القوة المغناطيسية

القوة المغناطيسية

إن القوة ناتج تفاعل جسمين مع بعضهما البعض، وبشكلٍ عام تكون القوة سحب أو دفع للجسم كنتيجة لهذا التفاعل، وعندما ينتهي التفاعل فإن القوة بين الجسمين سوف تختفي، والقوة تُقاس بوحدة نيوتن مهما كان نوعها.^[١] وتُعرف القوة المغناطيسية على أنها القوة التي تؤثر بها المواد الممغنطة في بعضها البعض. ويمكن أن تكون هذه القوة بين مواد أخرى غير ممغنطة، كما يمكن أن تكون بين مادة ممغنطة وجسم متحرك مشحون بشحنة كهربائية، أو بين أجسام متحركة مشحونة بشحنة كهربائية، حيث إن المسبب الرئيسي للمجال المغناطيسي هو حركة الشحنات.^[٢]

ولعل من أوضح وأبرز الأجهزة التي تعتمد على القوة المغناطيسية هي البوصلة، حيث إنه يُعتقد (كما يظن معظم المؤرخين) أن استخدامها في الصين كان في فترة القرن الثالث عشر قبل الميلاد، وأن اختراعها يرجع لأصل عربي أو هندي. وقد كان معروفاً منذ القدم لدى الإغريقين أن قطعة من "حجر المغناطيس" تستطيع جذب الحديد. لاحقاً تم إدراك أن أي مغناطيس يتكون من قطبين على الأقل، وأن القوة المغناطيسية تشبه القوة الكهربائية، وأنه يوجد قطبين للمغناطيس؛ قطب شمالي وقطب جنوبي.^[٣]

وتتجاذب الأقطاب المختلفة (موجب - سالب) بينما تتنافر المتشابهة (موجب - موجب، أو سالب - سالب)، وإذا كان لدينا جسمين تتحرك الشحنات فيهما بالاتجاه نفسه فإن القوة المتبادلة بين هذين الجسمين سوف تكون قوة تجاذب، بينما إذا كانت حركة الشحنات في الجسمين متعاكسة فإن القوة سوف تكون قوة تنافر. وعلى عكس الشحنات الكهربائية فإنه لا يوجد قطب مغناطيسي منفرد في الطبيعة؛ أي لا يمكن أن نجد مغناطيساً يتكون من قطب شمالي فقط أو مغناطيس يتكون من قطب جنوبي فقط.[٣][١]

طريقة حساب القوة المغناطيسية

من حيث المبدأ فإن مقدار القوة المغناطيسية المتبادلة بين جسمين مشحونين يعتمد على مقدار الشحنة الموجودة في الجسم، بالإضافة إلى زخمها (مقدار حركتها)، والمسافة بين الجسمين. في معظم المسائل (باستثناء المراحل المتقدمة من دراسة القوة المغناطيسية) يكون المطلوب إيجاد القوة المغناطيسية لجسم مشحون بشحنة مقدارها ثابت، وتتحرك بسرعة ثابتة، وموضوع في مجال مغناطيسي منتظم؛ أي المجال المغناطيسي للجسم الآخر، وحتى لو لم نكن نعرف مقدار المجال المغناطيسي، فإنه لا زال بالإمكان استخدام هذه الطريقة؛ حيث إنه يمكن حساب المجال المغناطيسي بالاعتماد على المسافة والتيار.^[٢]

ويمكن إيجاد القوة المغناطيسية عن طريق العلاقة الآتية:

ق = ش×ع×غ×جاθ

حيث إن "ق" هي القوة المغناطيسية، (ش) هو مقدار الشحنة، "ع" هي سرعة حركة الشحنات، "غ" هي مقدار المجال المغناطيسي الذي يتحرك فيه الجسم، و"θ" هي الزاوية المحصورة بين اتجاه حركة الشحنات واتجاه المجال المغناطيسي. وعند استخدام النظام العالمي للوحدات فستكون وحدة القوة نيوتن، ووحدة السرعة م/ث، ووحدة المجال المغناطيسي تسلا.^[٢]

اتجاه القوة المغناطيسية

من المعروف بأن القوة كمية متجهة، لذلك لا يكفي حساب مقدار القوة المغانطيسية وحدها من أجل وصف هذه القوة، حيث إنه لا بد من معرفة اتجاه هذه القوة. يمكن معرفة اتجاه القوة المغناطيسية عن طريق استعمال (قاعدة اليد اليمنى)؛ حيث يشير إبهام اليد اليمنى إلى اتجاه حركة الشحنات (اتجاه السرعة)، بينما نجعل اتجاه بقية الأصابع مع اتجاه المجال المغناطيسي، وبذلك يكون اتجاه القوة مع اتجاه سهم افتراضي يكون خارجاً من راحة اليد وعامودياً عليها. ومن الجدير بالذكر أن هذا ينطبق على الأجسام المشحونة بشحنات موجبة فقط، حيث يكون اتجاه القوة عند الحديث عن شحناتٍ سالبة معاكساً للاتجاه الذي نحصل عليه عند استخدام قاعدة اليد اليمنى (أي يمكن ببساطة استخدام اليد اليسرى بدلاً من اليمنى عند التعامل مع شحناتٍ سالبة).^[٢]

القوة المغناطيسية المؤثرة على سلك

في بعض المسائل قد نحتاج لإيجاد القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك يسري فيه تيار كهربائي مغموس في مجال مغناطيسي (كالعادة؛ مجال مغناطيسي منتظم)، ويمكن إيجاد القوة المغناطيسة في مثل هذه المسائل عن طريق التلاعب بحاصل ضرب الشحنة وسرعة الشحنات، حيث إن السرعة تساوي المسافة (ف) مقسومةً على الزمن (ز)، بهذا يمكن كتابة المعادلة الآتية:^[٢]

ع (الشحنة) = ف/ز

لكن نحن نعرف أن التيار الكهربائي هو مقدار الشحنة التي تعبر مقطع السلك في وحدة الزمن إذاً:

ع (الشحنة) = ت×ف

وبهذا يكون مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة على سلك يسري فيه تيار

ق = غ×ت×ف×جاθ

حيث إن "ت" هو مقدار التيار الكهربائي المار في السلك، و"ف" هو طول السلك، بينما "θ" هذه المرة هي الزاوية المحصورة بين اتجاه المجال المغناطيسي واتجاه حركة التيار. بالنسبة لاتجاه القوة المغناطيسية، فإنه يمكن استخدام قاعدة اليد اليمنى، ولكن الاختلاف سوف يكون بأن الإبهام هذه المرة سوف يشير إلى اتجاه حركة التيار.

المجال المغناطيسي

يرتبط مفهوم القوة بمفهوم المجال، فعلى سبيل المثال لو كان لدينا شحنتين فإنه سوف توجد قوة بينهما دون الحاجة لتلامسهما، والتفاعل بين هاتين الشحنتين (أو الجسمين المشحونان) ناتج عن وجود المجال الكهربائي، وكذلك الأمر بالنسبة للأجسام المغناطيسية، فإنه لا داعي لأن يتلامس المغناطيس وقطع الحديد (أو المغناطيس الآخر) حتى يتأثرا بالقوة المغناطيسية، فالمجال المغناطيسي موجود، ووجوده يعني وجود قوة مغناطيسية.^[٣][٤]

والمجال المغناطيسي هو عبارة عن أداة تُستخدم في الفيزياء من أجل وصف القوة المغناطيسية التي تكون حول المغناطيس. في حال أردنا حساب القوة ولم يكن لدينا معلومات حول المجال المغناطيسي فإنه يمكن إيجاده (كما ذكرنا سابقاً؛ عن طريق التيار والمسافة) لسلك يسري فيه تيار كهربائي مقداره ت على مسافة مقدارها "ف" من هذا السلك عن طريق العلاقة الآتية:^[٥]

غ = μ₀×ت / 2×π×ف

حيث إن "μ₀" هو ثابت يعرف بنفاذية الفراغ للمجال المغناطيسي، وهو يساوي 4π × 10^-7 تسلا*م/أمبير.

المراجع

1. ^ ^{أ ب} "Newton's Laws - Lesson 2 - Force and Its Representation", www.physicsclassroom.com, Retrieved 7-8-2018. Edited.
2. ^ ^{أ ب ت ث ج} "What is magnetic force?", www.khanacademy.org, Retrieved 8-8-2018. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت} Raymond A. Serway, and John W. Jewett (2004), Physics for Scientists and Engineers, USA: Thomson Brooks/Cole, Page 895, 896, Part 6th edition. Edited.
4. ↑ "magnetic force", www.thefreedictionary.com, Retrieved 8-8-2018.
5. ↑ "What are magnetic fields?", www.khanacademy.org, Retrieved 8-8-2018. Edited.