المحتوى
- علوم الحقول المغناطيسية
- كيف يمكنك تحديد المجال المغناطيسي؟
- أنواع المغناطيس
- القوة المغناطيسية
- المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربائية
- المجال المغناطيسي عبر المنتجات
- المجال المغناطيسي في الحياة اليومية
••• سيد حسين آذر
المجالات المغناطيسية صف كيف يتم توزيع القوة المغناطيسية عبر الفضاء حول الأجسام. بشكل عام ، بالنسبة لشيء مغناطيسي ، تنتقل خطوط المجال المغنطيسي من الأجسام الشمالية إلى القطب الجنوبي ، تمامًا كما تفعل في الحقل المغناطيسي للأرض ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه.
يتم استخدام نفس القوة المغناطيسية التي تجعل الأجسام تلتصق بأسطح الثلاجة في المجال المغناطيسي للأرض الذي يحمي طبقة الأوزون من الرياح الشمسية الضارة. يشكل الحقل المغناطيسي حزمًا للطاقة تمنع طبقة الأوزون من فقد ثاني أكسيد الكربون.
يمكنك ملاحظة ذلك عن طريق صب برادة الحديد ، قطع صغيرة من الحديد تشبه المسحوق ، في وجود مغناطيسي. ضع المغناطيس تحت قطعة من الورق أو ورقة من القماش الخفيف. قم بصب الإيداعات الحديدية ومراقبة الأشكال والتكوينات التي تأخذها. حدد خطوط الحقل التي يجب أن تتسبب في أن ترتب الملفات وتوزع نفسها بهذه الطريقة وفقًا لفيزياء الحقول المغناطيسية.
كلما زادت كثافة خطوط المجال المغناطيسي المرسومة من الشمال إلى الجنوب ، زاد حجم المجال المغناطيسي. تحدد هذه القطبين الشمالي والجنوبي أيضًا ما إذا كانت الأجسام المغناطيسية جذابة (بين القطبين الشمالي والجنوبي) أو مثيرة للاشمئزاز (بين القطبين المتطابقين). تقاس الحقول المغناطيسية بوحدات تسلا ، تي.
علوم الحقول المغناطيسية
نظرًا لأن الحقول المغناطيسية تتشكل كلما كانت الشحنات في حالة حركة ، فإن الحقول المغناطيسية تُحدث من التيار الكهربائي عبر الأسلاك. يمنحك الحقل طريقة لوصف القوة والاتجاه المحتمل للقوة المغناطيسية اعتمادًا على التيار من خلال سلك كهربائي والمسافة التي ينتقل بها التيار. خطوط المجال المغناطيسي تشكل دوائر متحدة المركز حول الأسلاك. يمكن تحديد اتجاه هذه الحقول من خلال "القاعدة اليمنى".
تخبرك هذه القاعدة أنه إذا وضعت إبهامك الأيمن في اتجاه التيار الكهربائي عبر سلك ، فإن الحقول المغناطيسية الناتجة في اتجاه كيفية حل أصابع يديك. مع تيار أكبر ، يتم إحداث مجال مغناطيسي أكبر.
كيف يمكنك تحديد المجال المغناطيسي؟
يمكنك استخدام أمثلة مختلفة من قاعدة اليد اليمنى، قاعدة عامة لتحديد اتجاه الكميات المختلفة التي تشمل المجال المغناطيسي والقوة المغناطيسية والتيار. قاعدة الإبهام هذه مفيدة لكثير من الحالات في الكهرباء والمغناطيسية كما تمليها رياضيات الكميات.
••• سيد حسين آذريمكن أيضًا تطبيق قاعدة اليد اليمنى في الاتجاه الآخر للمغناطيس الملف اللولبيأو سلسلة من التيار الكهربائي ملفوفة في الأسلاك حول المغناطيس. إذا وجهت إبهامك الأيمن في اتجاه المجال المغناطيسي ، فستلتف أصابع يدك اليمنى في اتجاه التيار الكهربائي. تتيح لك الملفات اللولبية تسخير قوة المجال المغناطيسي من خلال التيارات الكهربائية.
عندما تنتقل شحنة كهربائية ، يولد الحقل المغناطيسي عندما تصبح الإلكترونات التي تدور وتتحرك كائنات مغناطيسية بحد ذاتها. يمكن محاذاة العناصر التي تحتوي على إلكترونات غير متزاوجة في حالاتها الأرضية مثل الحديد والكوبالت والنيكل بحيث تشكل مغناطيسات دائمة. يسمح المجال المغنطيسي الناتج عن إلكترونات هذه العناصر بتدفق التيار الكهربائي عبر هذه العناصر بسهولة أكبر. يمكن للحقول المغناطيسية نفسها أيضًا إلغاء بعضها البعض إذا كانت متساوية في الحجم في اتجاهين متعاكسين.
الحالية تتدفق من خلال البطارية أنا يعطي قبالة المجال المغناطيسي ب في دائرة نصف قطرها ص وفقا لمعادلة ل قانون الأمبير: B = 2πr μ0 أنا أين μ0 هو الثابت المغناطيسي للنفاذية فراغ ، 1.26 × 10-6 H / م ("هنري للمتر" حيث هنري هو وحدة الحث). زيادة التيار والاقتراب من السلك كلاهما يزيدان المجال المغناطيسي الذي ينتج.
أنواع المغناطيس
ولكي يكون الجسم مغنطيسيًا ، يجب أن تكون الإلكترونات التي تتألف منها الكائن قادرة على التحرك بحرية بين ذرات الكائن. لكي تكون المادة مغنطيسية ، تعد الذرات ذات الإلكترونات غير المبرمة من نفس الدوران مرشحة مثالية حيث يمكن لهذه الذرات أن تقترن مع بعضها البعض للسماح بتدفق الإلكترونات بحرية. يمكن لاختبار المواد بحضور الحقول المغناطيسية وفحص الخواص المغناطيسية للذرات التي تصنع هذه المواد أن يخبرك بمغناطيسيتها.
Ferromagnets لدينا هذه الخاصية التي انهم المغناطيسية بشكل دائم. Paramagnetsعلى النقيض من ذلك ، لن يتم عرض خصائص مغناطيسية إلا في وجود مجال مغناطيسي لربط تدور الإلكترونات لأعلى حتى تتحرك بحرية. Diamagnets تحتوي على تركيبات ذرية بحيث تتأثر بالحقول المغناطيسية على الإطلاق أو تتأثر فقط بالمجالات المغناطيسية. ليس لديهم أو عدد قليل من الإلكترونات غير المبرمة للسماح بتدفق الشحنات.
Paramagnets تعمل لأنها مصنوعة من المواد التي لديها دائما لحظات مغناطيسية، والمعروفة باسم ثنائيات الاقطاب. هذه اللحظات هي قدرتها على التوافق مع مجال مغناطيسي خارجي بسبب دوران الإلكترونات غير المربوطة في مدارات الذرات التي تصنع هذه المواد. في وجود مجال مغناطيسي ، تتوافق المواد معارضة قوة المجال المغنطيسي. تشمل العناصر شبه المغناطيسية المغنيسيوم والموليبدينوم والليثيوم والتنتالوم.
داخل المواد المغناطيسية المغناطيسية ، يكون ثنائي القطب للذرات دائمًا ، وعادةً ما يكون ناتجًا عن تسخين وتبريد المواد المغنطيسية. هذا يجعلهم مرشحين مثاليين للمغناطيسات الكهربائية والمحركات والمولدات والمحولات للاستخدام في الأجهزة الكهربائية. بالمقابل ، يمكن للديامينات المغناطيسية أن تنتج قوة تسمح للإلكترونات بالتدفق بحرية في شكل تيار ، ثم يخلق مجال مغناطيسي عكس أي مجال مغناطيسي مطبق عليها. هذا يلغي المجال المغناطيسي ويمنعهم من أن يصبحوا مغناطيسيين.
القوة المغناطيسية
تحدد الحقول المغناطيسية كيف يمكن توزيع القوى المغناطيسية في وجود المواد المغناطيسية. في حين تصف الحقول الكهربائية القوة الكهربائية في وجود إلكترون ، فإن الحقول المغناطيسية لا يوجد بها مثل هذا الجسيم الذي يماثل القوة المغناطيسية. لقد افترض العلماء أن احتكارًا مغناطيسيًا قد يكون موجودًا ، ولكن لم يكن هناك دليل تجريبي لإظهار وجود هذه الجسيمات. إذا كانت موجودة ، فستكون لهذه الجسيمات "شحنة" مغناطيسية بنفس الطريقة التي تحمل بها الجسيمات المشحونة شحنة كهربائية.
تنتج القوة المغناطيسية عن القوة الكهرومغناطيسية ، القوة التي تصف المكونات الكهربائية والمغناطيسية للجزيئات والأشياء. هذا يدل على مدى المغناطيسية الذاتية لنفس ظواهر الكهرباء مثل الحقل الحالي والكهربائي. إن شحنة الإلكترون هي ما يجعل المجال المغناطيسي يحرفه عن طريق القوة المغناطيسية بنفس الطريقة التي يعمل بها المجال الكهربائي والقوة الكهربائية.
المجالات المغناطيسية والمجالات الكهربائية
في حين أن الجسيمات المشحونة المتحركة فقط هي التي تعطي الحقول المغناطيسية ، وجميع الجسيمات المشحونة تغلق الحقول الكهربائية ، فإن الحقول المغناطيسية والكهرومغناطيسية هي جزء من نفس القوة الأساسية للكهرومغناطيسية. تعمل القوة الكهرومغناطيسية بين جميع الجزيئات المشحونة في الكون. تأخذ القوة الكهرومغناطيسية ظواهر الحياة اليومية في الكهرباء والمغناطيسية ، مثل الكهرباء الساكنة والسندات المشحونة كهربائياً التي تبقي الجزيئات معًا.
وتشكل هذه القوة إلى جانب التفاعلات الكيميائية أيضًا الأساس للقوة الدافعة الكهربائية التي تتيح تدفق التيار عبر الدوائر. عندما يتم عرض مجال مغناطيسي متشابك مع مجال كهربائي ، يُعرف المنتج الناتج بالحقل الكهرومغناطيسي.
ال معادلة قوة لورنتز F = qE + qv × B يصف القوة على الجسيمات المشحونة ف تتحرك بسرعة الخامس في وجود مجال كهربائي E والمجال المغناطيسي ب. في هذه المعادلة إكس ما بين QV و ب يمثل المنتج المتبادل. الفصل الاول بورصة قطر هي مساهمة المجال الكهربائي في القوة ، والمدة الثانية qv x B هي مساهمة المجالات المغناطيسية.
تخبرك معادلة لورنتز أيضًا أن القوة المغناطيسية بين سرعة الشحن الخامس والمجال المغناطيسي ب يكون qvbsinφ مقابل رسوم ف أين ϕ ("فاي") هي الزاوية بين الخامس و ب، والتي يجب أن تكون أقل من 1_80_ درجة. إذا كانت الزاوية بين الخامس و ب أكبر ، ثم يجب عليك استخدام الزاوية في الاتجاه المعاكس لإصلاح ذلك (من تعريف المنتج المتقاطع). إذا كانت _ϕ_is 0 ، كما هو الحال في ، والسرعة ونقطة المجال المغناطيسي في نفس الاتجاه ، فإن القوة المغناطيسية ستكون 0. وسيستمر الجسيم في الحركة دون أن ينحرف عن طريق المجال المغناطيسي.
المجال المغناطيسي عبر المنتجات
••• سيد حسين آذرفي الرسم البياني أعلاه ، والمنتج المتبادل بين متجهين أ و ب يكون ج. لاحظ اتجاه وحجم ج. في الاتجاه العمودي على أ و ب عندما تعطى من قبل القاعدة اليمنى. القاعدة اليمنى تعني أن اتجاه الناتج المتقاطع الناتج ج يتم تقديمه بواسطة اتجاه إبهامك عندما يكون مؤشر إصبعك الأيمن في اتجاه ب وإصبعك الأوسط الأيمن في اتجاه أ.
المنتج المتقاطع عبارة عن عملية متجهية ينتج عنها المتجه بشكل عمودي على الاثنين QV و ب تعطى بواسطة القاعدة اليمنى للناقلات الثلاثة وبمقدار مساحة متوازي الاضلاع المتجه QV و ب امتداد. تعني القاعدة اليمنى أنه يمكنك تحديد اتجاه المنتج المتبادل QV و ب عن طريق وضع مؤشر السبابة اليمنى في اتجاه بإصبعك الأوسط في اتجاه QV، وسيكون الاتجاه الناتج لإبهامك هو اتجاه المنتجات المتقاطعة لهذين الاتجاهين.
في الرسم البياني أعلاه ، توضح قاعدة اليد اليمنى أيضًا العلاقة بين المجال المغنطيسي والقوة المغناطيسية والتيار عبر سلك. يوضح هذا أيضًا أن المنتج المتقاطع بين هذه الكميات الثلاثة يمكن أن يمثل القاعدة اليمنى حيث أن المنتج المتقاطع بين اتجاه القوة والحقل يساوي اتجاه التيارات.
المجال المغناطيسي في الحياة اليومية
تستخدم الحقول المغناطيسية من حوالي 0.2 إلى 0.3 تسلا في التصوير بالرنين المغناطيسي ، التصوير بالرنين المغناطيسي. التصوير بالرنين المغناطيسي هو طريقة يستخدمها الأطباء لدراسة الهياكل الداخلية داخل جسم المريض مثل الدماغ والمفاصل والعضلات. يتم ذلك بشكل عام عن طريق وضع المريض داخل حقل مغناطيسي قوي بحيث يمتد الحقل على طول محور الجسم. إذا كنت تتخيل أن المريض عبارة عن ملف لولبي مغناطيسي ، فإن التيارات الكهربائية ستلتف حول جسمه أو جسمها وسيتم توجيه المجال المغناطيسي في الاتجاه الرأسي فيما يتعلق بالجسم ، كما تمليه القاعدة اليمنى.
ثم يدرس العلماء والأطباء الطرق التي تنحرف بها البروتونات عن محاذاتها الطبيعية لدراسة الهياكل داخل جسم المريض. من خلال هذا ، يمكن للأطباء إجراء تشخيصات آمنة وغير جراحية للحالات المختلفة.
لا يشعر الشخص بالمجال المغنطيسي أثناء العملية ، ولكن نظرًا لوجود الكثير من الماء في جسم الإنسان ، فإن نوى الهيدروجين (التي هي بروتونات) تتماشى مع المجال المغناطيسي.يستخدم الماسح الضوئي بالرنين المغناطيسي مجالًا مغناطيسيًا يمتص البروتونات الطاقة منه ، وعندما يتم إيقاف تشغيل المجال المغناطيسي ، تعود البروتونات إلى مواقعها الطبيعية. يقوم الجهاز بعد ذلك بتتبع هذا التغيير في موضعه لتحديد كيفية محاذاة البروتونات وإنشاء صورة من داخل جسم المريض.