تعريف القوة المغناطيسية
تُعتبر القوة المغناطيسية، أو قوة التجاذب والتنافر بين الجسيمات الحاملة للشحنات الكهربائية، قوة طبيعية أساسية تؤثر على تلك الجسيمات، كما هو الحال في تشغيل المحركات الكهربائية أو جذب المغناطيس للحديد.
من المهم الإشارة إلى أن القوى الكهربائية تعمل على ربط الشحنات الكهربائية الثابتة، في حين أن الشحنات المتحركة تتأثر بمزيج من القوى الكهربائية والمغناطيسية. وبالتالي، يمكن وصف القوة المغناطيسية الناتجة بين شحنتين متحركتين على أنها التأثير الذي تمارسه إحداهما عبر المجال المغناطيسي الذي تنشئه الأخرى.
تُعتبر القوة المغناطيسية إحدى القوى الأساسية في الطبيعة، وهي ناتجة عن القوة الكهرومغناطيسية الناجمة عن حركة الشحنات. حيث تنشأ قوة جذب مغناطيسية بين الشحنات التي تتحرك في نفس الاتجاه، بينما تظهر قوة تنافر بين الشحنات التي تتحرك في اتجاهات متعاكسة.
قانون القوة المغناطيسية
يعرف قانون القوة المغناطيسية بقانون لورنتز، والذي يربط القوة المؤثرة على الشحنة الكهربائية أو التيار بالمجال المغناطيسي. ويمكن التعبير عنه كالتالي:
F = qv × B
حيث:
- q: مقدار الشحنة الكهربائية.
- v: سرعة الحركة للشحنة.
- B: المجال المغناطيسي.
يمكن تبسيط المعادلة كما يلي:
F = qvBsin(θ)
حيث إن الزاوية (θ) هي الزاوية بين (v) و(B)، فتكون القوة في أقصى قيمتها عندما تكون (v) متعامدة على (B) وتصبح صفرًا عندما تكون متوازية.
في حالة تأثير مجال مغناطيسي على قضيب يحمل تيارًا، يتم تمثيل القضيب ذو الطول الموحد بالرمز (l)، بينما يرمز لمساحة المقطع العرضي بالرمز (A)، ويعبر عن كثافة عدد الإلكترونات التي تنتقل عبر القضيب بالرمز (n).
يمكن حساب العدد الإجمالي لحاملات الشحن باستخدام الصيغة (nAI)، حيث يمثل (I) التيار الثابت في القضيب، وتُحسب سرعة انجراف الشحنات بالرمز (vd). في حال كان القضيب داخل مجال مغناطيسي ذو حجم (B)، تُحسب القوة المؤثرة على الشحنات المتحركة أو الإلكترونات من خلال المعادلة التالية:
F = (nAI) qvd × B
حيث تمثل (q) مقدار الشحنة على الناقل المحمول، و(nqvd) تمثل كثافة التيار (j)، بينما (A × | nqvd |) تمثل التيار المار من خلال الموصل، لذلك تكون المعادلة كما يلي:
F = [(nqevd) AI] × B = [jAI] × B = Il × B
حيث يُمثل (I) مقدار المتجه الذي يساوي طول القضيب الموصل.
طريقة قياس القوة المغناطيسية
تُقاس القوة، سواء كانت مغناطيسية أو كهربائية أو ميكانيكية، دائمًا بوحدات مثل النيوتن أو الكيلو نيوتن أو الميكرو نيوتن حسب السياق. بينما يتم قياس المجال المغناطيسي بوحدات تيسلا (T).
تحديد اتجاه القوة المغناطيسية
لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية، يُستخدم قاعدة اليد اليمنى. تُساعد هذه القاعدة في تحديد الاتجاه الذي تؤثر فيه القوة على الشحنة المتحركة. إذا كانت الشحنة سالبة، فإن الاتجاه المؤثر سيكون عكسيًا.
يتم تطبيق قاعدة اليد اليمنى من خلال توجيه الإبهام نحو اتجاه حركة الشحنة (السرعة)، ثم توجيه الأصابع الأخرى نحو اتجاه المجال المغناطيسي. وبالتالي، فإن الاتجاه العمودي الناتج على كف اليد اليمنى يمثل اتجاه القوة المغناطيسية، وفي حالة كون الشحنة سالبة، يكون الاتجاه المعاكس لما تحدده قاعدة اليد اليمنى.
اختلاف القوة المغناطيسية عن المجال المغناطيسي
تعرف القوة المغناطيسية بأنها القوة التي تؤثر بها شحنة كهربائية على شحنة أخرى عبر المجال المغناطيسي الذي تخلقه الشحنة الأخرى. تكون هذه القوة تجاذبية إذا تحركت الشحنتان في نفس الاتجاه، وتنافرية إذا تحركتا في اتجاهات متعاكسة.
المجال المغناطيسي يُعرف بأنه المنطقة المحيطة بالمغناطيس، حيث تؤثر القوة المغناطيسية على مغناطيس آخر.
تطبيقات عملية للقوة المغناطيسية
تعتمد العديد من التطبيقات اليومية على القوة المغناطيسية، ومن أبرزها ما يلي:
- البوصلة
تستخدم البوصلة لتحديد الاتجاهات، وتتكون من دبوس يحمل إبرة مغناطيسية، تتحرك هذه الإبرة دائمًا نحو الشمال باستخدام القوة المغناطيسية.
- التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)
تستخدم هذه التقنية في العديد من المراكز الطبية للتشخيص، وهي من أكثر تقنيات التصوير شيوعًا، وتعتمد على القوة المغناطيسية وموجات الراديو للحصول على صور لأعضاء الجسم.
- المحركات الكهربائية
تستخدم المحركات الكهربائية في العديد من الأجهزة، مثل مجففات الشعر وآلات الحلاقة الكهربائية، فهي تحول الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانية عبر مرور تيار كهربائي، مما يولد قوة مغناطيسية تسبب الحركة.
- أجهزة الحاسوب
تستخدم محركات الأقراص الصلبة في الحاسوب القوة المغناطيسية لتخزين البيانات، حيث يحتوي القرص على مادة طلاء مغناطيسية تتكون من عدد كبير من المغناطيسات الصغيرة.
- الميكروويف
تستخدم أجهزة الميكروويف جهاز المغنطرون لتوليد القوة المغناطيسية والطاقة الكهربائية للطهي، حيث يتكون هذا الجهاز من أنبوب مفرغ بالقرب منه مغناطيس يوفر القوة المغناطيسية اللازمة لدوران الإلكترونات لتوليد الطاقة.
أمثلة رياضية لتوضيح حساب القوة المغناطيسية
نستعرض فيما يلي أمثلة رياضية توضح كيفية حساب القوة المغناطيسية:
المثال (1):
تحركت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم في مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني الموجب بسرعة 7×10^6 م/ث، وكان اتجاه المجال المغناطيسي نحو الداخل. احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة من حيث المقدار والاتجاه.
الحل:
- كتابة 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°.
- كتابة القانون:
F = qvBsin(θ)
- تعويض المعطيات:
F = 3×10^-6 × 7×10^6 × 0.01 sin(90)
- إيجاد الناتج:
F = 0.21 N
لتحديد اتجاه القوة المغناطيسية، نستخدم قاعدة اليد اليمنى: يشير الإبهام إلى اتجاه السرعة (السيني الموجب)، وتُشير الأصابع الأخرى إلى الداخل نحو المجال المغناطيسي، وبالتالي يكون اتجاه القوة المغناطيسية نحو الأعلى، وهو الاتجاه الموجب للمحور الصادي.
المثال (2):
تحركت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم في مجال مغناطيسي بمقدار 0.01 تسلا باتجاه السيني السالب بسرعة 7×10^6 م/ث، وكان اتجاه المجال المغناطيسي نحو المحور السيني الموجب. احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة من حيث المقدار والاتجاه.
الحل:
- كتابة 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°.
- كتابة القانون:
F = qvBsin(θ)
- تعويض المعطيات:
F = 3×10^-6 × 7×10^6 × 0.01 sin(180)
- إيجاد الناتج:
F = 0، مما يعني عدم وجود قوة مغناطيسية بسبب حركة الشحنة المتوازية لاتجاه المجال المغناطيسي والتي تتحرك في الاتجاه المعاكس.