المغناطيس | موضوع شامل عن اكتشاف المغناطيس بالتفصيل
المغناطيس
يعرف في الإنجليزية باسم "Magnet"، وهو عبارة عن مواد حجرية تتواجد في أماكن متفرقة بالطبيعة، كما أنها تتميز بخصائص معينة جعلتها فريدة من نوعها مثل إنشاء حقل مغناطيسي في نطاق محدد حولها، بالإضافة إلى قدرتها على جذب الحديد نحوها، كما أن المغناطيس له بعض المكونات الأساسية مثل وجود قطبين متعاكسين فيه؛ الأول هو القطب الشمالي والذي يشير بشكل دائم إلى ناحية الشمال الجغرافي، والثاني هو القطب الجنوبي والذي يشير بشكل دائم إلى ناحية الجنوب الجغرافي.
عند تقريب مغناطيسين من بعضهما فإن كلاً منهما يؤثر على الآخر بقوة، وهذه القوة إما أن تحدث قوى تنافر أو تجاذب؛ حيث يحدث تنافر عند تقريب القطب الشمالي من كلا المغناطيسين من بعضهما، ويحدث تجاذب عند تقريب القطب الشمالي للمغناطيس الأول من القطب الجنوبي للمغناطيس الثاني.
يحتوي المغناطيس على إلكترونات ذات مدارات غير متساوية، وعدم انتظام في الحركة الدورانية، ومن المواد التي لديها خصائص وتأثير مغناطيسي قوي : الحديد والنيكل والكوبالت، وهذه المواد قابلة للمغنطة بشكل دائم، وقد سمي هذا النوع من المواد بالفرومغناطيسية، كما توجد بعض المواد لها تأثير مغناطيسي ضعيف ويمكن قياس مغناطيسيتها عن طريق استخدام أجهزة قياس متطورة ومعقدة.
تاريخ اكتشاف المغناطيس
هناك قصتين مختلفتين عن اكتشاف المغناطيس:
القصة الأولى
بناءاً على هذه الرواية فإن أصل اكتشاف المغناطيس يعود إلى راعي الغنم اليوناني ماغنيس ( Magnes )، والذي كان يقطن في إحدى المناطق الجبلية باليونان عام ٦٠٠ قبل الميلاد؛ حيث كان ماغنيس يرعى الأغنام ويسوقها بعصاه التي كان طرفها الملامس للأرض مصنوعاً من الحديد، اكتشف أن هذا الجزء الحديدي من عصاه ينجذب ويميل نحو حجر معين في الأرض، ولا يمكنه نزع العصا عن الحجر بسهولة، واكتشف بعد ذلك أن هذا الحجر هو حجر الكهرمان ذو الخواص المغناطيسية، ومن هنا تم تسمية الحجر باسم المغناطيس على اسم راعي الغنم، وبالتالي كانت هذه بداية اكتشاف المغناطيسية.
القصة الثانية
بناءاً على هذه الرواية فإن أصل اكتشاف المغناطيس يعود إلى مدينة ماغنيسيا بالقرب من تركيا في قارة آسيا؛ حيث وجدت فيها أحجار ذات طبيعة مغناطيسية تجذب أي شيء مصنوع من الحديد نحوها، فتم تسمية الأحجار باسم مغناطيس على نفس اسم المدينة.
أشكال المغناطيس وأنواعه
تتنوع أشكال المغناطيس فليس له شكل واحد، ومن أهم أشكاله :
- مغناطيس على شكل قضيب.
- مغناطيس على شكل قرص مصمت.
- مغناطيس على شكل حدوة حصان.
وأما أنواع المغناطيس فهي ثلاثة أنواع :
١ - المغناطيس الدائم
هذا النوع من المغناطيس تتولد فيه مجالات مغناطيسية جاذبة بدون الحاجة لوجود أي مصدر خارجي محدث لهذه المجالات، كما أن الأنواع التي تتشكل من خلال المغناطيس الدائم تتميز عن بعضها في قوة الجذب المغناطيسي، فلكل منها خصائص معينة تختلف من نوع لآخر، بالإضافة إلى أن المغناطيس الدائم يتميز بقدرته على المحافظة على مجاله المغناطيسي لفترة طويلة جداً.
٢ - المغناطيس المؤقت
من خلال اسمه، يتم فهم أن وجود الخاصية المغناطيسية فيه مؤقتة؛ أي أن هذا النوع من المغناطيس لا توجد فيه خاصية المغنطة أصلاً، وبالتالي هو ليس بمغناطيس، لكنه يتحول إلى مغناطيس عند احتكاكه وتأثره بمجال مغناطيسي خارجي، وبمجرد زوال هذا المجال عن المغناطيس فإنه يفقد خاصية المغناطيسية، كما أن المغناطيس المؤقت يتشابه مع المغناطيس الدائم في فكرة العمل، ويشبه أيضاً الحديد اللين أو مشبك الورق.
٣ - المغناطيس الكهربائي
سمي بالمغناطيس الكهربائي نظراً لأن خاصية المغناطيسية تتولد فيه عن طريق لف قطعة من الحديد بسلك موصل للكهرباء ومعزول بعازل، ثم يمرر التيار الكهربائي في هذا السلك فيتولد حوله مجال مغناطيسي يؤثر في قطعة الحديد فيحولها إلى مغناطيس.
خصائص المغناطيس
١ - المغناطيسية
وهي ظاهرة جذب المغناطيس لأي شيء حديدي، وهذه الظاهرة يتميز بها حجر المغناطيس بقسميه سواءاً كان المغناطيس الطبيعي أو المغناطيس المصنع، وقد عرف حديثاً أن المواد المغناطيسية تتكون من حبيبات مغناطيسية، وذراتها لها اتجاه واحد؛ أي أن المغناطيسية هي كمية متجهة يمكن إيجاد قوتها وقيمتها عن طريق حساب قيمة العزم المغناطيسي، أما توزيع اتجاه مغناطيسية الحبيبات فهو عشوائي في المادة، وتكون محصلتها المغناطيسية حينئذ تساوي صفر، وأما في حالة التأثر بالمجال المغناطيسي الخارجي فإن توزيعها يترتب.
٢ - المجال المغناطيسي
وهو عبارة عن القوة المغناطيسية التي يتم توليدها في الحقل المحيط بالمغناطيس، ويمكننا التعرف على نوع المجال المغناطيسي وطريقة توزيعه من خلال إجراء تجربة عملية حيث؛ نحضر مغناطيس على شكل قضيب أو على شكل حدوة الحصان ونضعه على لوح أفقي مصنوع من الورق المقوى، ثم نأتي بكمية من مادة برادة الحديد، ونقوم بنثرها حول المغناطيس.
نتيجة لتأثير المجال المغناطيسي الناشئ عن المغناطيس، فإن برادة الحديد تترتب بطريقة منتظمة مكونة شكل المجال الدائري المتجه من الشمال إلى الجنوب، أما خطوط المجال المغناطيسي فإن الخارجية تتعاكس مع الداخلية، ويمكن معرفة ذلك من خلال تطبيق قاعدة أمبير لليد اليمنى.
٣ - العزم المغناطيسي
هو عبارة عن كمية متجهة وله تأثير بالغ الأهمية في منح المغناطيس خواصه العامة، ويمكن تسميته أيضاً بالعزم ثنائي الأقطاب.
٤ - أقطاب المغناطيس
يتكون المغناطيس من قطبين أساسيين يوجدان في كل مغناطيس حتى لو اختلف نوعه هما :
القطب الشمالي : وهو القطب الذي تخرج منه خطوط الفيض (المجال) المغناطيسي لتتجه إلى القطب الجنوبي.
القطب الجنوبي : وهو القطب الذي يستقبل خطوط الفيض (المجال) المغناطيسي القادمة من القطب الشمالي.
من أهم ميزات وخواص الأقطاب أن المتشابهة منها تتنافر والمختلفة تتجاذب.
٥ - الحركة الأفقية
من المعروف عن المغناطيس أنه يتحرك حركة أفقية باتجاه الشمال المغناطيسي، وذلك عندما يوضع بشكل حر، ومن خلال إجراء تجربة بسيطة تم معرفة اتجاه حركة المغناطيس؛ وذلك عن طريق إحضار مغناطيس على شكل قضيب، ثم يعلق أفقياً في مركزه (منتصفه)، سيبدأ بعدها المغناطيس بالحركة شمالاً وجنوباً إلى أن يحدث توازي بين محور المغناطيس وخط الزوال المغناطيسي للأرض؛ ونتيجة لذلك يتجه القطبان تلقائياً ناحية الشمال المغناطيسي والجنوب المغناطيسي.
٦ - قوة جذب المغناطيس
من خلال تحليل المغناطيس وإجراء التجارب المتكررة عليه، تبين أن مركز المغناطيس (منتصفه) هو أضعف جزء موجود في المغناطيس من حيث قوة الجذب، وقد تم تسمية هذه المنطقة بالمنطقة الحيادية، ومن التجارب استنتج أيضاً أن طرفي المغناطيس: الشمالي والجنوبي هما أقوى منطقتين في المغناطيس من حيث قوة الجذب المغناطيسي.
٧ - تساوي قوة جذب القطبين
في هذه الخاصية تتساوى قوة الجذب المغناطيسي للقطب الشمالي مع قوة الجذب المغناطيسي للقطب الجنوبي.
كما أن للمغناطيس بعض الخواص مثل :
خاصية الجذب : حيث يقوم المغناطيس بجذب المواد ذات الخواص المغناطيسية مثل : الحديد والكوبلت والنيكل وتختلف قوة الجذب من مغناطيس لآخر.
خاصية التجاذب : وهذه الخاصية بين كل مغناطيس وآخر؛ حيث إن أقطاب المغناطيس المختلفة تتجاذب.
خاصية التنافر : وهذه الخاصية أيضاً بين مغناطيس ومغناطيس آخر؛ حيث إن أقطاب المغناطيس المتشابهة تتنافر.
خاصية التوجيه : حيث إن اتجاه المغناطيس ثابت وهو الشمال الجنوبي، وتم معرفة ذلك من خلال تعليق المغناطيس أفقياً من منتصفه.
أنواع المغناطيسية
يمكن تصنيف مغناطيسية المغانط تبعاً للتوزيع الإلكتروني للذرات على النحو الآتي :
- فريمغناطيسية.
- مغناطيسية حديدية.
- مغناطيسية مسايرة.
- مغناطيسية معاكسة.
- مغناطيسية حديدية مضادة.
إزالة مغناطيسية المعادن
يمكن إزالة مغنطة المعادن عن طريق :
- فصلهم بقوة اليدين.
- ضرب المعدن بآلة صلبة.
- رمي المعدن على الأرض من مسافة.
- فصل التيار الكهربائي عنه إذا كان المغناطيس كهربائياً.
أهم استخدامات المغناطيس
الأجهزة الإلكترونية
يدخل المغناطيس في الكثير من الصناعات الحديثة مثل صناعة الميكروفونات وأجهزة التسجيلات وأجهزة التلفاز والحواسيب؛ حيث إن نسبة كبيرة من الحواسيب تستخدم المغناطيس في تخزين بياناتها على الأقراص الصلبة، كما يدخل المغناطيس أيضاً في صناعة مكبرات الصوت والتي توجد في العديد من الأجهزة الكهربائية كالتلفاز والراديو.
استخدام المغناطيس في الطب
ساعد المغناطيس علم الطب؛ حيث سهل علينا رؤية الأعضاء الداخلية للجسم، وبالتالي أصبح من السهل تشخيص حالة المريض؛ ويتم هذا عن طريق جهاز الرنين المغناطيسي الذي يستخدمه الكثير من الأطباء؛ نظراً لأنه يخرج صوراً أكثر دقة من تلك التي تخرجها الأشعة السينية، بالإضافة إلى أنه آمن ولا يوجد به إشعاع ضار مثل الإشعاع الناتج عن الأشعة السينية.
استخدام المغناطيس في الصناعة
من ميزات المغناطيس أنه يكتشف ويميز المواد المغناطيسية عن المواد الغير مغناطيسية؛ ولأجل هذا يدخل في بعض الصناعات الحديثة كالتعدين مثلاً؛ حيث يتم استخدامه في فصل المعادن عن المعدن الخام، بالإضافة إلى أهمية المغناطيس في المصانع الغذائية؛ حيث يستخدم في التقاط جزيئات الحديد ومنعها من الاختلاط مع المواد الغذائية.
يستخدم المغناطيس أيضاً في توليد التيار الكهربائي؛ حيث يتم تدوير المغناطيس حول ملف فيتولد حوله مجال مغناطيسي سرعان ما يتحول إلى كهرباء في السلك.
كما يدخل المغناطيس أيضاً في صناعة المحركات الكهربائية والدينامو والأجراس وأبواب الثلاجات.
بالإضافة إلى استخدامه في رفع المواد الحديدية الثقيلة وذلك في مناطق الخردوات والنفايات.
كما يستخدم المغناطيس في قطارات "Maglev" التي كان أول إطلاق لها في اليابان عام ١٩٩٧، ومن عجائب Maglev أنها تتحرك بدون عجلات؛ وهنا يبرز دور المغناطيس الذي جعل هذا النوع من القطارات تطفو على السكة الحديدية؛ والسبب في ذلك هو قوة التنافر المغناطيسي بين المغناطيس الكهربائي المثبت في السكة الحديدية والسطح السفلي الحديدي للقطار، مما أدى إلى قطعها لمسافات كبيرة في زمن قياسي وصل إلى ٤٨٠ كم/ساعة.
ومن أهم استخدامات المغناطيس؛ البوصلة المغناطيسية والتي تستخدم في تحديد الاتجاهات الجغرافية، وغالباً ما تستخدم في الرحلات البحرية.