القوة المغناطيسية

القوة المغناطيسية

إن القوة المغناطيسية تنتج عند حدوث تفاعل بين جسمين، وبشكل عام تنتج قوتان (سحب أو دفع) للجسم، وتختفي القوة التي توجد بين الجسمين عند انتهاء هذا التفاعل، ونقيس هذه القوة بوحدة تسمى وحدة نيوتن مهما كان نوعها. إن القوة المغنطيسية تعرف على أنها قوة يؤثر فيها جميع المواد الممغنطة. ويمكن أن نجد هذه القوة بين مواد أخرى غير ممغنطة، كمثل وجودها بين مادة ممغنطة وجسم متحرك مشحون بشحنة كهربائية، أو الأجسام المتحركة التي تكون مشحونة بشحنة كهربائية، حيث أن السبب الرئيسي للمجال المغناطيسي يكمن في حركة الشحنات.

ومن أوضح الأمثلة التي نجدها حولنا في كل مكان وتعتمد على القوة المغناطيسية بشكل كلي هي البوصلة، حيث يظن معظم المؤرخين أن الصين كانت دائمًا تستخدمها في فترة القرن الثالث عشر قبل الميلاد، وأن المخترع الذي قام باختراع هو من أصل عربي أو هندي، وكانت معروفة جيدًا لدى الإغريقيين منذ القدم أن هي قطعة من “حجر المغناطيس” ولكنها تستطيع جذب الحديد، ولقد تم معرفة لاحقًا أن أي مغناطيس يتكون من قطعتين على الأقل، وأن القوة المغناطيسية والقوة الكهربائية متشابهتان، وأن للمغناطيس قطبين وهما (قطب شمالي وقطب جنوبي).

واتضح أيضًا أن الأقطاب المختلفة هي التي تتجاذب (موجب – سالب) بينما تتنافر الأقطاب المتشابهة (موجب – موجب) أو (سالب – سالب)، وإذا كان لدينا جسمين مختلفين يتحرك الشحنات فيهما بنفس الاتجاه فإذًا القوة المتبادلة بين هذين الجسمين تصبح قوة تجاذب، أما إذا كانت السحنات حركتها في الجسمين متعاكسة المسار فعندها تكون القوة قوة تنافر. ولكن تختلف الشحنات الكهربائية هنا، لأنه لا يوجد قطب مغناطيسي منفرد في الطبيعة؛ أي أنه مستحيل أن نجد في الطبيعة مغناطيسًا لديه قطب شمالي فقط أو مغناطيسًا لديه قطب جنوبي فقط، هذا محال.

طريقة حساب القوة المغناطيسية

إن القوة المغناطيسية تعتمد على مبدأ هو: أن مقدار القوة المغناطيسية المتبادلة بين الجسمين المشحونين يعتمد اعتماد كلي على مقدار الشحنة التي توجد بداخل الجسم، بالإضافة إلى مقدار الحركة التي تستهلكها، والمسافة التي توجد بين الجسمين، في معظم المسائل (باستثناء المراحل المتقدمة من دراسة القوة المغناطيسية) يطلب منك أن تجد القوة المغناطيسية لجسم مشحون بشحنة يكون مقدارها ثابت، وحركتها تكون ثابتة أيضًا، وتكون موضوعة في مجال مغناطيسي منتظم، أي المجال المغناطيسي للجسم الآخر، وحتى لو كان مقدار المجال المغناطيسي لدينا مجهول، فهو لا زال ممكن استخدام هذه الطريقة؛ حيث أننا نستطيع حساب المجال المغناطيسي من خلال الاعتماد على المسافة والتيار.

ويمكننا إيجاد القوة المغناطيسية عن طريق هذه العلاقة:

ق = شxعxغxجا

حيث أن “ق” تكون رمز للقوة المغناطيسية، (ش) هي مقدار للشحنة، “ع” هي سرعة حركة الشحنات، (غ) هي مقدار المجال المغناطيسي الذي يتحرك فيه الجسم، و”” هي الزاوية الواقعة بين اتجاه حركة الشحنات واتجاه المجال المغناطيسي، وعند استخدامك للنظام العالمي للوحدات فستكون وحدة القوة هي نيوتن، ووحدة السرعة هي م/ث، ووحدة المجال المغناطيسي هي تسلا.

اتجاه القوة المغناطيسية

نعرف جيدًا أن القوة هي الكمية المتجهة، لذا حساب مقدار القوة المغناطيسية لا يكفي وحدها لأجل وصف هذه القوة دقيقًا، لذا يجب علينا معرفة اتجاه القوة، ويمكننا معرفة اتجاه القوة المغناطيسية عن طريق استخدام (قاعدة اليد اليمنى)؛ وهي أن إبهام اليد اليمنى يشير إلى اتجاه بقية الأصابع مع اتجاه المجال المغناطيسي، وبذلك تكون اتجاه القوة مع اتجاه سهم افتراضي يكون خارجًا من راحة اليد وعاموديًا عليها، وهذه القاعدة لا تنطبق إلا على الأجسام المشحونة بشحنات موجبة فقط لا غير، حيث أن اتجاه القوة عند الأجسام المسحونة بشحنات سالبة تكون معاكسة للاتجاه الذي نحصل عليه عند استخدام قاعدة اليد اليمنى (أي يمكن أن نبدل اليد اليمنى باليد اليسرى عند قياس الشحنات السالبة).

القوة المغناطيسية المؤثرة على السلك

قد نحتاج في بعض المسائل لإيجاد القوة المغناطيسية التي تؤثر على السلك الذي يسري فيه تيار كهربائي واقع في مجال مغناطيسي (وكما نحن نعلم المجال المغناطيسي يكون منتظم)، وفي هذه المسائل يتم إيجاد القوة المغناطيسية بطريقة التلاعب بناتج الضرب لدى الشحنة وسرعة الشحنات، حيث أن السرعة ناتجة من قسمة المسافة (ف) على الزمن (ز)، بهذا يمكن كتابة المعادلة التالية هكذا:

ع (الشحنة) = ف/ز

لكن جميعًا نعرف أن التيار الكهربائي هو كمية الشحنات التي تعبر من مقطع السلك في وحدة الزمن لذا:

ق = غxتxفxجا

حيث تكون “ت” هي مقدار التيار الكهربائي المار في السلك، و”ف” هي طول السلك، أما “” هذه المرة مختلفة فهي تكون الزاوية الواقعة بين اتجاه المجال المغناطيسي واتجاه حركة التيار.

نأتي لنسبة اتجاه القوة المغناطيسية، فيمكننا استخدام قاعدة اليد اليمنى هنا، ولكن الاختلاف الوحيد هو في أن الإبهام هذه المرة سوف يشير ناحية حركة التيار.

المجال المغناطيسي

إن مفهوم القوة ومفهوم المجال يرتبطوا ببعض بشكل قوي، فعلى سبيل المثال يمكننا أن نقول إذا لدينا شحنتين فسوف نجد قوة بينهما دون الحاجة لتلامسهما، ويكون التفاعل بين هذين الشحنتين ناتج بسبب وجود المجال الكهربائي، وهذا الأمر ينطبق أيضًا على الأجسام المغناطيسية، لذا فلا داعي لتلامس كلَا من المغناطيس وقطع الحديد (أو المغناطيس الآخر) حتى يكون متأثرًا بالقوة المغناطيسية، فالمجال المغناطيسي موجود بالفعل، وبوجوده يكون وجود القوة المغناطيسية.

ويعتبر المجال المغناطيسي أنه أداة نستخدمها في مادة الفيزياء من أجل وصف القوة المغناطيسية التي توجد حول المغناطيس، عندما نريد أن نحسب القوة ولم يتوفر لدينا معلومات كافية حول المجال المغناطيسي فبإمكاننا إيجاده (مثل ما ذكرنا سابقًا عن طريق التيار والمسافة) لسلك يتواجد به تيار كهربائي مقداره ت على مسافة مقدارها “ف” من هذا السلك عن طريق العلاقة التالية:

غ =  xت / ف

حيث إن “” هي تكون ثابتة وتعرف بنفاذية الفراغ لهذا المجال (المجال المغناطيسي)، وهو يساوي 4 تسلا*م/ أمبير.

اكتشاف المغناطيس

الفضل في اكتشاف المغناطيس يعود إلى راعي كبير السن يسمى بماغنس، كان يرعى بغتمة في شمال اليونان قبل حوالي 4000 سنة وكان يعرف باسم أكسيد المغنيسيوم، وتفاجئ ببعض المسامير علقت في حذائه والصخور السوداء الذي يقف عليها، ففكر وأخذ القرار في أنه يجب أن يكتشف ما بداخل هذه الصخور، فحفر الأرض وبحث ليصل إلى مصدر الجذب، فوجد أكسيد الحديد الأسود وهي مادة المغناطيس الطبيعي Fe3O4K  وسميت هذه الصخور فيما بعد باسم المغنتيت، وفيما بعد وجدت بعض الكتابات لكريتيوس وبليني الأكبر تعود إلى القرن الأول مكتوب بها أنه يوجد حجر كامل تم يجذب الحديد إليه بالقرب من نهر السند، وأشار أنه يوجد به قوى سحرية، وله قدرة فائقة على شفاء المرضى، والتخلص من الأرواح الشريرة، وجلب السفن المصنوعة من الحديد، وظن البعض أنه السبب الرئيسي في ضياع السفن عندما ترسو على البحر، وقد أشار أرخميدس بأنه يمكن لهذا الحجر أن ينزع المسامير المثبتة في سفن العدو، وهذا يساعد على هلاك سفن العدو، ولقد تم استخدام اسم بديل لأكسيد الحديد الأسود كحجر المغناطيس أو حجر الرائدة.