نشأ علم المغناطسية من ملاحظة أن بعض الأحجار وتسمى Magnetite Fe3O4 تجذب إليها جسيمات الحديد. وكلمة مغناطيسية Magnetism هي مشتقة من منطقة ماغنيسيا Magnesia في اسيا الصغرى حيث توجد هذه الاحجار. وكما هو معروف أن الكرة الأرضية نفسها هي مغناطيس دائم.
في عام 1820 لاحظ العالم اورستد Orested أنه إذا مر تيار في سلك فإنه ينشأ تأثير مغناطيسي متمثلاً في انحراف ابرة مغناطيسية موضوعة بجوار السلك، وكما سندرس لاحقاً أن المجال المغناطيسي ينشأ عن الشحنات في حالة حركة (تيار كهربي) وقد ربط اكشاف اورستد علاقة بين علم الكهربية وعلم المغناطيسية.
تعرف المنطقة المحيطة بمغناطيس دائم أو موصل يمر به تيار بمنطقة مجال مغناطيسي Magnetic field والمقصود بكلمة مجال field هو تأثير فيزيائي يأخذ قيم مختلفة في الفراغ. والمتجه الأساسي في التأثيرات المغناطيسية يسمى متجه الحث المغناطيسي Magnetic induction vector ويرمز له بالرمز B.
يمكن تمثل المجال المغناطيسي بخطوط القوى المغناطيسية بحيث يكون كثافة الخطوط لكل وحدة مساحات من عنصر مساحة عمودي على اتجاه خطوط القوى هو مقدار المجال المغناطيسي. ويكون اتجاه المماس لخط القوى عند أي نقطة عليه يعطي اتجاه المجال المغناطيسي B عند تلك النقطة.
لتعريف المجال المغناطيسي سوف نستخدم التعريف الاجرائي Operational Definition والتي تعتمد على الطريقة العملية لقياس المجال المغناطيسي.
النتائج العملية
إذا وضعت شحنة اختبار ساكنة عند نقطة في منطقة مجال مغناطيسي وجد عملياً أن القوة الغناطيسية عليها تساوي صفر.
إذا اطلقت شحنة الاختبار qo بسرعة v خلال النقطة المراد قياس المجال المغناطيسي عندها فإنها تتأثر بقوة عمودية على اتجاه السرعة.
وجد عملياً أن القوة المغناطيسية تتناسب مع مقدار الشحنة qo واذا كانت الشحنة سالبة فإن القوة تكون في عكس اتجاه القوة على الشحنة الموجبة.
تكون القوة المغناطيسية عمودية على اتجاه السرعة ويعتمد مقدرا القوة المغناطيسية اتجاه سرعة الشحنة B تتناسب طردياً مع vsinq حيث q الزاوية بين السرعة
وجد عملياً أن اتجاه القوة يكون دائماً عمودياً على اتجاه المجال المغناطيسي B.
وجد أن القوة المغناطيسية تصبح نهاية عظمى عندما تكون السرعة عمودية على المجال المغناطيسي.
F ^ v
F ^ B
F a qo v sinq
F = qo v B sinq
يعرف مقدار متجه المجال المغناطيسي B كما يلي
B = F / qo v sinq
F = qo v ´ B
ويكون اتجاه المجال المغناطيسي في اتجاه دوران بريمة تدور من v إلى B كما في الشكل التالي:
كما أن القوة المغناطيسية على الشحنة السالبة يكون في عكس القوة المغناطيسية على الشحنة السالبة.
وحدة المجال المغناطيسي B هي Tesla ويرمز لها بالرمز T
ووحدة Tesla هي وحدة كبيرة ويمكن استخدام وحدة الجاوس في نظام جاوس للوحدات حيث أن
Tesla = 104 Gauss
اشتقاق الوحدة
المغناطيسية والتيار المتردد
تأثير المجال المغناطيسي على موصل يمر به تيار
لاحظنا السابقا أن القوة المغناطيسية تؤثر على الشحنة المتحركة بسرعة v في مجال مغناطيسي B.
وحيث أن التيار الكهربي المار في سلك موصل هو حركة للشحنات في السلك، لذا سنقوم بدراسة تأثير المجال المغناطيسي على سلك يمر به تيار كهربي شدته i.
افترض سلك من مادة موصلة طولها L ومساحة مقطعها A يمر بها تيار كهربي i، والسلك موجود في منطقة مجال مغناطيسي B كما في الشكل المرفق.
تتحرك الشحنات داخل مادة الموصل بسرعة تسمى سرعة الانجراف Drift velocity Vd
ويكون تأثير المجال المغناطيسي على الشحنة المتحركة هو
F = qo Vd X B
ولإيجاد القوة المغناطيسية التي تؤثر على السلك يجب أن نوجد عدد الشحنات المارة في السلك وسنفترض أن عدد تلك الشحنات هو nALحيث أن n هو عدد الشحنات لكل وحدة حجوم وعليه تكون القوة المغناطيسية الكلية تعطى بالمعادلة التالية:
F = qo Vd X B (nAL)
vd = i/nqA
بالتعويض عن سرعة الانجراف نحصل على المعادلة التالية:
F = i L X B
وهذه المعادلة تمثل القوة المغناطيسية الكلية المؤثرة على سلك يمر به تيار في مجال مغناطيسي و Lهو متجه في اتجاه التيار
خطوط المجال المغناطيسي لحلقة يمر بها تيار
في حالة سلك غير منتظم فإننا نقسم السلك إلى عناصر صغيرة طول كل منها ds كما في الشكل وتكون القوة المغناطيسية المؤثرة على العنصر ds هو:
dF = i ds X B
حالة خاصة (1)
في حالة سلك منحني كما في الشكل ويمر به تيار في مجال مغناطيسي منتظم فإن القوة المغناطيسية في هذه الحالة هي:
F = i L X B
حيثL هي الازاحة بين نقطة البداية والنهاية للسلك.
حالة خاصة (2)
في حالة وجود حلقة متصلة من سلك يمر به تيار كهربي موضوع في مجال مغناطيسي منتظم فإن القوة المغناطيسية الكلية المؤثرة على الحلقة يساوي صفراً.
F = 0
وذلك لأن المجموع الاتجاهي للازاحات الصغيرة ds يساوي صفراً حيث ستكون نقطة البداية هي نقطة النهاية
تأثير المجال المغناطيسي على حلقة يمر بها تيار
في السابق وجدنا أن قوة مغناطيسية تؤثر على سلك (1) يمر به تيار (2) وموضوع في مجال مغناطيسي خارجي.
في وضعية مشابهة نجد أن القوة المغناطيسية تؤثر بقوة عزم ازدواج على حلقة يمر بها تيار موضوعة في مجال مغناطيسي خارجي. كيف؟؟
حالة خاصة المجال المغناطيسي يوازي مستوى الحلقة
لنفرض حلقة من سلك موصل يمر به تيار i وموضوع في مجال مغناطيسي B موازي لمستوى الحلقة كما في الشكل
يؤثر المجال المغناطيسي على طول الضلعين b بقوة مغناطيسية متساوية في المقدار F1 = F2 = IbB ومتعاكسة في الاتجاه ولكن خط عملهما مختلف مما ينتج عن ذلك ازدواج Torque.
يعطى بالعلاقة التالية:
T = iAB
بينما تكون القوة المغناطيسية على طول الضلعين a تساوي صفر وذلك لأن الزاوية المحصورة بين المجال المغناطيسي والتيار تساوي صفراً للضلع السفلي و 180 درجة للضلع العلوي من الحلقة.
حالة عامة المجال المغناطيسي يعمل زاوية مع مستوى الحلقة
بنفس الطريقة السابقة سيكون تأثير المجال المغناطيسي على الحلقة هو ازدواج يتولد على طرفي الضلعين b ولحساب الازدواج نقوم بضرب القوة المؤثرة في المسافة العمودية على النحو التالي:
T= F1 (a/2) sin o + F2 (a/2) sin o
T = ibB (a/2) sin o + ibB(a/2) sin o
T = iAB sin o
والمعادلة السابقة تكتب في الصورة الاتجاهية كالتالي:
T = i AX B
حيث A هو متجه المساحة ومقداره مقدار المساحة ويكون اتجاهه عمودي على المساحة.
ويعرف حاصل ضرب متجه المساحة في التيار بعزم المجال المغناطيسي
Magnetic Moment u:
u= i A
The Si unit of the magnetic moment is (A.m^2)
يتم تحديد اتجاه عزم المجال المغناطيسي باستخدام قبضة اليد اليمنى كما في الشكل المقابل...ويكتب عزم الازدواج بالصورة التالية.
T = u X B
الحقل المغناطيسي الأرضي
لمعرفة طبيعة قطب مغناطيس, رأينا أنه يمكن أن نعلقه بخيط, فالجهة التي تتجه نحو القطب الشمالي تسمى قطب شمالي لهذا المغناطيس (ش) و الأخرى قطب جنوبي له (ج).
إن هذا يعني أن للأرض حقلا مغناطيسيا وبالتالي فلها قطبان مغناطيسيان (ش) و (ج) ، نسمي هذا الحقل: الحقل المغناطيسي الأرضي
لقد كان القطب الشمالي المغناطيسي يحط رحاله في جزيرة ( أمير غال ) سنة 1948م ، بينما الآن هو ينتقل نحو الشمالي بسرعة 10 كم في السنة ، و إنه استنادا لأخر قياس قامت به '' لجنة الجيولوجيا الكندية '' فإن القطب الشمالي الأرضي يوجد حاليا في جزيرة " نويس " جنوب غرب جزيرة " إلف ـ رانغ '' إلى 78.3 شمال و 104 غرب .
خصائص الحقل المغناطيسي الأرضي:
إذا أخذنا حيزا من الفضاء يخلو من التيارات الكهربائية, وقطع الحديد, ووضعنا فيه إبرة ممغنطة حرة الحركة حول محور مار من مركز عطا لتها فأنها تتجه وفق الحقل المغناطيسي الأرضي مائلة نحو سطح الأرض ميلا خفيفا .
ففي القطر الجزائري مثلا يتجه القطب الشمالي للإبرة (تقريبا) وفق الشمال الجغرافي غير أنه يميل (قليلا) نحو سطح الأرض.
إن كل نقطة على سطح الأرض يمكن تحديدها تماما بالمستوي الأفقي الذي يحتويها وبمستوي الزوال الجغرافي (وهو المستوي المعرف بشا قول المكان و باتجاه شمال-جنوب جغرافي )
من كل ما سبق نرى أنه لمعرفة خصائص الحقل المغناطيسي في أي نقطة على سطح الأرض ينبغي معرفة زاويتين مهمتين وهما: زاوية الميل و زاوية الانحراف
إمكان انقلاب الحقل المغناطيسي للأرض
سان فرانسيسكو(cnn)-- انخفضت قوة الحقل المغناطيسي للأرض خلال المائة وخمسين عاما الماضية بنحو العشر، مما أدّى بعدد من العلماء إلى دراسة إمكان أن ينقلب منطق المغناطيس بدرجة تقلب معها موقع القطبين المغناطيسيين للمرة الأولى منذ سبعة آلاف قرن.
وقال علماء إنّ الحقل المغناطيسي معرّض إلى تغييرات دورية ليست معروفة بدرجة كافية.
ويعتقد البعض منهم, وفقا لأسوشيتد برس، أنّ انخفاض القوة المغناطيسية للأرض الآن، يمكن أن تكون ممهدة لانقلاب في الحقل، غير أن الكثيرين يرون أن هذه الفرضية لن تحدث لأن الحقل المغناطيسي سيستعيد قوته شيئا فشيئا مثلما حدث في السابق.
ووفقا للوتيرة الحالية، فإنّه ليس مستبعدا أن يختفي الحقل المغناطيسي للأرض بالكامل في فترة تتراوح بين 15 و20 قرنا، وفق للباحث في جامعة هارفارد جيريمي بلوشام.
ووفقل لذلك أيضا، فإنه يتعين انتظار قرون عديدة قبل أن نشهد "استئنافا" في النشاط المغناطيسي شبيها بالذي حدث قبل 780000 سنة.
غير أن العلماء الذين اجتمعوا خلال الأسبوع في إحدى الجامعات الأمريكية لمناقشة الظاهرة قالوا في النهاية "إن انقلابات نادرة."
وقال الباحث في جامعة روشستر جون تاردونو إنّ انخفاض القوة المغناطيسية التي تمّ احتسابها للمرة الأولى منذ 1845، يمكن أن تكون مجرد مرحلة امتدت على مدى سنوات طويلة جدا.
ولهذه الظاهرة آثار خطيرة لاسيما في المناطق التي جرى فيها اكتشاف ضعف مغناطيسي بها أصلا.
وفي جنوب المحيط الأطلسي، تسببت الظاهرة في تقليص فعالية الطوق الذي يفرضه الحقل المغناطيسي على الأرض لحمايتها من الإشعاعات الطبيعية التي تضربها من الفضاء.
وبسبب ذلك، فإن جودة نشاط الأقمار الاصطناعية التي تمرّ فوق هذه المنطقة ليست كتلك التي تميزها في بقية المناطق.
أما بخصوص انقلاب الحقل المغناطيسي فلا يملك العلماء تفسيرا واضحا للظاهرة التي حدثت عدة مرات منذ نشأة كوكب الأرض، وبالتالي فإنهم لا يملكون سيناريوهات لما يمكن أن يحدث في حال تمّ ذلك.
الحقل المغناطيسي و طائر الحمام
تم التأكد مؤخرا أن طائر الحمام يعتمد في تنقلاته على الحقل المغناطيسي الأرضي و ليس على حاسة الشم كما كان يعتقد من قبل ، حيث وجد أنه يوجد بمنقار هذه الطيور في الجزء العلوي جزيئات مغناطيسية هي المسؤولة بالاعتماد على الحقل المغناطيسي الأرضي على توجيه الطائر إلى الأماكن المرغوبة .
الوان الشفق القطبي
إن اللون الأصفر المخضر الأكثر شيوعا بين ألوان الشفق القطبي ناتج عن ذرات الأكسيجين الموجودة على ارتفاع 100 كم ، أما تلك التي تبعد بـ 300 كم عن سطح الأرض فيصدر عنها ضـوءا أحـمرا قاتما ، مما قد يحدث خلطا عند بعض الناس و هذا ما حدث عندما شاهده بعض الناس فظنه حريقا ، فاستدعوا رجال الحماية المدنية لإطفاء هذا الحريق ( الشفق القطبي ) ، لكنه نادرالحدوث .
أما ذرات الأزوت فتصدر ضوءا أحمرا مصفرا عند اصطدامها بالإلكترونات ، هذا في الطبقات السفلى من الجو ، أما أزوت أعالي الغلاف الجوي فيصدر ضوءا أزرقا و بنفسجيا .
مع أنه ينشأ على ارتفاع يتراوح بين 100 كم و 2000 كم إلى أننا نجده بكثرة بين 100 كم و 150 كم .
bon cha,nce
( تقرير عن مشاركة سيئة )، و الموجودة أسفل كل مشاركة .
2015-11-09, 07:16
مسسسسسسسسسسسساعدة رجاءا اخوتي الكرام
العرض العادي
