المغناطيس هو حجر لخام الحديد الممغنط، وهو مكون أساسي من مكونات الصخور النارية، ويعتبر من المعادن واسعة الانتشار في الطبيعة. وعرف هذا الحجر منذ القدم؛ نظرا لما يتميز به من قوة مغناطيسية، وهي القوة التي يؤثر بها المغناطيس على ذرات مواد معينة، وبالتالي يؤدي إلى انجذابها أو تنافرها، ومن المواد التي تتأثثر بالمغناطيس معدن الحديد .
تكونت حجارة المغناطيس في ظروف غير معروفة علميا ، لكن العلماء اعتقدوا أنها قد تكونت من أكاسيد الحديد الأسود والماغمايت؛ حيث إن مقاومة هذه الحجارة تجعلها ممغنطة بشكل دائم، ومن نظرياتهم أيضاً أن حجارة المغناطيس قد حصلت على قوتها المغناطيسية من المجال المغناطيسي القوي للصواعق؛ وهذا ما يؤكد على فكرة أن حجارة المغناطيس موجودة على سطح الأرض وليس في باطنها، ويوجد في الطبيعة مركبان على شكل حجارة ذات مغناطيسية طبيعية، وهما: أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4)، والبيروتيت .
تاريخ اكتشاف المغناطيس
لا يعتبر اكتشاف المغناطيس حديث النشأة، بينما يعود إلى العصور القديمة؛ حيث تمكنت الحضارات اليونانية والصينية وشعوب الأولمك التي عاشت في العصور القديمة من اكتشافه واستخدامه؛ فقدر العالم الأمريكي جون كارلسون أن شعوب الأولمك -التي عاشت قبل 1000 سنة قبل الميلاد في أمريكا الجنوبية– قد استخدمت المغناطيس في تحديد الاتجاهات وبناء المعابد، أما العالم الذي قام بتعريف قوة جذب المغناطيس للحديد فهو العالم اليوناني ” طاليس مليتوس ” الذي عاش في القرن السادس قبل الميلاد، بعدها أطلق اليونانيون على هذا الحجر اسم الحجر العجيب، كما عرفت الحضارة الصينية المغناطيس في القرن الرابع قبل الميلاد ، وتم ذكرته في كتاب قائد وادي الشياطين، حيث استخدمه الصينيون في الملاحة البحرية خلال العصور الوسطى .
المغناطيس عند العرب
جاء في كتاب الجماهر في معرفة الجواهر للبيروني شرحا مفصلا حول المغناطيس، وذكر ما بينه وبين العنبر من صفات مشتركة ، وتعتبر قوة الجذب هي الميزة المشتركة الكبرى بينهما، لكن المغناطيس ذو قوة جذب أكبر، وذكر البيروني أن الأُمم السابقة قد اعتمدت على الحديد في صنع السفن والإبحار بها، لكن الصينيين قاموا بصنعها من الألواح الخشبية المصنوعة من خشب الزيتون؛ وذلك لتفادي جذب هذه السفن إلى قاع مياه بحر الصين؛ حيث وجد في قيعانها الحجر المغناطيسي .
تسمية المغناطيس
هناك روايتان حول سبب تسمية المغناطيس بهذا الاسم: الأولى تعود لمنطقة في آسيا الصغرى بالقرب من تركيا والتي تسمى مغنيسيا؛ وجد فيها حجارة مغناطيسية لأول مرة ، أما الثانية هي لراعي أغنام يدعى ماغنس؛ لاحظ انجذاب عصاه المعدنية لحجارة محددة ، وانجذاب المسامير الموجودة في حذائه بشدة تجاه الصخور السوداء أيضا ، وقد أطلق على هذه الصخور المغنتيت؛ نسبة إلى هذا الراعي الذي اكتشفها .
أنواع المغناطيس
يتم تصنيف المغناطيس إلى ثلاثة أنواع، وهي
المغناطيس الدائم : تتولد في هذا المغناطيس مجالات جذب دون الحاجة لأي مصدر خارجي، أو قوة أخرى ، أو تيار كهربائي؛ فهو مغناطيسي طبيعيا ، وتختلف أنواع المواد التي يتشكل منها المغناطيس الدائم، ولكل نوع منها خصائص مميزة وقوة جذب مختلفة عن الأنواع الأخرى.
المغناطيس المؤثت : هو مادة غير مغناطيسية، تصبح مثل المغناطيس عندما تتأثر بمجال مغناطيسي خارجي، و لكن تفقد هذه الخاصية بمجرد زوال تأثير هذا المجال.
المغناطيس الكهربائي: في هذا النوع يحول الحديد إلى مغناطيس؛ عن طريق لفه بسلك موصل ومعزول، ثم يتم تمرير التيار الكهربائي خلال هذا السلك.
خصائص المغناطيس
حدد علماء الفيزياء على خصائص ومصطلحات عامة للمغناطيس، ومنها
المغناطيسية : تعرف المغناطيسية بأنها متجهة، ويمكن إيجاد قوتها وقيمتها بالاعتماد على قيمة العزم المغناطيسي.
المجال المغناطيسي: يطلق عليه أيضا الحقل المغناطيسي والحث المغناطيسي، وهو عبارة عن القوة المغناطيسية التي تتولد في المجال الذي يحيط بالمغناطيس، ويمكن عمل تجربة للكشف عن المجال المغناطيسي وتوزعه، وذلك بوضع قضيب مغناطيسي على ورقة، والقيام بنثر مادة برادة الحديد عليها، فتترتب البرادة في خطوط المجال الدائرية المتجهة من الشمال نحو الجنوب، بينما تتعاكس خطوط المجال المغناطيسي الداخلية مع الخارجية؛ حيث تتجه من الجنوب نحو الشمال داخل المغناطيس.
الأقطاب: يتشكل المغناطيس بصرف النظر عن طوله أو حجمه من قطبين: شمالي، وجنوبي، ونلاحظ وجود الرمزين (N,S) على طرفي القضيب المغناطيسي؛ تدل على الشمال North ، والجنوب South ، و اللون الأحمر للمغناطيس يدل على القطب الشمالي عادة ، أما الأزرق فهو القطب الجنوبي، و هذه الأقطاب تتميز بأنها تتجاذب في حال اختلافها؛ بمعنى أن القطب الشمالي لمغناطيس ما ينجذب نحو القطب الجنوبي لمغناطيس آخر، أما في حالة تشابه هذه الأقطاب فإنها تتنافر .
الحركة الأفقية: يتميز المغناطيس بتحركه أفقيا باتجاه الشمال المغناطيسي عند وضعه بشكل حر ؛ فعند تعليقه من المنتصف عند مركز ثقله، يبدأ بالحركة جنوباً وشمالا، ويبقى متحرك حتى يصبح محوره متوازي مع خط الزوال المغناطيسي للكرة الأرضية؛ فيصبح قطباه في هذه الحالة باتجاه الشمال والجنوب المغناطيسيين.
قوة جذب المغناطيس : يعتبر طرفا المغناطيس هما الأقوى جذبا بمقارنة باقي أجزائه؛ حيث يتكون المغناطيس من محور المغناطيس، وهو عبارة عن الخط الذي يصل بين قطبي المغناطيس، وتسمى هذه المسافة اسم الطول الفعال للمغناطيس، ويرمز له بـ (2L)، أما البعد الفاصل بين طرفي المغناطيس فيعرف الطول الطبيعي للمغناطيس، وتتميز المنطقة التي تتوسط المغناطيس بضعف قدرتها على الجذب، ويطلق عليها المنطقة الحيادية.
تساوي قوتي قطبي المغناطيس : تكون قوتا جذب القطبين الشمالي والجنوبي المغناطيسين متساويتين؛ حيث لا يوجد أي اختلاف بينهما إطلاقاً.
استخدامات المغناطيس
تتعدد استخدامات المغناطيس في الصناعات الحديثة، ومنها ما يأتي
– المجال الطبي: حيث يعتبر جهاز الرنين المغناطيسي من أهم الأجهزة المغناطيسية المستخدمة في المجالات الطبية، ويعتبرمن أكثر الابتكارات التي ساعدت على تقدم رؤية الأعضاء الداخلية للجسم أكثر من الأشعة السينية؛ لتشخيص حالة المريض الطبيّة.
– الأجهزة الإلكترونية: المغناطيس يستخدم في صناعة مكبرات الصوت الكهربائية، والميكروفونات وأجهزة قراءة أشرطة الفيديو.
– رفع أثقال حديدية أو فولاذية ثقيلة، مثل: مناطق ردم النفايات، والخردوات، وغيرها.
– صناعة المحركات الكهربائية، والأجراس الكهربائية، والدينامو، والملفات اللولبية، ومعجلات الجسيمات.
– تثبيت هياكل القطارات المغناطيسية: يعتبر هذا أحد التطبيقات الهائلة في علم الفيزياء؛ حيث إن التيار الكهربائي والمغناطيس هما المحرِكان الأساسيان له؛ فيعتمد على مواد ذات قدرة عالية على توصيل التيار الكهربائي؛ للتحكم بالقطار بعمليات الجذب والتنافر الناشئة من القوة المغناطيسية، وقد تصل سرعة هذه القطارات إلى 431كم/الساعة.
تكونت حجارة المغناطيس في ظروف غير معروفة علميا ، لكن العلماء اعتقدوا أنها قد تكونت من أكاسيد الحديد الأسود والماغمايت؛ حيث إن مقاومة هذه الحجارة تجعلها ممغنطة بشكل دائم، ومن نظرياتهم أيضاً أن حجارة المغناطيس قد حصلت على قوتها المغناطيسية من المجال المغناطيسي القوي للصواعق؛ وهذا ما يؤكد على فكرة أن حجارة المغناطيس موجودة على سطح الأرض وليس في باطنها، ويوجد في الطبيعة مركبان على شكل حجارة ذات مغناطيسية طبيعية، وهما: أكسيد الحديد الأسود (Fe3O4)، والبيروتيت .
تاريخ اكتشاف المغناطيس
لا يعتبر اكتشاف المغناطيس حديث النشأة، بينما يعود إلى العصور القديمة؛ حيث تمكنت الحضارات اليونانية والصينية وشعوب الأولمك التي عاشت في العصور القديمة من اكتشافه واستخدامه؛ فقدر العالم الأمريكي جون كارلسون أن شعوب الأولمك -التي عاشت قبل 1000 سنة قبل الميلاد في أمريكا الجنوبية– قد استخدمت المغناطيس في تحديد الاتجاهات وبناء المعابد، أما العالم الذي قام بتعريف قوة جذب المغناطيس للحديد فهو العالم اليوناني ” طاليس مليتوس ” الذي عاش في القرن السادس قبل الميلاد، بعدها أطلق اليونانيون على هذا الحجر اسم الحجر العجيب، كما عرفت الحضارة الصينية المغناطيس في القرن الرابع قبل الميلاد ، وتم ذكرته في كتاب قائد وادي الشياطين، حيث استخدمه الصينيون في الملاحة البحرية خلال العصور الوسطى .
المغناطيس عند العرب
جاء في كتاب الجماهر في معرفة الجواهر للبيروني شرحا مفصلا حول المغناطيس، وذكر ما بينه وبين العنبر من صفات مشتركة ، وتعتبر قوة الجذب هي الميزة المشتركة الكبرى بينهما، لكن المغناطيس ذو قوة جذب أكبر، وذكر البيروني أن الأُمم السابقة قد اعتمدت على الحديد في صنع السفن والإبحار بها، لكن الصينيين قاموا بصنعها من الألواح الخشبية المصنوعة من خشب الزيتون؛ وذلك لتفادي جذب هذه السفن إلى قاع مياه بحر الصين؛ حيث وجد في قيعانها الحجر المغناطيسي .
تسمية المغناطيس
هناك روايتان حول سبب تسمية المغناطيس بهذا الاسم: الأولى تعود لمنطقة في آسيا الصغرى بالقرب من تركيا والتي تسمى مغنيسيا؛ وجد فيها حجارة مغناطيسية لأول مرة ، أما الثانية هي لراعي أغنام يدعى ماغنس؛ لاحظ انجذاب عصاه المعدنية لحجارة محددة ، وانجذاب المسامير الموجودة في حذائه بشدة تجاه الصخور السوداء أيضا ، وقد أطلق على هذه الصخور المغنتيت؛ نسبة إلى هذا الراعي الذي اكتشفها .
أنواع المغناطيس
يتم تصنيف المغناطيس إلى ثلاثة أنواع، وهي
المغناطيس الدائم : تتولد في هذا المغناطيس مجالات جذب دون الحاجة لأي مصدر خارجي، أو قوة أخرى ، أو تيار كهربائي؛ فهو مغناطيسي طبيعيا ، وتختلف أنواع المواد التي يتشكل منها المغناطيس الدائم، ولكل نوع منها خصائص مميزة وقوة جذب مختلفة عن الأنواع الأخرى.
المغناطيس المؤثت : هو مادة غير مغناطيسية، تصبح مثل المغناطيس عندما تتأثر بمجال مغناطيسي خارجي، و لكن تفقد هذه الخاصية بمجرد زوال تأثير هذا المجال.
المغناطيس الكهربائي: في هذا النوع يحول الحديد إلى مغناطيس؛ عن طريق لفه بسلك موصل ومعزول، ثم يتم تمرير التيار الكهربائي خلال هذا السلك.
خصائص المغناطيس
حدد علماء الفيزياء على خصائص ومصطلحات عامة للمغناطيس، ومنها
المغناطيسية : تعرف المغناطيسية بأنها متجهة، ويمكن إيجاد قوتها وقيمتها بالاعتماد على قيمة العزم المغناطيسي.
المجال المغناطيسي: يطلق عليه أيضا الحقل المغناطيسي والحث المغناطيسي، وهو عبارة عن القوة المغناطيسية التي تتولد في المجال الذي يحيط بالمغناطيس، ويمكن عمل تجربة للكشف عن المجال المغناطيسي وتوزعه، وذلك بوضع قضيب مغناطيسي على ورقة، والقيام بنثر مادة برادة الحديد عليها، فتترتب البرادة في خطوط المجال الدائرية المتجهة من الشمال نحو الجنوب، بينما تتعاكس خطوط المجال المغناطيسي الداخلية مع الخارجية؛ حيث تتجه من الجنوب نحو الشمال داخل المغناطيس.
الأقطاب: يتشكل المغناطيس بصرف النظر عن طوله أو حجمه من قطبين: شمالي، وجنوبي، ونلاحظ وجود الرمزين (N,S) على طرفي القضيب المغناطيسي؛ تدل على الشمال North ، والجنوب South ، و اللون الأحمر للمغناطيس يدل على القطب الشمالي عادة ، أما الأزرق فهو القطب الجنوبي، و هذه الأقطاب تتميز بأنها تتجاذب في حال اختلافها؛ بمعنى أن القطب الشمالي لمغناطيس ما ينجذب نحو القطب الجنوبي لمغناطيس آخر، أما في حالة تشابه هذه الأقطاب فإنها تتنافر .
الحركة الأفقية: يتميز المغناطيس بتحركه أفقيا باتجاه الشمال المغناطيسي عند وضعه بشكل حر ؛ فعند تعليقه من المنتصف عند مركز ثقله، يبدأ بالحركة جنوباً وشمالا، ويبقى متحرك حتى يصبح محوره متوازي مع خط الزوال المغناطيسي للكرة الأرضية؛ فيصبح قطباه في هذه الحالة باتجاه الشمال والجنوب المغناطيسيين.
قوة جذب المغناطيس : يعتبر طرفا المغناطيس هما الأقوى جذبا بمقارنة باقي أجزائه؛ حيث يتكون المغناطيس من محور المغناطيس، وهو عبارة عن الخط الذي يصل بين قطبي المغناطيس، وتسمى هذه المسافة اسم الطول الفعال للمغناطيس، ويرمز له بـ (2L)، أما البعد الفاصل بين طرفي المغناطيس فيعرف الطول الطبيعي للمغناطيس، وتتميز المنطقة التي تتوسط المغناطيس بضعف قدرتها على الجذب، ويطلق عليها المنطقة الحيادية.
تساوي قوتي قطبي المغناطيس : تكون قوتا جذب القطبين الشمالي والجنوبي المغناطيسين متساويتين؛ حيث لا يوجد أي اختلاف بينهما إطلاقاً.
استخدامات المغناطيس
تتعدد استخدامات المغناطيس في الصناعات الحديثة، ومنها ما يأتي
– المجال الطبي: حيث يعتبر جهاز الرنين المغناطيسي من أهم الأجهزة المغناطيسية المستخدمة في المجالات الطبية، ويعتبرمن أكثر الابتكارات التي ساعدت على تقدم رؤية الأعضاء الداخلية للجسم أكثر من الأشعة السينية؛ لتشخيص حالة المريض الطبيّة.
– الأجهزة الإلكترونية: المغناطيس يستخدم في صناعة مكبرات الصوت الكهربائية، والميكروفونات وأجهزة قراءة أشرطة الفيديو.
– رفع أثقال حديدية أو فولاذية ثقيلة، مثل: مناطق ردم النفايات، والخردوات، وغيرها.
– صناعة المحركات الكهربائية، والأجراس الكهربائية، والدينامو، والملفات اللولبية، ومعجلات الجسيمات.
– تثبيت هياكل القطارات المغناطيسية: يعتبر هذا أحد التطبيقات الهائلة في علم الفيزياء؛ حيث إن التيار الكهربائي والمغناطيس هما المحرِكان الأساسيان له؛ فيعتمد على مواد ذات قدرة عالية على توصيل التيار الكهربائي؛ للتحكم بالقطار بعمليات الجذب والتنافر الناشئة من القوة المغناطيسية، وقد تصل سرعة هذه القطارات إلى 431كم/الساعة.
