قوة التأثير المغناطيسي

القوة المغناطيسية

تُعرَف القوة المغناطيسية، أو قوة التجاذب والتنافر بين الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية، بأنها القوة الأساسية التي تؤثر على الجسيمات، مثلما يحدث في المحركات الكهربائية أو عندما يجذب المغناطيس الحديد.

ومن المهم أن نلاحظ أن هناك قوى كهربائية تربط الشحنات الكهربائية الثابتة، بينما القوى التي تتحكم بالشحنات الكهربائية المتحركة هي القوى الكهربائية والمغناطيسية. وبالتالي، يمكن وصف القوة المغناطيسية التي تنشأ بين شحنتين متحركتين بأنها التأثير الذي تمارسه إحداهما عبر المجال المغناطيسي الذي تُنتجه الأخرى.

تعتبر القوة المغناطيسية إحدى القوى الأساسية في الطبيعة، وهي نتاج القوة الكهرومغناطيسية التي تتسبب بها حركة الشحنات. حيث إن الشحنات التي تتحرك في نفس الاتجاه تقوم بإنشاء قوة جذب مغناطيسي بينها، بينما الأجسام ذات الشحنات المتحركة في اتجاهات متعاكسة تُنتِج قوة تنافر.

قانون القوة المغناطيسية

يُعرف قانون القوة المغناطيسية بقانون قوة لورنتز، والذي يربط بين القوة المؤثرة على الشحنة الكهربائية أو التيار والمجال المغناطيسي. يمكن التعبير عن هذا القانون كالتالي:

F = qv × B

حيث:

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

يمكن تبسيط النتيجة من خلال المعادلة التالية:

F = qvBsin (θ)

في هذه المعادلة، تمثل الزاوية (θ) الزاوية بين (v) و(B)، وتكون القوة في أقصى قيمتها عندما تكون (v) متعامدة على (B)، وأقل ما يمكن عندما يكونا متوازيين.

أما بالنسبة للقوة الناتجة عن مجال مغناطيسي يؤثر على قضيب يحمل تيارًا، فإنه يتم استخدام الرموز (l) لطول القضيب، و(A) لمساحة مقطعه العرضي، و(n) لكثافة الإلكترونات المتنقلة عبر القضيب.

يمكن حساب العدد الإجمالي لحاملات الشحنة عبر (nAI)، حيث (I) هو التيار الثابت في القضيب، وسرعة انجرافه تُحسب من خلال (vd). عند وضع القضيب في مجال مغناطيسي خارجي يعبر عنه بالحجم (B)، يُحسب القوة المؤثرة على الشحنات المتحركة (الإلكترونات) من خلال القانون التالي:

F = (nAI) q v d × B

حيث تمثل (q) قيمة الشحنة على الناقل المحمول، و(nqvd) تعبر عن كثافة التيار (j)، بينما ( A × | nqvd | ) تمثل التيار المار عبر الموصل، ومن هنا تكون المعادلة كالتالي:

F=[(nqevd) AI] × B = [jAI] × B = Il × B

حيث يمثل (I) مقداره الذي يساوي طول القضيب الموصل.

قياس القوة المغناطيسية

تُقاس القوة، سواء كانت مغناطيسية أو كهربائية أو ميكانيكية، دائماً بوحدة النيوتن، أو الكيلو نيوتن أو الميكرو نيوتن حسب السياق. في حين يُقاس المجال المغناطيسي بوحدة تسلا (T).

تحديد اتجاه القوة المغناطيسية

لاستخدام تحديد اتجاه القوة المغناطيسية، يتم الاعتماد على قاعدة اليد اليمنى، حيث تُستخدم لتحديد الاتجاه المؤثر على الشحنة المتحركة. فإذا كانت الشحنة سالبة، فإن اتجاه القوة المؤثرة سيكون في الاتجاه المعاكس.

يتم تطبيق قاعدة اليد اليمنى بتوجيه الإبهام نحو اتجاه حركة الشحنة (السرعة)، بينما تشير الأصابع الأخرى نحو اتجاه المجال المغناطيسي. وبالتالي، فإن الاتجاه العمودي الناتج على كف اليد اليمنى يمثل اتجاه القوة المغناطيسية. وإذا كانت الشحنة سالبة، يعكس الاتجاه المحدد.

الفروق بين القوة المغناطيسية والمجال المغناطيسي

تُعرَف القوة المغناطيسية بأنها قوة التأثير التي تُمارسها شحنة كهربائية على أخرى من خلال المجال المغناطيسي الذي تُنتجه. تكون هذه القوة جذابة إذا كانت الشحنتان تتحركان في نفس الاتجاه، وتنافر إذا تحركتا في اتجاهات متعاكسة.

بينما يُطلق على المنطقة المحيطة بالمغناطيس أو المساحة التي تُمارس فيها القوة المغناطيسية على مغناطيس آخر اسم “المجال المغناطيسي”.

تطبيقات القوة المغناطيسية

تتعدد التطبيقات العملية للقوة المغناطيسية في الحياة اليومية، ومنها:

• البوصلة

تستخدم البوصلة لتحديد الاتجاهات، وتتكون من دبوس صغير يحمل إبرة مغناطيسية تتحرك دائماً نحو الشمال باستخدام القوة المغناطيسية.

• التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)

تُستخدم هذه التقنية الشائعة في المراكز الطبية حول العالم، حيث تعتمد على القوة المغناطيسية وموجات الراديو للحصول على صور للأعضاء البشرية.

• المحركات الكهربائية

تُستخدم المحركات الكهربائية في العديد من الأجهزة مثل مجففات الشعر وآلات الحلاقة. تقوم هذه المحركات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة دورانية تنشأ عن مرور تيار كهربائي يُولّد مجالًا مغناطيسيًا، مما يؤدي إلى حركة أو دوران المحرك.

• أجهزة الحاسوب

تستخدم محركات الأقراص الثابتة القوة المغناطيسية لتخزين البيانات عبر مادة طلاء مغناطيسية موجودة على القرص، تتكون من عدد كبير من المغناطيسات الصغيرة.

• الميكروويف

تستخدم أجهزة الميكروويف جهاز المغنطرون لتوليد القوة المغناطيسية، والذي يوفر طاقة كهربائية للطهي من خلال أنبوب مفرغ قريب من مغناطيس.

أمثلة رياضية لحساب القوة المغناطيسية

وفيما يلي بعض الأمثلة الرياضية لحساب القوة المغناطيسية:

المثال (1):

تحركت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني الموجب بسرعة 7×10^6 م/ث، مع توضيح أن اتجاه المجال المغناطيسي نحو الداخل، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة.

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:

F = qvBsin (θ)

• تعويض المعطيات:

F = 3×10^-6 × 7×10^6 × 0.01 sin (90)

• إيجاد الناتج:

F = 0.21 N

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

المثال (2):

تحركت شحنة موجبة مقدارها 3×10^-6 كولوم داخل مجال مغناطيسي مقداره 0.01 تسلا باتجاه السيني السالب بسرعة 7×10^6 م/ث، إذا كان اتجاه المجال المغناطيسي نحو المحور السيني الموجب، احسب مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة.

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:

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 نتيجة حركة الشحنة في اتجاه متوازي ومعاكس للمجال المغناطيسي.