المجال المغناطيسي: معناه وخطوطه وتأثيره في الشحنات

ما المقصود بالمجال المغناطيسي؟

نرمز عادة إلى المجال المغناطيسي بالحرف B. وبما أنه متجه، فإن وصف مقداره وحده غير كافٍ لمعرفة تأثيره. ويمكن عرض اتجاهه بأسهم أو بخطوط يكون اتجاه المماس لها عند كل نقطة هو اتجاه المجال المحلي. ^[1]

التيار الكهربائي حركة منظمة للشحنات، ويرتبط بوجود مجال مغناطيسي حول الموصل. ويتحدد المجال الناتج بحسب شدة التيار وشكل مساره والموضع الذي ندرسه. وفي المغناطيسات، يسهم التنظيم المغناطيسي داخل المادة في ظهور تأثير يمكن ملاحظته خارجها. لا نحتاج إلى تخيل إلكترونات تدور مثل كرات صغيرة لتفسير الرسم التعليمي. ^[3]

كيف نقرأ خطوط المجال؟

حول المغناطيس الدائم تتجه الخطوط خارجه من القطب الشمالي إلى الجنوبي، وتتابع مسارها داخله لتشكل حلقات مغلقة. وهي لا تتقاطع؛ لأن التقاطع سيعطي اتجاهين مختلفين للمجال عند الموضع نفسه. قرب الخطوط من بعضها في الرسم يستخدم للدلالة على مجال أشد ضمن طريقة الرسم المختارة. ^[1]

في منطقة مجال منتظم نمثل الاتجاه بخطوط متوازية ومتساوية التباعد، لأن المقدار والاتجاه ثابتان في المنطقة التي نقربها بهذا الوصف. هذا الرسم يبين جزءاً من المجال، ولا يعني أن خطوطه تبدأ عند حافة الصورة وتنتهي عند الحافة الأخرى في الواقع.

عندما يكون الاتجاه عمودياً على الصفحة، نستخدم النقطة للمجال الخارج نحو القارئ، والعلامة المشابهة لتقاطع خطين للمجال الداخل بعيداً عنه. يساعد هذا الاصطلاح على فهم القوة في الرسم من دون الحاجة إلى نموذج ثلاثي الأبعاد.

وحدة قياس المجال المغناطيسي

تقاس كمية B بوحدة التسلا، ورمزها T. ومن علاقة القوة المغناطيسية بالشحنة والسرعة نحصل على 1 T = 1 N/(A·m). هذه وحدة مجال، أما القوة نفسها فتقاس بالنيوتن. ^[1]

لا تكفي قيمة المجال وحدها لإيجاد القوة على جسيم مشحون. يجب أن نعرف مقدار الشحنة وسرعتها والزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال. ويمكن أن تكون القوة المغناطيسية صفراً مع بقاء المجال غير صفري، كما يحدث في نموذج الشحنة النقطية الساكنة أو المتحركة تماماً بمحاذاة المجال.

القوة على شحنة متحركة: قانون ومثال

مقدار القوة في هذا النموذج هو F = |q|vB sin θ، حيث θ الزاوية بين السرعة والمجال. عندما تكون الحركة عمودية على المجال، تكون القوة بأكبر مقدار لهذه القيم. وعندما تتوازي السرعة مع المجال، أو تعاكس اتجاهه تماماً، تكون القوة صفراً. ^[1]

مثلاً، لشحنة موجبة q = 2 µC تتحرك بسرعة 4000 m/s عمودياً على مجال 0.30 T، نجد F = 2 × 10⁻⁶ × 4000 × 0.30 = 0.0024 N، أي 2.4 mN. هذا حساب افتراضي بقيم معطاة، وليس قياساً لتجربة أو جهاز.

لتحديد الاتجاه للشحنة الموجبة نستخدم قاعدة اليد اليمنى للضرب الاتجاهي v × B. إذا كانت السرعة إلى اليمين والمجال خارج الصفحة، تتجه القوة إلى أسفل الصفحة. للشحنة السالبة تحت الشروط نفسها تنعكس القوة إلى أعلى، مع ثبات المقدار إذا تساوت القيمة المطلقة للشحنتين.

هل يغير المجال المغناطيسي سرعة الجسيم؟

إذا كانت القوة المغناطيسية هي القوة الوحيدة المؤثرة، تكون عمودية على السرعة وتغير اتجاه الحركة، ولا تغير مقدار السرعة أو الطاقة الحركية. ولذلك لا تبذل شغلاً على الجسيم في هذا النموذج. قد يبدو المسار منحنياً مع بقاء مقدار السرعة ثابتاً. ^[2]

إذا حضرت قوى أخرى، فلا يلزم أن يبقى مقدار السرعة ثابتاً؛ فالكلام السابق يخص تأثير القوة المغناطيسية وحدها. كذلك لا تعمم قانون الشحنة النقطية على جميع تفاعلات المواد والأجسام المغناطيسية. لتفسير حالة معينة، حدد الجسم والقوى والاتجاهات أولاً، ثم اختر العلاقة المناسبة.