تقرير عن المغناطيس أو المغنطيسية للصف السابع

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته ..

المغنطيس أو المغنطيسية قوة تعمل بين أجسام معينة تسمى مغانط ، ويسمى الواحد منها مغنطيسا. وكثيرا ما نفكر في المغنطيسات على أنها لعب تلتقط المسامير، أو القطع الأخرى المصنوعة من الحديد والفولاذ. ولكن المغنطيسية قوة مهمة في الطبيعة. والأرض نفسها تعمل وكأن مركزها يحتوي على مغنطيس كبير. ونجد حول الأرض مجالاً مغنطيسيا ، أي منطقة توجد فيها المغنطيسية. وتمتد المجالات المغنطيسية حول كل مغنطيس. وهناك مجالات مغنطيسية أقوى بملايين المرات من مجال ‏الأرض داخل كل ذرة.

ونحن نستخدم المغنطيس والمغنطيسية في كل يوم وبطرق شتى. فالمغانط الدقيقة، التي تكون في نعومة المسحوق، تستخدم في حفظ الصوره وفي حفظ البرامج والأصوات في الأشرطة والألعاب في قرص الحاسوب. والمغنطيس في أجهزة الهاتف والتلفاز والمذياع يساعد على تحويل النبضات الكهربية إلى صوت. والبوصلة المصنوعة من المغنطيس تساعد الملاحين على قيادة السفن في أمان. وبدون المغنطيسية لا يمكننا إنتاج طاقة كهربائية كبيرة.

يلتقط القضيب المغنطيسي الأجسام وتعلق به عند طرفيه أكثر مما يحدث في وسطه، ويسمى طرفا القضيب – حيث المغنطيسية في أقصى قوتها – قطبان. ولكل مغنطيس _ على الأقل – قطبان ، و اذا قطع المغنطيس عند المنتصف تظهر أقطاب جديدة عند النهايتين المقطوعتين. و اذا علقنا قضيبا مغنطيسيا بخيط مربوط عند المنتصف فسوف تشير إحدى النهايتين إلى الشمال والأخرى إلى الجنوب. و اذا أدرنا المغنطيس فإنه يرجع إلى وضعه السابق مرة أخرى. وتسمى الأقطاب باسم الجهة التي تشير إليها، فيشير القطبان الشمالي والجنوبي إلى الشمال والجنوب ، لأن قطبي المغنطيس الأرضي يجذبانهما. ويقع القطبان المغنطيسيان للأرض على مقربة من القطبين الشمالي والجنوبي الجغرافيين.

والقطبان في نهايتي قضيب المغنطيس يعملان ضد بعضهما. ونستطيع أن نرى كيفية عمل الأقطاب بالتجريب باستخدام قضيبين مغنطيسيين على منضدة. واذا اقترب القطب الشمالي لمغنطيس ما من القطب الشمالي لمغنطيس آخر فإن القطبين يتنافران، أي يدفع أحدهما الآخر. والأقطاب الجنوبية تتنافر أيضا. ولكن القطبين الشمالي والجنوبي يتجاذبان ويلتصقان. فالأقطاب المتشابهة تتنافر و الاقطاب المختلفة تتجاذب دائما.

صنع المغنطس واستخدامه

كيف يصنع المغنطيس . أكثر المغانط المعروفة قطع من الفلز تجذب بعض الانواع الأخرى من الفلزات. وتحتفظ هذه المغانط بمغنطيسيتها بصفة دائمة. وتصنع أكثر المغانط الدائمة من الفولاذ، أو خليط من الحديد والنيكل والكوبلت ومواد أخرى يقال عنها إنها صلبة مغنطيسياً لأنها تتمغنط فقط في المجالات القوية. ويمكن صنع المغنطيس الدائم بعدة طرق. فتحريك مغنطيس دائم عبر الفولاذ يسبب مغنطته. ومرور تيار كهربائي خلال ملف من السلك _ أيضا _ يسبب مغنطة الفولاذ. وطرق- أو قرع مادة مغنطيسية في مجال مغنطيسي يساعد على مغنطتها. وفي الواقع يمكن مغنطة المواد المغنطيسية قليلا بطرقها في المجال المغنطيسي الضعيف للأرض. وعندما يلتقط مغنطيس دائم شيئا مثل مسمار من الحديد، فإن المسمار يصبح مغنطيسا مؤقتا. فالمسمار يستطيع جذب قطع أخرى من الفلزات وكذلك ينجذب إلى او يبتعد عن قطبي أي مغنطيس آخر. لكن المسمار سوف يحتفظ بالمغنطيسية مادام موجودا بالقرب من المغنطيس الدائم فقط. فإذا أبعد المغنطيس الدائم فإن المسمار لا يعمل مغنطيسا. ويقال عن المواد مثل الحديد في المسمار إنها لينة مغنطيسيا لانه يمكن مغنطتها في مجالات ضعيفة.

تصنع بعض المغانط من فلزات معينة ، بعد أن تتحد هذه الفلزات مع عنصر الأكسجين. وهذه المغانط تعرف بالمغانط الخزفية أو الحديديات، وقد تكون صلبة أو لينة. وكثير من المواد المغنطيسية الشائعة خليط من المواد الصلبة ‏واللينة ، يمكن مغنطتها بسهولة وقد تحتفظ ببعض مغنطيسيتها الدائمة.
‏
ويعمل الملف من السلك مثل المغنطيس الدائم تماما عندما يسري خلاله تيار كهربائي. فتصبح إحدى نهايتي الملف قطبا شماليا ، وتصبح الأخرى قطبا جنوبيا للمغنطيس الكهربائي. ولكن إذا انعكس اتجاه التيار فإن الأقطاب تتبادل مواقعها، ويبقى المغنطيس الكهربائي ممغنطا طالما كانت الكهرباء تمر خلاله. وأحيانا توضع مادة لينة مغنطيسيا مثل الحديد داخل جوف الملف. فالحديد يجعل مجال المغنطيس الكهربائي أقوى.

كيفية استخدام المغانط مختلفة الأشكال. تصنع المغانط بأشكال متعدده ، وتكون أقطابها في مواضع مختلفة. ولكل من هذه المغانط استخدامات خاصة. وعلى سبيل المثال ، يستخدم القضيب المغنطيسي الدائم ، في البوصلة المغنطيسية. فالإبرة المغنطيسية قضيب مغنطيسي يتجه نحو القطب الشمالي المغنطيسي للأرض. ولبعض الأبواب قضبان مغنطيسية مثبتة بالقرب منها ، لكي تبقيها مغلقة. وتتألف المساحيق المغنطيسية المستخدمة في الأشرطة ‏والأقراص من قضبان مغنطيسية دقيقة. ويمكن لي قضيب مغنطيسي دائم ء لكي يصبح على هيئة حدوة الفرس ، مما يقرب قطبيه كلا نحو الآخر ويجعل المجال المغنطيسي بينهما أقوى. ويستخدم مغنطيس حدوة الفرس عند الحاجة إلى مجال مغنطيسي قوي في فراغ مغير. فالصمامات الإلكترونية في أجهزة الرادار تحتاج إلى مغانط حدوة فرس قوية ، لكي تؤدي عملها. وتستخدم مغانط حدوة الفرس – كذلك – في بعض المحركات الكهربائية الصغيرة.

أما المغانط الدائرية فهي تشبه الأنبوبة الحلقية الصغيرة وليست لها أقطاب، وبدلا من ذلك تدور المغنطيسية داخل المغنطيس في أحد الاتجاهين. وكانت أجهزة الحاسوب الأولى تستخدم عددا من المغانط الدائرية لتخزين الأعداد أو المعلومات الأخرى .

والمغانط المشكّلة على هيئة أقراص لها قطب حول الحافة والقطب الآخر في المركز. وتستخدم في مكبرات الصوت في المذياع والتلفاز. أما المغانط ذات الشكل الأسطواني الطويل فهي تشبه القضبان المغنطيسية المستديرة. وللمغنطيس الأسطواني استخدامات خاصة مثل تثبيت المواد المغنطيسية في مواضعها في آلة ما.
‏
ويستخدم المغنطيس الكهربائي في حالة عدم الحاجة إلى المغنطيسية في جميع الأوقات. على سبيل المثال، يلتقط المغنطيس الكهربائي في خطاف المرفاع خردة الحديد التي يراد تحميلها في عربات القطار عندما تسري الكهرباء في الملف. وعندما يتعلق الحديد فوق العربه تُوقف ‏الكهرباء فيسقط الحديد في داخل العربة. وللمغنطيس الكهربائي عدة استخدامات في المنازل والمصانع وفي البحوث العلمية. وليس بإمكاننا أن نوقفه ونشغله فقط ولكن مجاله المغنطيسي أيضا أقوى مز مجال المغنطيس الدائم.

وتحتوي أجراس الأبواب الكهربائية والمحركات الكهربائية التي تستخدم في التجهيزات المنزلية على مغانط كهربائية. وكذلك المحركات الكهربائية الأكبر التي تستخدم في المصانع بها مغانط كهربائية. وتستخدم المذبذبات المغنطيسية المسماة المذبذبات فوق الصوتية المغنطيس الكهربائي لتحدث ذبذبات من السرعة بحيث لا يمكن سماعها. وتستخدم مثل هذه الذبذبات لتنظيف الساعات والآلات الدقيقة ، ولقطع المواد الصلبة مثل السليكون والجرمانيوم ، بل بإمكانها غرز الأنابيب داخل الأرض. وقد استطاع العلماء صناعة المغنطيس الكهربائي فائق التوصيل لمساعدتهم في دراسة تأثير المجالات القوية على مواد مختلفة.

كيف يعمل المغنطيس

كيف تنشأ المغنطيسية. على الرغم من أن معظم المغانط الشائعة مصنوعة من مواد مغنطيسية ، إلا أن المغنطيسية يمكن إنتاجها بلا مواد مغنطيسية. فملف السلك يمكن أن يحدث مجالا مغنطيسيا تماما مثل المجال الناشئ حول المغنطيس الدائم ، ولكن الملف يمكن أن يكون مغنطيسا خلال فترة سريان التيار الكهربائي فقط. وقادت هذه الحقيقة إلى اكتشاف أن المغنطيسية تسببها الشحنات الكهربائية المتحركة. وقد وجد العلماء أن المغنطيس القضيبي يحتوي على تيار كهربائي متحرك كما هو الحال تماما في ملف المغنطيس الكهربائي ولكن التيار جزء دائم من قضيب المغنطيس.

ولكي نفهم كيفية وجود الكهربائية في المغنطيس القضيبي ، يجب علينا أن نعرف الجسيمات الدقيقة ، المسماة الذرات ، التي تؤلف كل الأشياء. تحتوي كل ذرة على أصل مركزي يسمى النواة ، وتتحرك حول النواة . مثل حركة الكواكب حول ال!..!!..!!..! . أجسام أصغر تسمى الإلكترونات. تحمل الإلكترونات شحنة كهربائية وتحدث حركتها تيارا كهربائيا وكما يحدث في حالة الملف السلكي، فإن التيار الكهربائي ينتج مجالا مغنطيسيا. وتدور الإلكترونات في معظم الذرات في الاتجاهات المختلفة فتلغي مجالاتها المغنطيسية بعضها الآخر. وفي ذرات العناصر المغنطيسية مثل الحديد والنيكل لا تلغي المجالات بعضها الآخر، وهذه الذرات المغنطيسية تسمى – ‏أحيانا – الثنائيات القطب الذرية. والفلزات التي تحتوي على عدد كبير من الثنائيات القطب الذرية، يمكنها أن تتمغنط ، وتسمى هذه الفلزات المغانط الحديدية ؛ لأن المغانط الذرية اكتشفت لأول مرة في الحديد.

ولكي نفهم كيف تصبح المواد الحديدية ممغنطة ، يمكننا أن ننظر لما يحدث لقطعة من الفولاذ تتحرك داخل مجال مغنطيسي. يحتوي الفولاذ على حزم صغيرة من الثنائيات القطب الذرية تسمى المناطق المغنطيسية التي تكون ممغنطة في الأصل. وتلغي هذه المناطق المغنطيسية بعضها الآخر بسبب أنها تأخذ اتجاهات مختلفة، ولذلك فإن الفولاذ ليس مغنطيسا. وبينما تزداد قوة المجال المغنطيسي حول الفولاذ، تكبر المناطق التي تكون في اتجاه المجال. وبينما تكبر المناطق التي في اتجاه المجال يصبح الفولاذ أقوى مغنطة حتى تكتمل مغنطته. فإذا عكس اتجاه المجال ، فإن المناطق تدور وتتجه في الاتجاه المعاكس، كما ينعكس قطبا المغنطيس الشمالي والجنوبي أيضا.

ويفقد الفولاذ مغنطيسيته إذا انزاحت المناطق عن ترتيبها. وتتزحزح المناطق مثلا إذا سخن الفولاذ أو طرق. و اذا لم يكن المغنطيس في مجال مغنطيسي، فإن المناطق قد تنزاح عن النظام بسبب التسخين أو الطرق. وهذا يفسر لنا لماذا يساعد تسخين أو طرق المواد على مغنطتها أو إزالة مغنطيسيتها سواء أكانت في مجال مغنطيسي أم لم تكن.
‏
والمواد المغنطيسية الحديدية يمكن أن تكون صلبة أو لينة مغنطيسيا بحسب سلوك ثنائياتها القطبية الذرية. فالثنائيات القطبية في المواد الصلبة تبدو كما لو كانت لاصقة. ويلزم مجال مغنطيسي قوي لتنظيمها ولكنها تظل متراصة بعد إزالة المجال.. أما في المواد اللينة فتبدو الثنائيات القطبية زلقة، وحتى في المجال الضعيف يمكن تنظيمها بصورة مؤقتة.

ومعظم المواد غير الحديدية لا تلتقط بوساطة المغانط العادية. ولا يمكن اكتشاف سلوكها حتى في مجال مغنطيسي قوي إلا بوساطة الأجهزة الحساسة. وبعض العناصر مثل الصوديوم والأكسجين لها ذرات مغنطيسية لا تشكل مناطق مغنطيسية. ويسمى العلماء هذه العناصر مواد مسايرة المغنطيسية. وهي تنجذب انجذابا طفيفا بوساطة المغانط القوية. أما المواد الأخرى مثل الزجاج والماء فتتحرك مبتعدة عن المجال المغنطيسي، وتسمى هذه المواد مواد مغايرة المغنطيسية.

طبيعة المجالات المغنطيسية. يمكن أن نفحص المجال المغنطيسي المحيط بمغنطيس باستخدام مغنطيس آخر مثل إبرة البوصلة. وبينما نحرك البوصلة حول المغنطيس تظل الإبرة باتجاه المجال. ويمكن أن يتصور المجال على أنه حزمة من خطوط وهمية متجهة في الاتجاه الذي تشير إليه ‏البوصلة. وهذه الخطوط الوهمية تسمى خطوط الفيض أو خطوط التدفق، وتتجه بانحناء من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي للمغنطيس. ويمكننا أن نعتبر خطوط الفيض حلقات مغلقة يدخل جزء منها في المغنطيس والجزء الآخر يكون المجال في خارج المغنطيس. ويكون المجال المغنطيسي أقوى ما يكون عند القطبين حيث تكون خطوط الفيض متقاربة. وهناك خطوط أقل بعدا عن الأقطاب مما يدل على أن المجال يصبح ضعيفا في تلك المناطق.

وبالإضافة إلى أن المجال المغنطيسي يبذل قوة على الأقطاب المغنطيسية فإنه أيضا يبذل قوة على الشحنة الكهربائية المتحركة. وتغير المجالات المغنطيسية اتجاه الشحنات المتحركة لأن القوة المبذولة عمودية على اتجاه الحركة. ومثل هذه الشحنات ربما تكون حزما من الإلكترونات في أنابيب الصورة التلفازية. وهذه الإلكترونات تحركها المغانط الكهربائية حتى تصل شاشة التلفاز فتكون الصورة.

قياس المجال المغنطيسي. تقاس شدة المجال المغنطيسي عادة بوحدات الجاوس ، ويستخدم الفيزيائيون أيضا وحدة النظام الدولي وهي تسلا . و التسلا تساوي 10.000 جاوس . والمجال المغنطيسي للأرض على السطح مقداره حوالي نصف جا وس. أما المجال قرب الأقطاب لمغنطيس حدوة الفرس في لعبة أطفال فيحتمل أن يكون عدة مئات من الجاوسات. وأقوى مغنطيس دائم يمكن أن ينتج مجالاً قوته نحو 5.000 جاوس . بينما المغنطيس الكهربائي الذي يوجد في جوفه حديد لين يمكن أن ينتج مجالا بحد أقصى مقداره 30.000 ‏جاوس. وتنتج مجالات مغنطيسية بقوة أكثر من650.000 ‏جاوس بوساطة مغانط كهربائية نبضية (تشغل للحظة فقط).

دراسة المغنطيسية

الاكتشافات المبكرة. عرف الناس المغانط على الأقل منذ عهود التاريخ القديم. ولكنهم لم يعرفوا كثيرا عن كيفية عمل المغنطيس أو كيفية استخدامه إلا منذ بضع مئات من السنين. وأول مغانط عرفت كانت صخورا سوداء صلبة تسمى الحجارة المغنطيسية. ولا أحد يعرف متى ومن اكتشف هذه الصخور ولكن قدماء اليونان عرفوا قدرة الحجر المغنطيسي على جذب الحديد.

وخلال العصور الوسطى، كان كثير من الناس يعتقدون أن للحجر المغنطيسي قدرات طبية. واكتشف خلال هذه الفترة أن الحجر المغنطيسي يشير إلى الشمال. وفي سنة 1269 م ، رسم العالم الفرنسي بترو بريجينو دي ماريكور خطوط القوي للحجر المغنطيسي واكتشف قطبيه. وفي عام 1600 م، اكتشف الطبيب والفيزيائي البريطاني وليم جيلبرت المغنطيسية الأرضية وكذلك فسر عمل بوصلة الحجر المغنطيسي.
‏
وجاء التقدم الحقيقي في فهم المغنطيسية بعد اكتشاف العلاقة بين الكهرباء والمغنطيسية. فقد وجد الدنماركي هانز كريستيان أورستد عام 1820 م، أن التيار الكهربائي يحرك إبرة البوصلة، وتوصل إلى الصلة بين الكهرباء والمغنطيسية. ثم اكتشف الفيزيائي البريطاني مايكل فارادي والفيزيائي الامريكي جوزيف هنري،كلا بمفرده، أن تحريك مغنطيس بالقرب من حلقة سلك مغلقة ينتج تيارا كهربائيا. وعبر عالم بريطاني آخر هو جيس كلارك ماكسويل عن العلاقة بين الكهربائية والمغنطيسية بنظرية رياضية. أما أول من فسر الخواص المغنطيسية للمواد فهو العالم الفرنسي أندريه أمبير؛ الذي أدرك أن عددا كبيرا من التيارات الكهربائية الصغيرة في المواد ذات المغنطيسية الدائمة يحدث تماما نفس التأثير لتيار كهربائي كبير يسري حول المغنطيس الكهربائي. وتم صنع أول مغنطيس كهربائي عام 1825 م بوساطة الكهربائى الإنجليزي وليم سترجون.

الأبحاث الحالية. المغنطيسية وسيلة مهمة للبحوث لأنها تستطيع أن تخترق المادة وتتفاعل مع نوى الذرات والكتروناتها. وينتج العلماء مجالات مغنطيسية قوية لجعل الإلكترونات في اشباه الموصلات تنتج الأشعة تحت الحمراء. ويستخدم علماء الفيزياء النووية المجالات المغنطيسية التي تنتجها مغانط كهربائية فاثقة التوصيل لتغيير اتجاه الجسيمات ذات الطاقة العالية في أجهزة تسمى معجلات الجسيمات. ويدرس الباحثون الطبيون المجالات المغنطيسية الضعيفة التي ينتجها جسم الإنسان نفسه. فمثلا يدرس الباحثون المجالات المغنطيسية التي تنشأ في الدماغ وذلك لتحديد وظائف الدماغ و اختلالاتها. والمغنطيسية نفسها موضوع كثير من البحوث الجارية ء إذ لا تزال أسرارها بعيدة عن الحل. فمثلا لا يعرف العلماء ماذا تنتج التيارات الكهربائية الضخمة في أعماق الأرض التي يبدو أنها مسؤولة عن المجال المغنطيسي الأرضي. وأعمق الأسرار جميعها هو السؤال: لِم لم يجد أحد أبدا قطبا مغنطيسيا منفردا ؟ ويبحث بعض رواد الفيزياء في العالم عن مثل هذا القطب الأحادي.

م/ن