ماهية الحقل المغناطيسي واستخداماته

تفسير مفهوم الحقل المغناطيسي

الحقل المغناطيسي هو تأثير فيزيائي يظهر في محيط المغناطيس أو التيار الكهربائي أو التغيرات في الحقول الكهربائية. يمكننا ملاحظة تأثير هذه الحقول، مثل حقل الأرض، بوضع إبرة البوصلة في نطاقه، مما يؤدي إلى انحرافها. كما يتسبب الحقل المغناطيسي في حركة الجسيمات المشحونة كهربائياً في مسارات دائرية أو حلزونية. القوة الناتجة عن التيارات الكهربائية في الأسلاك الموجودة ضمن حقل مغناطيسي هي الأساس الذي تقوم عليه عمل المحركات الكهربائية.

كيفية تكون الحقل المغناطيسي

ينشأ الحقل المغناطيسي نتيجة لحركة الجسيمات المشحونة في المادة، ويزول بزوال هذه الحركة. تمتلك الإلكترونات خاصية تسمى الزخم الزاوي، أي دورانها حول محاورها. توجد الإلكترونات في مدارات الذرة في صورة أزواج، بحيث يدور كل إلكترون في اتجاه معاكس للآخر، ما يؤدي إلى نشوء حقلين مغناطيسيين متعاكسين يلغي أحدهما الآخر. لكن في بعض الذرات، توجد إلكترونات منفردة تدور في نفس الاتجاه، مما ينتج حقلًا مغناطيسيًا لا يُلغى.

يمكن توليد حقل مغناطيسي عن طريق تمرير تيار كهربائي في سلك. وفي الأرض، يتكون الحقل المغناطيسي نتيجة حركة المعادن المنصهرة في اللب الخارجي، حيث تولد هذه الحركة تيارات كهربائية تؤدي إلى تكوين الحقل المغناطيسي الأرضي الذي يوجه عمل البوصلة.

تقدير قوة الحقل المغناطيسي

تعبر قوة الحقل المغناطيسي عن نسبة القوة المغناطيسية المطلوبة لإنتاج كثافة معينة من خطوط الحقل في وحدة الطول من المادة. الحقل المغناطيسي كمية متجهة، أي يتم قياسها بمعرفة مقدار قوتها واتجاهها.

لتحديد اتجاه الحقل المغناطيسي، يمكن استخدام قاعدة اليد اليمنى: اقبض بيدك اليمنى بحيث يشير الإبهام إلى اتجاه التيار، وتمثل الأصابع المقبوضة اتجاه الحقل المغناطيسي.

لحساب مقدار قوة الحقل المغناطيسي، يتم استخدام قانون بيوت سافارت:

قوة الحقل المغناطيسي = (النفاذية × شدة التيار الكهربائي) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)

ويرمز لها بالرموز كالتالي:
B = (μo × I) / (2πr)

حيث أن:

• B: قوة الحقل المغناطيسي وتقاس بوحدة التسلا (T).
• I: شدة التيار الكهربائي المار في السلك وتقاس بوحدة الأمبير.
• μo: ثابت النفاذية المغناطيسية للوسط، وتقاس بوحدة تسلا في متر لكل أمبير (T.m/A)، وقيمتها في الفراغ تساوي 4π × 10^-7.
• r: المسافة العمودية بين النقطة المراد حساب قوة المجال عندها والسلك، وتقاس بوحدة المتر.

مثال توضيحي لحساب قوة الحقل

احسب قوة الحقل المغناطيسي لسلك مستقيم طويل له حلقة دائرية نصف قطرها 0.05 متر، علمًا بأن شدة التيار المتدفق خلاله هي 2 أمبير.

الحل:

قوة الحقل المغناطيسي = (النفاذية × شدة التيار الكهربائي) / (بعد النقطة عن السلك × 2π)

قوة الحقل المغناطيسي = (4π × 10^-7 × 2) / (2π × 0.05)

قوة الحقل المغناطيسي = 8 × 10^-6 تسلا

استعمالات الحقل المغناطيسي المتنوعة

يستخدم الحقل المغناطيسي في العديد من التطبيقات العملية، ومنها:

• المحركات: يعتمد عمل المحركات على تغيير التيار الكهربائي الذي يغذي المحرك، مما يؤدي إلى تغير الحقول المغناطيسية، وبالتالي دفع قلب المحرك وتحريك عمود الدوران. تشمل الأمثلة الأبواب الأوتوماتيكية، محركات السيارات، المصاعد، ومولدات الطاقة الكهرومائية.
• التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): يعد التصوير بالرنين المغناطيسي أحد أهم التطبيقات الطبية للحقل المغناطيسي. يتضمن وضع المريض في أنبوب كبير، حيث يتم تنشيط حقل مغناطيسي قوي يؤدي إلى دوران الذرات داخل جسم المريض بترددات دقيقة. يستقبل الجهاز هذه الترددات الراديوية ويقوم الكمبيوتر بمعالجتها لإنتاج صورة ثلاثية الأبعاد.
• الأقراص الصلبة في أجهزة الحاسوب: يتم استخدام الحقل المغناطيسي في عمل الأقراص الصلبة لتخزين البيانات. يحتوي القرص الصلب على إلكترونيات تجمع الحقول المغناطيسية لقراءة البيانات وتحويل البايتات إلى حقول مغناطيسية لكتابتها.
• استخدامات أخرى: يستخدم الحقل المغناطيسي في البوصلات، أجهزة الإنذار، الميكروفونات، مكبرات الصوت، أبواق السيارات، الأجراس الكهربائية، محركات الأقراص، وأجهزة قياس المغناطيسية.

الحقل المغناطيسي للأرض

الحقل المغناطيسي الأرضي هو قوة تنشأ بين قطبي الأرض الشمالي والجنوبي بعيدًا عن السطح. يتميز بأنه حقل ثنائي القطب يشبه المغناطيس، وله قطب شمالي وقطب جنوبي يقعان في أقطاب الكرة الأرضية. وهو حقل ثلاثي الأبعاد يحيط بالأرض بأكملها.

تكمن أهمية الحقل المغناطيسي الأرضي في كونه سببًا للعديد من القوى الأساسية والضرورية في الكرة الأرضية مثل ظاهرة الحمل الحراري والتيار الحلقي والنفثات الكهربائية الشفقية وغيرها.

قال تعالى في كتابه الكريم: وَالسَّمَاء وَالطَّارِقِ * وَمَا أَدْرَاكَ مَا الطَّارِقُ * النَّجْمُ الثَّاقِبُ سورة الطارق.

وروي عن النبي صلى الله عليه وسلم أنه قال: لا تزال طائفة من أمتي ظاهرين على الحق لا يضرهم من خذلهم حتى يأتي أمر الله وهم كذلك صحيح مسلم.