مفهوم القوة المغناطيسية وتطبيقاتها

مقدمة حول القوة المغناطيسية

القوة المغناطيسية هي قوة أساسية في الطبيعة، تظهر كتجاذب أو تنافر بين الجسيمات المشحونة. وهي المسؤولة عن تأثيرات عديدة، مثل عمل المحركات الكهربائية وجذب المغناطيس للمعادن كالحديد.

الشحنات الكهربائية الثابتة تتفاعل فيما بينها بقوى كهربائية، بينما الشحنات المتحركة تخضع لتأثير القوى الكهربائية والمغناطيسية معًا. يمكن اعتبار القوة المغناطيسية بين شحنتين متحركتين كتأثير متبادل ناتج عن المجال المغناطيسي الذي تولده كل شحنة على الأخرى.

تعتبر القوة المغناطيسية جزءًا من القوة الكهرومغناطيسية، وتنشأ عن حركة الشحنات. إذا كانت الشحنات تتحرك في نفس الاتجاه، تتولد بينها قوة جذب مغناطيسية، أما إذا كانت تتحرك في اتجاهين متعاكسين، فتنشأ قوة تنافر.

صيغة القوة المغناطيسية

تعرف صيغة القوة المغناطيسية بقانون قوة لورنتز، الذي يربط بين القوة المؤثرة على شحنة كهربائية أو تيار كهربائي والمجال المغناطيسي. يمكن التعبير عن هذا القانون كحاصل ضرب اتجاهي كما يلي:

حيث:

• q: مقدار الشحنة الكهربائية.
• v: سرعة حركة الشحنة.
• B: المجال المغناطيسي.

ويمكن تبسيط النتيجة باستخدام القانون التالي:

الزاوية (θ) هي الزاوية بين متجه السرعة (v) ومتجه المجال المغناطيسي (B). القوة تكون في أقصى قيمة لها عندما يكون (v) عموديًا على (B)، وتكون صفرًا عندما يكونان متوازيين.

بالنسبة للقوة الناتجة عن مجال مغناطيسي يؤثر على سلك يحمل تيارًا، نفترض أن السلك له طول موحد (l) ومساحة مقطع عرضي (A)، وكثافة عدد الإلكترونات المنتقلة عبر السلك هي (n).

عدد حاملات الشحن الكلي هو (nAI)، حيث (I) هو التيار الثابت في السلك، وسرعة الانجراف هي (vd). إذا وضع السلك في مجال مغناطيسي خارجي (B)، تحسب القوة المؤثرة على الشحنات المتحركة أو الإلكترونات بالقانون:

حيثُ تمثِّل (q) قيمة الشحنة على الناقل المحمول، و(nqvd) تُمثِّل أيضًا كثافة التيار (j)، بينما ( A × | nqvd | )يُمثِّل التيار المار من خلال الموصل، ومنها تكون المعادلة كما يأتي:

حيث يُمثّل (I) مُتجه المقدار والذي يساوي طول القضيب الموصل.

وحدة قياس القوة المغناطيسية

تقاس القوة، سواء كانت مغناطيسية أو كهربائية أو ميكانيكية، بوحدة النيوتن (N)، أو مضاعفاتها مثل الكيلو نيوتن أو الميكرو نيوتن، حسب السياق. أما المجال المغناطيسي، فيقاس بوحدة التسلا (T).

تحديد مسار القوة المغناطيسية

يستخدم لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية قاعدة اليد اليمنى، وتُستخدم هذه القاعدة لتحديد اتجاه القوة المؤثرة على الشحنة المتحركة، فإذا كانت الشحنة سالبة، فإنّ اتجاه القوة المؤثرة عليها سيكون في الاتجاه المعاكس.

وتُطبق قاعدة اليد اليمنى من خلال الإشارة بالإبهام نحو اتجاه حركة الشحنة (السرعة)، ثم الإشارة بالأصابع الأخرى نحو اتجاه المجال المغناطيسي، وبالتالي فإنّ الاتجاه العمودي الناشئ على كف اليد اليمنى يكون اتجاه القوة المغناطيسية، وإذا كانت الشحنة سالبة يُعكس اتجاه القوة المغناطيسية الذي حُدد من قاعدة اليد اليمنى.

تمييز القوة المغناطيسية عن الحقل المغناطيسي

القوة المغناطيسية هي قوة التأثير التي تمارسها شحنة كهربائية على شحنة أخرى عبر المجال المغناطيسي الذي تنشئه الشحنة الأخرى. تكون القوة جاذبة إذا تحركت الشحنتان في نفس الاتجاه، وتنافرية إذا تحركتا في اتجاهين متعاكسين.

المجال المغناطيسي هو المنطقة أو المساحة المحيطة بالمغناطيس، أو المكان الذي تمارس فيه القوة المغناطيسية على مغناطيس آخر.

استخدامات القوة المغناطيسية

تعتمد العديد من التطبيقات العملية في حياتنا اليومية على القوة المغناطيسية، ومن أهمها:

• البوصلة: تستخدم لتحديد الاتجاهات، حيث تحتوي على إبرة مغناطيسية تتحرك باتجاه الشمال بفعل القوة المغناطيسية للأرض.
• التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): تقنية طبية تستخدم المجالات المغناطيسية وموجات الراديو للحصول على صور تفصيلية لأعضاء الجسم.
• المحركات الكهربائية: تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانية، من خلال توليد مجال مغناطيسي نتيجة مرور تيار كهربائي.
• أجهزة الحاسوب: تستخدم محركات الأقراص الثابتة القوة المغناطيسية لتخزين البيانات على طبقة مغناطيسية تتكون من مغناطيسات صغيرة.
• الميكروويف: يستخدم جهاز المغنطرون لتوليد القوة المغناطيسية، و الطاقة الكهربائية للطهي، بحيث يتكوّن هذا الجهاز من أنبوب مفرغ يُوجد بالقرب منه مغناطيسي، ويوفر قوة مغناطيسية تُساعد الإلكترونات على الدوران في حلقة لتوليد الطاقة الكهربائية.

نماذج حسابية للقوة المغناطيسية

المثال (1): تحرّكت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني الموجب بسرعة 7×10^6 م/ث، إذا علمتَ أنّ اتجاه المجال المغناطيسي نحو الداخل، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة مقدارًا واتجاهًا.

الحل:

المعطيات:

• مقدار الشحنة = 3×10^-6 كولوم.
• مقدار المجال المغناطيسي = 0.01 تسلا.
• سرعة الشحنة = 7×10^6 م/ث.
• الزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال المغناطيسي (θ) = °90.

القانون:

التعويض:

الناتج:

F = 0.21 N

يُحدد اتجاه القوة المغناطيسية باستخدام قاعدة اليد اليمنى: يُشير الإبهام إلى اتجاه السرعة وهو السيني الموجب، وتُشير الأصابع الأخرى نحو الداخل باتجاه المجال المغناطيسي، وبالتالي يكون اتجاه القوة المغناطيسية نحو الأعلى أي باتجاه المحور الصادي الموجب.

المثال (2): تحرّكت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني السالب بسرعة 7×10^6 م/ث، إذا علمتَ أنّ اتجاه المجال المغناطيسي نحو المحور السيني الموجب، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة مقدارًا واتجاهًا.

الحل:

المعطيات:

• مقدار الشحنة = 3×10^6- كولوم.
• مقدار المجال المغناطيسي = 0.01 تسلا.
• سرعة الشحنة = 7×10^6 م/ث.
• الزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال المغناطيسي (θ) = °180.

القانون:

التعويض:

الناتج:

F = 0، أي لم تتولد قوة مغناطسية بسبب حركة الشحنة الموازية لاتجاه المجال المغناطيسي وفي اتجاه معاكس.

المصادر

1. Adam Augustyn(31-1-2020),”Magnetic force”،www.britannica.com, Retrieved 2021-5-24. Edited.
2. “What is magnetic force?”,khan academy, Retrieved 18/12/2021. Edited.
3. GAYLE TOWELL (28/12/2020),”Magnetic Force: Definition, Equation & Units (w/ Examples)”,sciencing, Retrieved 18/12/2021. Edited.
4. “Magnetic Force”,byjus, Retrieved 18/12/2021. Edited.
5. “What is magnetic force measured in?”,socratic, Retrieved 18/12/2021. Edited.
6. “Magnetic Force on a Moving Electric Charge”,lumen, Retrieved 17/12/2021. Edited.
7. “What is the difference between magnetic field and magnetic force?”,BYJU’S, Retrieved 17/12/2021. Edited.
8. “10 Examples of Magnetic Force in Everyday Life”,StudiousGuy, Retrieved 17/12/2021. Edited.