أصل المغناطيسية
يعود أصل المغناطيسية إلى الحركة المجهرية للشحنات الكهربائية داخل الذرات. كل إلكترون في الذرة يمتلك عزماً مغناطيسياً خاصاً به، ناشئاً عن دورانه حول النواة (العزم المغناطيسي المداري) ودورانه حول محوره (العزم المغناطيسي المغزلي). في معظم المواد، تكون هذه العزوم المغناطيسية للإلكترونات موجهة بشكل عشوائي، مما يلغي بعضها البعض ولا ينتج عزماً مغناطيسياً كلياً للمادة. أما في المواد المغناطيسية، فإن هذه العزوم المغناطيسية تكون موجهة بشكل متوازٍ في مناطق صغيرة تسمى المجالات المغناطيسية.
المواد المغناطيسية
يمكن تصنيف المواد وفقاً لخصائصها المغناطيسية إلى عدة أنواع رئيسية:
- المواد المغناطيسية الحديدية (Ferromagnetic Materials): وهي المواد التي يمكن مغنطتها بسهولة، وتحتفظ بمغناطيسيتها حتى بعد إزالة المؤثر الخارجي. أمثلة على هذه المواد: الحديد والنيكل والكوبالت. تستخدم المواد المغناطيسية الحديدية في صناعة المغناطيس الدائم والمحولات الكهربائية وغيرها.
- المواد المغناطيسية المسايرة (Paramagnetic Materials): وهي المواد التي تنجذب بشكل ضعيف إلى المغناطيس، وتفقد هذه الخاصية بمجرد إزالة المؤثر الخارجي. أمثلة على هذه المواد: الألومنيوم والتيتانيوم. تمتلك هذه المواد عزومًا مغناطيسية ذرية عشوائية تترتب جزئيًا في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي عند تعرضها له.
- المواد المغناطيسية المعاكسة (Diamagnetic Materials): وهي المواد التي تتنافر بشكل ضعيف مع المغناطيس. أمثلة على هذه المواد: النحاس والفضة والذهب. هذه المواد لا تمتلك عزومًا مغناطيسية ذرية دائمة، ولكن المجال المغناطيسي الخارجي يحفز عزومًا مغناطيسية صغيرة معاكسة لاتجاه المجال، مما يؤدي إلى التنافر.
- المواد المغناطيسية الحديدية المضادة (Antiferromagnetic Materials): وهي المواد التي تترتب فيها العزوم المغناطيسية الذرية بشكل متوازٍ ولكن في اتجاهات متعاكسة، مما يلغي بعضها البعض ولا ينتج عزماً مغناطيسياً كلياً للمادة. أمثلة على هذه المواد: أكسيد المنغنيز.
- المواد المغناطيسية الحديدية الفريتية (Ferrimagnetic Materials): وهي المواد التي تترتب فيها العزوم المغناطيسية الذرية بشكل متوازٍ ولكن في اتجاهات متعاكسة، ولكن العزوم في أحد الاتجاهات تكون أقوى من العزوم في الاتجاه الآخر، مما ينتج عزماً مغناطيسياً كلياً للمادة. أمثلة على هذه المواد: الفريتات المستخدمة في صناعة النوى المغناطيسية للمحولات.
المجال المغناطيسي
المجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بالمغناطيس أو بالشحنة الكهربائية المتحركة، والتي تظهر فيها تأثيرات القوة المغناطيسية. يتم تمثيل المجال المغناطيسي بخطوط المجال المغناطيسي، والتي تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل إلى القطب الجنوبي. شدة المجال المغناطيسي تقاس بوحدة التسلا (T) أو الجاوس (G).
تؤثر المجالات المغناطيسية على الشحنات الكهربائية المتحركة بقوة عمودية على اتجاه حركة الشحنة واتجاه المجال المغناطيسي. هذه القوة هي أساس عمل العديد من الأجهزة الكهربائية والمغناطيسية، مثل المحركات الكهربائية والمولدات الكهربائية.
المغناطيسية الأرضية
تمتلك الأرض مجالاً مغناطيسياً قوياً يحمي الكوكب من الجسيمات المشحونة القادمة من الشمس (الرياح الشمسية). يعتقد أن المجال المغناطيسي الأرضي ناتج عن حركة الحديد المنصهر في لب الأرض الخارجي. المجال المغناطيسي الأرضي ليس ثابتاً، بل يتغير بمرور الوقت، كما أن القطبين المغناطيسيين ليسا منطبقين تماماً على القطبين الجغرافيين.
تستخدم البوصلة لتحديد الاتجاهات بالاعتماد على المجال المغناطيسي الأرضي. تشير إبرة البوصلة دائماً إلى القطب الشمالي المغناطيسي للأرض، والذي يقع بالقرب من القطب الجنوبي الجغرافي.
تطبيقات المغناطيسية
للمغناطيسية تطبيقات واسعة في مختلف المجالات، منها:
- المحركات والمولدات الكهربائية: تعتمد هذه الأجهزة على القوة المغناطيسية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية (في المحركات) أو لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (في المولدات).
- أجهزة التخزين المغناطيسي: تستخدم الأقراص الصلبة والأشرطة المغناطيسية لتخزين البيانات الرقمية عن طريق مغنطة مناطق صغيرة على سطح القرص أو الشريط.
- أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI): تستخدم هذه الأجهزة مجالات مغناطيسية قوية لإنتاج صور مفصلة للأعضاء والأنسجة الداخلية في الجسم.
- أجهزة الاستشعار المغناطيسي: تستخدم هذه الأجهزة للكشف عن المجالات المغناطيسية وتحديد قوتها واتجاهها. تستخدم في تطبيقات مثل تحديد المواقع والكشف عن المعادن.
- الفصل المغناطيسي: تستخدم هذه التقنية لفصل المواد المغناطيسية عن المواد غير المغناطيسية، وتستخدم في تطبيقات مثل معالجة المعادن وإعادة تدوير النفايات.
- الرافعات المغناطيسية: تستخدم لرفع ونقل الأجسام الثقيلة المصنوعة من مواد مغناطيسية، مثل الحديد والصلب.
المغناطيسية الحيوية
المغناطيسية الحيوية هي دراسة المجالات المغناطيسية التي تنتجها الكائنات الحية. تمتلك بعض الكائنات الحية، مثل البكتيريا الموجهة مغناطيسياً والطيور المهاجرة، القدرة على استشعار المجالات المغناطيسية واستخدامها للتوجيه والملاحة. كما أن النشاط الكهربائي في الدماغ والقلب ينتج مجالات مغناطيسية يمكن قياسها باستخدام أجهزة مثل تخطيط الدماغ المغناطيسي (MEG) وتخطيط القلب المغناطيسي (MCG).
وحدات قياس المغناطيسية
تستخدم عدة وحدات لقياس الكميات المتعلقة بالمغناطيسية، منها:
- التسلا (T): وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي في النظام الدولي للوحدات (SI).
- الجاوس (G): وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي في نظام الوحدات السنتيمتر غرام ثانية (CGS). 1 تسلا = 10,000 جاوس.
- الأمبير لكل متر (A/m): وحدة قياس شدة المجال المغناطيسي (H).
- الويبر (Wb): وحدة قياس التدفق المغناطيسي.
- الهنري (H): وحدة قياس المحاثة.
المغناطيسية والكهرباء
ترتبط المغناطيسية والكهرباء ارتباطاً وثيقاً. اكتشف العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد في عام 1820 أن التيار الكهربائي ينتج مجالاً مغناطيسياً. وبعد ذلك، اكتشف العالم الإنجليزي مايكل فاراداي أن المجال المغناطيسي المتغير ينتج تياراً كهربائياً. هذه الاكتشافات أدت إلى تطوير نظرية الكهرومغناطيسية، والتي تصف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية كوجهين لعملة واحدة.
تصف معادلات ماكسويل الكهرومغناطيسية سلوك المجالات الكهربائية والمغناطيسية وتفاعلاتها مع الشحنات الكهربائية والتيارات الكهربائية. هذه المعادلات هي أساس العديد من التقنيات الحديثة، مثل الاتصالات اللاسلكية والرادار والليزر.
المواد المغناطيسية النانوية
تعتبر المواد المغناطيسية النانوية مجالاً بحثياً نشطاً في علم المواد والفيزياء. تمتلك هذه المواد خصائص مغناطيسية فريدة تختلف عن خصائص المواد المغناطيسية التقليدية. تستخدم المواد المغناطيسية النانوية في تطبيقات مثل تخزين البيانات عالي الكثافة، والتصوير الطبي، والاستشعار الحيوي، ومعالجة المياه.
خاتمة
المغناطيسية هي ظاهرة فيزيائية أساسية تلعب دوراً هاماً في العديد من جوانب حياتنا. من خلال فهمنا لخصائص المواد المغناطيسية وتأثيرات المجالات المغناطيسية، تمكنا من تطوير العديد من التقنيات التي غيرت العالم. لا يزال البحث في مجال المغناطيسية مستمراً، ومن المتوقع أن يؤدي إلى اكتشافات وتقنيات جديدة في المستقبل.