقريب القطب الشمالي لمغناطيس ما من القطب الجنوبي لمغناطيس آخر، فإن القوة تكون متجاذبة. تذكرنا هذه النتائج بالقوى بين الشحنات الكهربائية: الأقطاب المتشابهة تتنافر، والأقطاب المتباينة تتجاذب. لكن لا تخلط بين الأقطاب المغناطيسية والشحنة الكهربائية. إنهم مختلفون جدًا. أحد الاختلافات المهمة هو أنه يمكن بسهولة عزل الشحنة الكهربائية الموجبة أو السالبة. لكن لم يتم ملاحظة قط قطب مغناطيسي واحد معزول. إذا تم قطع قضيب مغناطيس إلى نصفين، فلن تحصل على قطبين شمالي وجنوبي معزولين. وبدلاً من ذلك، يتم إنتاج مغناطيسين جديدين، لكل منهما قطبان شمالي (N) وجنوبي (S). وإذا تكررت عملية القطع، يتم إنتاج المزيد من المغناطيسات، ولكل منها قطب شمالي وقطب جنوبي. لقد بحث الفيزيائيون عن أقطاب مغناطيسية مفردة معزولة (أحادية القطب)، ولكن لم يتم ملاحظة أي أحادي قطب مغناطيسي على الإطلاق.

 

يمكن للمغناطيس أن يمارس قوى على بعضها البعض. تتميز القوى المغناطيسية بين القطبين الشمالي والجنوبي بخاصية أن الأقطاب المتشابهة تتنافر، والأقطاب المختلفة تتجاذب. يشبه هذا السلوك سلوك الشحنات الكهربائية المتشابهة والمختلفة. ومع ذلك، هناك فرق كبير بين الأقطاب المغناطيسية والشحنات الكهربائية. من الممكن فصل الشحنات الكهربائية الموجبة عن السالبة وإنتاجها معزولة. التهم من أي نوع. في المقابل، لم يعثر أحد على أحادي القطب المغناطيسي (قطب شمالي أو جنوبي معزول). أي محاولة لفصل القطبين الشمالي والجنوبي عن طريق قطع قضيب مغناطيسي إلى نصفين تفشل، لأن كل قطعة تصبح مغناطيسًا أصغر له قطبيه الشمالي والجنوبي.

إلى جانب الحديد، هناك عدد قليل من المواد الأخرى، مثل الكوبالت والنيكل والجادولينيوم وبعض أكاسيدها وسبائكها، تظهر تأثيرات مغناطيسية قوية. ويقال إنها مغناطيسية حديدية (من الكلمة اللاتينية Ferrum التي تعني الحديد). تُظهر المواد الأخرى بعض التأثير المغناطيسي الطفيف، لكنه ضعيف جدًا ولا يمكن اكتشافه إلا بأدوات دقيقة. سننظر بمزيد من التفصيل في المغناطيسية الحديدية.

لقد رأينا أنه عند وضع شحنة في مجال كهربي، فإنها تتأثر بقوة كهربية. وعندما توضع شحنة في مجال مغناطيسي، فإنها تتعرض أيضًا لقوة، بشرط توافر شروط معينة، كما سنرى. إن القوة المغناطيسية، مثل جميع القوى التي درسناها (على سبيل المثال، قوى الجاذبية والمرونة والكهرباء)، قد تساهم في القوة المحصلة التي تسبب تسارع الجسم. وبالتالي، عندما تكون القوة المغناطيسية موجودة، يجب أن يتم تضمينها في قانون نيوتن الثاني.

يجب استيفاء الشرطين التاليين لكي تتعرض الشحنة لقوة مغناطيسية عند وضعها في مجال مغناطيسي:

1. يجب أن تكون الشحنة متحركة، لأنه لا توجد قوة مغناطيسية تؤثر على الشحنة الثابتة.

2. يجب أن تحتوي سرعة الشحنة المتحركة على مكون متعامد مع اتجاه المجال المغناطيسي.

حركة جسم مشحون في مجال مغناطيسي

تختلف حركة الجسيم المشحون في المجال الكهربائي بشكل ملحوظ عن الحركة في المجال المغناطيسي. على سبيل المثال، شحنة موجبة تتحرك بين لوحات مكثف لوحة متوازية. في البداية، تتحرك الشحنة بشكل عمودي على اتجاه المجال الكهربائي. وبما أن اتجاه القوة الكهربائية المؤثرة على الشحنة الموجبة هو في نفس اتجاه المجال الكهربائي، فإن الجسيم ينحرف جانبًا. إذا كان نفس الجسيم يسافر في البداية بزوايا قائمة إلى مجال مغناطيسي. يوضح تطبيق RHR-1 أنه عندما تدخل الشحنة إلى المجال، تنحرف الشحنة إلى الأعلى (وليس إلى الجانب) بواسطة القوة المغناطيسية. ومع تحرك الشحنة لأعلى، يتغير اتجاه القوة المغناطيسية، ويظل دائمًا متعامدًا مع كل من المجال المغناطيسي والسرعة.

يتعرض الجسيم المشحون الذي يتحرك في مجال مغناطيسي لقوة مغناطيسية تكون دائمًا متعامدة مع المجال. في المقابل، فإن القوة التي يطبقها المجال الكهربائي تكون دائمًا موازية (أو مضادة للتوازي) مع اتجاه المجال. بسبب الاختلاف في الطريقة التي تؤثر بها المجالات الكهربائية والمغناطيسية، فإن الشغل المبذول على جسيم مشحون بواسطة كل مجال يختلف.

مطياف الكتلة

يستخدم الفيزيائيون مطياف الكتلة لتحديد الكتل النسبية ووفرة النظائر. يستخدم الكيميائيون هذه الأدوات للمساعدة في تحديد الجزيئات غير المعروفة التي يتم إنتاجها في التفاعلات الكيميائية. تُستخدم أجهزة قياس الطيف الكتلي أيضًا أثناء الجراحة، حيث تعطي طبيب التخدير معلومات عن الغازات، بما في ذلك المخدر، الموجودة في رئتي المريض.

تأثير القاعة

عندما يتم تثبيت موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي، فإن المجال يؤثر بقوة جانبية على الشحنات المتحركة في الموصل. على سبيل المثال، إذا تحركت الإلكترونات إلى اليمين في الموصل المستطيل، فإن المجال المغناطيسي الداخلي سيؤثر بقوة لأسفل على الإلكترونات ذات الحجم $F= e v B$ أين $v$ هي سرعة الانجراف للإلكترونات. وبالتالي فإن الإلكترونات سوف تميل إلى التحرك أقرب إلى جانب واحد من الجانب الآخر، مما يسبب فرق الجهد بين جانبي الموصل. ويتراكم فرق الجهد هذا حتى يؤثر المجال الكهربائي الذي ينتجه على الشحنات المتحركة بقوة مساوية ومعاكسة للقوة المغناطيسية.

هذا هو تأثير هول، الذي سمي على اسم إي إتش هول الذي اكتشفه في عام 1879. ويطلق على فرق الجهد الناتج اسم Hall emf. حجمها هو $V_{Hall}= E_H d = \dfrac{ F}{e} d = v B d$ ، أين $d$ هو عرض الموصل.

كما رأينا، فإن الشحنة التي تتحرك عبر المجال المغناطيسي يمكن أن تتعرض لقوة مغناطيسية. وبما أن التيار الكهربائي عبارة عن مجموعة من الشحنات المتحركة، فإن التيار في وجود مجال مغناطيسي يمكن أن يتعرض أيضًا لقوة مغناطيسية. على سبيل المثال، يتم وضع سلك يحمل تيارًا بين قطبي المغناطيس. عندما يكون اتجاه التيار $I$ عموديًا على المجال المغناطيسي، تتعرض الشحنات المتحركة لقوة مغناطيسية تدفع السلك إلى اليمين. يتم تحديد اتجاه القوة بالطريقة المعتادة باستخدام RHR-1، مع تعديل بسيط وهو استبدال اتجاه سرعة الشحنة الموجبة باتجاه التيار التقليدي $I$. إذا تم عكس التيار عن طريق تحويل الأسلاك إلى البطارية، فسيتم عكس اتجاه القوة، وسيتم دفع السلك إلى اليسار.

عزم الدوران (العزم) في حلقة تحمل تيارًا في مجال مغناطيسي: المحركات والعدادات

لقد رأينا أن السلك الذي يحمل تيارًا يمكن أن يتعرض لقوة عند وضعه في مجال مغناطيسي. إذا تم تعليق حلقة من السلك بشكل صحيح في مجال مغناطيسي، فإن القوة المغناطيسية تنتج عزم دوران يميل إلى تدوير الحلقة. عزم الدوران (العزم) هذا هو المسؤول عن تشغيل نوع واسع الاستخدام من المحركات الكهربائية.

لقد رأينا أن السلك الذي يحمل تيارًا يمكن أن يتعرض لقوة مغناطيسية عند وضعه في مجال مغناطيسي ينتج عن مصدر خارجي، مثل المغناطيس الدائم. كما أن السلك الحامل للتيار يُنتج مجالًا مغناطيسيًا خاصًا به، كما سنرى في هذا القسم. اكتشف هانز كريستيان أورستد (1777-1851) هذا التأثير لأول مرة في عام 1820 عندما لاحظ أن السلك الحامل للتيار يؤثر على اتجاه إبرة البوصلة القريبة. تصطف إبرة البوصلة مع المجال المغناطيسي الصافي الناتج عن التيار والمجال المغناطيسي للأرض. كان اكتشاف أورستد، الذي ربط حركة الشحنات الكهربائية مع إنشاء مجال مغناطيسي، بمثابة بداية لعلم مهم يسمى الكهرومغناطيسية.

قانون أمبير

لقد رأينا أن التيار الكهربائي يخلق مجالًا مغناطيسيًا. ومع ذلك، فإن حجم واتجاه المجال عند أي نقطة في الفضاء يعتمد على الهندسة المحددة للسلك الذي يحمل التيار. على سبيل المثال، تحيط المجالات المغناطيسية المختلفة بشكل واضح بسلك طويل مستقيم، وحلقة دائرية من السلك، وملف لولبي. على الرغم من اختلاف هذه المجالات، إلا أنه يمكن الحصول على كل من هذه المجالات من قانون عام يعرف بقانون أمبير، وهو صالح لسلك من أي شكل هندسي. يحدد قانون أمبير العلاقة بين التيار الكهربائي والمجال المغناطيسي الذي يخلقه.