خطوط المجال المغناطيسي
يستخدم المغناطيس الدائم بأشكاله المختلفة في كثير من الأجهزة والأدوات. وقد درست في صفوف سابقة أن للمغناطيس قطبين شماليا وجنوبيا، وأن الأقطاب المختلفة تتجاذب والأقطاب المتشابهة تتنافر، وأن المواد التي يجذبها المغناطيس مثل الحديد والنيكل والكويلت وبعض السبائك كالفولاذ تُسمى مواد مغناطيسية. كما تعرفت إلى المجال المغناطيسي ودرست خصائصه باستخدام البوصلة أو برادة الحديد والمجال المغناطيسي هو منطقة تحيط بالمغناطيس وتظهر فيها آثار القوى المغناطيسية؛ إذ يزودنا المجال المغناطيسي الذي يحيط بمغناطيس بوصف كامل المقدار القوة المغناطيسية واتجاهها عند كل نقطة في هذا المجال. ويُمكن تمثيل المجال المغناطيسي برسم خطوط تعبر عن هذا المجال، ويتم ذلك بطرق عملية تستخدم فيها برادة الحديد أو عدد من البوصلات الصغيرة.
الفيض المغناطيسي
حيث إن المجال المغناطيسي الذي يحيط بالمغناطيس له مقدار واتجاه، فهو يُعد من الكميات الفيزيائية المتجهة، ويستدل على اتجاه المجال المغناطيسي عن طريق رسم خطوط المجال ومعرفة اتجاه هذه الخطوط. أما شدة المجال المغناطيسي فيمثلها عدد الخطوط المرسومة ضمن مساحة محددة، وهذا ما يُوصف بالفيض المغناطيسي، وهو مقدار المجال المغناطيسي الذي يعبر مساحة محددة باتجاه عمودي على هذه المساحة، ويُرمز له بالرمز ، الذي يبين عددًا من خطوط المجال المغناطيسي التي تخترق مساحتين متساويتين بشكل عمودي على كل منهما. قارن بين الفيض المغناطيسي عبر المساحتين ستجد أن العدد الكلي لخطوط المجال التي تعبر المساحة في الشكل (a) أكثر من العدد الكلي لخطوط المجال التي تعبر المساحة نفسها في الشكل (b)، نستنتج من ذلك أن الفيض المغناطيسي في الشكل (1) أكبر منه في الشكل (b) أي أن وللفيض المغناطيسي كثافة يُمثلها عدد خطوط المجال التي تنفذ خلال وحدة المساحة بشكل عمودي عليها، وتعطى كثافة الفيض المغناطيسي، بالعلاقة الرياضية الآتية:
حيث يمثل الرمز 8 كثافة الفيض المغناطيسي التي تعرف بشدة المجال المغناطيسي، وهي عدد خطوط المجال المغناطيسي التي تنفذ عموديا خلال وحدة المساحة. ونستنتج في الشكل السابق أن شدة المجال المغناطيسي B B2 لأن الفيض المغناطيسي كان أكثر كثافة في الشكل (a). وبصورة عامة فإن الزيادة في شدة المجال المغناطيسي الذي يُحيط بمغناطيس تعني زيادة في قوة هذا المغناطيس.
يُمكن قياس شدة المجال المغناطيسي أو الفيض المغناطيسي باستخدام جهاز يسمى مجناتوميتر Magnetometer وحيث إن وحدة قياس الفيض المغناطيسي هي ويبر (Weber (Wb : لذلك تكون وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي (كثافة الفيض) هي ناتج قسمة وحدة الفيض على وحدة المساحة، وقد أطلق على هذه الوحدة تسلا (1) Tesla تكريما لجهود العالم نيكولا تسلا والعلاقة الرياضية.
ومن أجل معرفة وحدة شدة المجال المغناطيسي بشكل عملي، تذكر مثالين على ذلك، المثال الأول، المجال المغناطيسي الأرضي؛ إذ تكون شدته بالقرب من سطح الأرض 105 × 5 تقريبا. والمثال الثاني جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي الذي تكون شدة مجاله المغناطيسي بحدود 37 : وهذا المقدار يكفي لقذف كرسي من الحديد موضوع بالقرب من الجهاز بسرعة كبيرة إلى داخل الجهاز : حيث لا يمكن إخراجه من الجهاز بقوة اليد
المجال المغناطيسي المنتظم
يوصف المجال المغناطيسي بشكل دقيق باستخدام خطوط المجال المغناطيسي حيث يمثل عدد الخطوط شدة المجال المغناطيسي، واتجاه الخط عند أي نقطة في المجال يمثل اتجاه المجال عند هذه النقطة. وقد لاحظت في الشكل السابق (6-1) أن جميع الخطوط منحنية مما يشير إلى أن اتجاه المجال غير ثابت، لكن تقتضي كثير من التطبيقات العملية التي يستخدم فيها المجال المغناطيسي، مثل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي، أو غيره من الأجهزة أن يكون المجال المغناطيسي منتظما، والمجال المغناطيسي المنتظم هو المجال ثابت المقدار والاتجاه عند جميع النقاط داخله، فكيف نحصل على مجال مغناطيسي منتظم ؟
عند وضع قطبين مغناطيسيين مختلفين مقابل بعضهما بحيث تفصلهما مسافة مناسبة، ورسم خطوط المجال المغناطيسي لهما، فإنه يكون كما في الشكل (1-32). لاحظ أن خطوط المجال المغناطيسي في المنطقة بين القطبين تكون متوازية، وتفصلها عن بعضها مسافات متساوية، ونستنتج من ذلك أن المجال المغناطيسي بين القطبين المختلفين يكون منتظما : أي ثابت المقدار والاتجاه، لكنه لا يكون منتظما عند أطرافه؛ لأن خطوط المجال منحنية والمسافات بينها غير متساوية.
وسوف تدرس لاحقا كيفية الحصول على مجال مغناطيسي منتظم قوي من التيار الكهربائي يتصف المجال المغناطيسي المنتظم بأنه يؤثر في المواد المغناطيسية الموضوعة فيه بقوة ثابتة المقدار والاتجاه عند جميعا لنقاط داخله.
عندما تكون خطوط المجال المغناطيسي عمودية على مستوى ورقة هذا الكتاب، فإنه سيتم تمثيلها بالرسم على شكل عندما تكون باتجاه الداخل: أي بعيدا عن الناظر وعلى الشكل عندما تكون باتجاه الخارج.
المجال المغناطيسي للتيار الكهربائي
منذ عرفت الكهرباء توقع العلماء وجود علاقة تربطها مع المغناطيسية، إلا أنه لم يتم طرح أي نظرية حول مثل هذه العلاقة يعتمد عليها العلماء في تجاربهم حتى سنة 1820 عندما توصل العالم الدنماركي كريستيان أورستد عن طريق الصدفة إلى وجود علاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. بينما كان يُقدم محاضرته للطلاب وهو يضع بعض الأدوات على الطاولة لاحظ انحراف إبرة البوصلة الموضوعة بالقرب من سلك نحاسي عند سریان تيار كهربائي في السلك يُبين الشكل (1-34) تجربة أورستد التي اكتشف عن طريقها العلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الكهربائي تأكد علماء آخرون من تلك العلاقة بطرق تجريبية، فأصبح معروفا أنه عندما يسري تيار كهربائي في موصل فإن مجالا مغناطيسيا ينشأ بالقرب من هذا الموصل، وسوف ندرس في هذا الكتاب ثلاث حالات مختلفة الموصل يحمل تيارًا كهربائيًا ويُولد حوله مجالا مغناطيسيا، هي: المجال المغناطيسي الناشئ عن كل من سلك مستقيم يسري فيه تيار كهربائي ملف دائري يسري فيه تيار كهربائي ملف حلزوني يسري فيه تيار كهربائي.
- أولاً: المجال المغناطيسي الناشئ عن سلك مستقيم يحمل تيارا كهربائيا