المغانط : الدائمة والمؤقتة

يقوم درس المغانط الدائمة والمؤقتة على دراسة سلوك المواد المغناطيسية وتفسير منشأ المغناطيسية من خلال المناطق المغناطيسية وتأثير التيارات الكهربائية في تكوين المجالات المغناطيسية. يوضح الدرس أن الأقطاب المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب، وأن المجال المغناطيسي يحيط بالمغانط والأسلاك التي تسري فيها تيار كهربائي وتحدد اتجاهاته بالقواعد اليدوية. من أبرز تطبيقاته تحويل قطعة حديد مطاوع إلى مغناطيس مؤقت بتقريبها من مغناطيس دائم، مثل تقريب مسمار من مغناطيس ليجذب الدبابيس.

الفكرة الأساسية

تدور فكرة الدرس حول خصائص المغانط الدائمة والمؤقتة وكيفية توليد المجالات المغناطيسية إما بواسطة مواد ذات مغناطيسية ذاتية أو عن طريق تأثير التيارات الكهربائية المنسابة في الأسلاك والملفات.

الشرح

انظر إلى المغانط حولك؛ تجد أن لكل مغناطيس قطبين: قطب شمالي رمزه $N$ وقطب جنوبي رمزه $S$. الأقطاب المتشابهة تتنافر والأقطاب المختلفة تتجاذب. إذا علقت مغناطيساً بخيط فسيتجه قطبه الشمالي نحو الشمال الجغرافي للأرض لأن الأرض نفسها تعمل مغناطيساً عملاقاً. في المواد المغناطيسية مثل الحديد والنيكل توجد مناطق تسمى المناطق المغناطيسية، وهي مجموعات مجالات مغناطيسية لإلكترونات الذرات المتجاورة. عندما تكون عشوائية تلغي إحداها الأخرى فلا تكون القطعة مغناطيساً، وحين توضع في مجال مغناطيسي خارجي تترتب متفقة مع اتجاهه لتصبح مغناطيساً مؤقتاً. أما التيارات الكهربائية فهي تولد مجالات مغناطيسية أيضاً، فلو مر تيار كهربائي في سلك مستقيم فإنه ينتج مجالا مغناطيسيا على شكل دوائر متحدة المركز حول السلك. لتحديد اتجاه هذا المجال استخدم القاعدة الأولى لليد اليمنى: اجعل إبهام اليمين في اتجاه التيار الاصطلاحي وستشير أصابعك لتدور حول السلك في اتجاه المجال المغناطيسي. وإن لُف السلك على شكل ملف لولبي يصبح المجال داخل الملف مساوياً لمجموع المجالات الناشئة عن لفاته، ويمكن زيادة شدة هذا المجال بوضع قلب حديدي داخله ليصبح مغناطيساً كهربائياً مؤقتاً.

مثال محلول خطوة بخطوة

سلك مستقيم طويل يسري فيه تيار كهربائي. أوجد العلاقة بين شدة المجال المغناطيسي والبعد عن السلك. تذكر أن شدة المجال المغناطيسي الناشئ حول سلك مستقيم تتناسب طردياً مع مقدار التيار المار في السلك وعكسياً مع البعد عنه. فإذا كان المجال المغناطيسي على بعد $1 ext{ cm}$ من سلك يسري فيه تيار يساوي $B$، فعند مضاعفة البعد ليصبح $2 ext{ cm}$ فإن شدة المجال المغناطيسي تقل إلى النصف لتصبح rac{1}{2}B، لأن العلاقة عكسية بين شدة المجال والمسافة.

أخطاء شائعة

من الخطأ الاعتقاد بأن كسر المغناطيس إلى نصفين يفصل القطب الشمالي عن القطب الجنوبي للحصول على قطب مفرد، بينما الصحيح أن كل نصف ينتج منه مغناطيساً جديداً له قطبان شمالي وجنوبي مهما بلغ صغر القطع. ومن الأخطاء أيضاً الخلط بين القواعد اليدوية، كاستخدام القاعدة الأولى للسلك والملف الدائري والثانية لتحديد قطبية المغناطيس الكهربائي في الملف اللولبي.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ماذا يحدث لقطعة حديد مطاوع عند إبعاد المغناطيس الدائم عنها؟ الإجابة: تفقد الحديد المطاوع كل جافيتها للأجزاء الأخرى لأن الحديد المطاوع مغناطيس مؤقت يفقد مغناطيسيته عند إبعاد المجال الخارجي. السؤال الثاني: إذا وضعت بوصسة فوق سلك مستقيم يحمل تياراً واتجه قطبها الشمالي شرقا، فما اتجاه التيار في السلك؟ الإجابة: باستخدام القاعدة الأولى لليد اليمنى، يكون اتجاه التيار بحسب انحراف الإبرة وتعامدها مع المجال الناشئ.