فیزیک یازدهممغناطیس

میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی و چگونگی ایجاد شفق قطبی

میدان مغناطیسی :

مبدا علم مغناطیس در دوران باستان است. این علم با مشاهده اینکه بعضی سنگهای طبیعی علاوه بر جذب یکدیگر، قطعات کوچک فلز آهن را نیز حذب می کند، ولی فلزات دیگر از قبیل طلا و نقره را جذب نمی کنند، شکل گرفت. واژه “مغناطیس” از نام ناحیه مگنسیا واقع در آسیای صغیر (نام امروزی این ناحیه مانیسا در غرب ترکیه است) گرفته شده است. این ناحیه یکی از محل هایی است که این سنگ ها در آن یافت می شوند.

ph11 s3 magnetic 00 میدان مغناطیسی

درست مانند دوران باستان، هنوز از براده آهن برای نشان دادن حضور آثار مغناطیسی استفاده می کنیم. شکل زیر توزیع براده های آهن را در حوالی یک آهنربای دائمی کوچک را نشان می دهد.

ph11 s3 magnetic 01 میدان مغناطیسی

فضای اطراف یک آهنربای دائمی یا یک رسانای حامل جریان را محل میدان مغناطیسی می نامیم، درست همانطور که فضای اطراف بار الکتریکی را محل میدان الکتریکی تعریف می کنیم.

هنگامی که یک آهنربای دائمی برای چندین بار و در یک جهت به یک سوزن کشیده شود، سوزن برای مدتی آهنربا می شود. اگر این سوزن را به آرامی روی سطح آب درون ظرفی شناور کنیم یا توسط ریسمانی از وسط ان را بیاویزیم که بتواند آزادانه بچرخد، یک سر آن تقریبا به سوی شمال جغرافیایی قرار می گیرد. این سر را قطب شمال یا قطب N و سر دیگر را قطب جنوب یا قطب S می نامیم. ممکن است مفهوم قطب های مغناطیسی به نظر، مشابه مفهوم بار های الکتریکی باشد و قطب های شمال و جنوب ، مشابه بارهای مثبت و منفی به نظر بیایند. ولی این مشابهت می تواند گمراه کننده باشد. بارهای مثبت و منفی مجزا وجود دارند، در حالی که تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد یا اگر هم وجود دارد تعداد انها به قدری کم است که نمی توان چنین مفهومی را تعریف کرد. قطب های مغناطیسی به صورت زوج ظاهر می شوند.

اگر یک آهنربا را به چند قطعه کوچتر تقسیم کنیم، هر یک از قطعات خود یک آهنرباست چون دارای قطب های مغناطیسی (شمال و جنوب) است. ماندد شکل زیر

ph11 s3 magnetic 02 میدان مغناطیسی

هنگامی که یک قطعه آهنی به آهنربا نزدیک می شود، خاصیت مغناطیسی در آن القا می شود و تبدیل به یک آهنربا می شود طوری که قطب سر نزدیک قطعه آهنی به آهنربا مخالف سر آهنربا می گردد و به همین دلیل القای مغناطیسی همواره نیروی جاذبه ایجاد می کند.

ph11 s3 magnetic 03 میدان مغناطیسیبه کمک عقربه مغناطیسی می توان جهت میدان مغناطیسی را در هر نقطه از فضای اطراف یک آهنربا تعیین کرد. بنا به تعریف، بردار میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضای پیرامون یک آهنربا در جهتی است که وقتی عقربه مغناطیسی در آن نقطه قرار می گیرد، قطب N عقربه، آن جهت را نشان می دهد. در شکل زیر با استفاده از عقربه مغناطیسی جهت میدان مغناطیسی در هر نقطه و در نتیجه خطوط میدان مغناطیسی رسم شده اند.

ph11 s3 magnetic 04 میدان مغناطیسی

این خطوط از آهنربا می گذرند و هر یک از آنها یک حلقه بسته را تشکیل می دهند. افزون بر اینها، خط های میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب ها به یکدیگر نزدیک ترند یعنی میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب ها قوی تر از جاهای دیگر است.

جهت میدان مغناطیسی در خارج از آهنربا از قطب N به قطب S است.

در شکل زیر خطوط میدان مغناطیسی را در اطراف آهنربا های نزدیک به هم مشاهده می کنید.

ph11 s3 magnetic 05 میدان مغناطیسی

می توانید با استفاده از براده های آهن و آهنربا خطوط میدان مغناطیسی را مشاهده کنید. در ویدیوی زیر خطوط میدان مغناطیسی به صورت سه بعدی توسط براده های آهن مشخص می شوند.

در ویدیوی زیر میدان مغناطیسی اطراف یک آهنربای میله ای و یک آهنربای نعلی شکل با استفاده از ابزار مخصوصی که در آن عقربه های مغناطیسی زیادی به کار رفته است که آزادانه می توانند تغییر جهت دهند، نمایش داده می شود.

میدان مغناطیسی زمین :

زمین مانند یک آهنربای بسیار بزرگ رفتار می کند و طرح خط های میدان مغناطیسی آن مانند طرح خط های آهنربای میله ای بزرگی است که در نزدیکی مرکز زمین قرار دارد و قطب شمال آن در نزدیکی قطب جنوب جغرافیایی زمین است. البته طرح شکل زیر ، طرح دقیقی از میدان مغناطیسی نیست. طرح دقیق تر را می توانید در شکل بالایی همین پست مشاهده کنید.

ph11 s3 magnetic 06 میدان مغناطیسی

شواهد زمین شناختی نشان می دهند که جهت این میدان در بازه های زمانی نا منظم از ده هزار تا یک میلیون سال به طور کامل واروون می شود. قطب های مغناطیسی زمین بر قطب های جغرافیایی آن منطبق نیستند. در واقع، قطب های مغناطیسی و جغرافیایی زمین فاصله نسبتا زیادی از یکدیگر دارند. مثلا قطب جنوب مغناطیسی تقریبا در فاصله ۱۸۰۰ کیلومتری قطب شمال جغرافیایی قرار دارد. این بدان معناست که عقربه مغناطیسی قطب نما در جهت شمال واقعی جغرافیایی قرار نمی گیرد و تا حدودی از شمال جغرافیایی انحراف دارد.

میدان مغناطیسی اطراف زمین مانند سپری از برخورد ذرات باردار ناشی از باد های خورشیدی از زمین محافظت می کند.

ph11 s3 magnetic 07 میدان مغناطیسیکه این سپر در دوره های زمانی نزدیک ۱۰ سال پدیده زیبایی را در اطراف قطب های زمین بوجود می آورد که به آن شفق قطبی گویند. انیمیشن زیر که توسط ناسا تهیه شده است، چگونگی ایجاد پدیده شفق قطبی را در باز ه زمانی گفته شده نشان می دهد.

در انیمیشن بالا مشاهده می کنید که در اثر باد های شدید خورشیدی و ذرات باردار و انرژی که به سمت زمین پرتاب می شوند، میدان مغناطیسی سمت روز کره زمین به تدریج مختل شده و این خطوط در سمت شب زمین به یکدیگر نزدیک می شوند. نزدیک شدن و رسیدن این خطوط به یکدیگر همانند فنر عمل کرده و انرژی زیادی را آزاد می کند که موجب پرتاب الکترون های نزدیک زمین با سرعت بسیار زیاد به سمت قطب های کره زمین می شود. در اثر برخورد الکترون ها به گازهای اکسیژن و نیتروژن موجود در قسمت های بالایی جو زمین، و اندرکنش آن ها فوتون هایی گسیل می شوند که شفق قطبی را ایجاد می کنند.

 

 

منبع
کتاب فیزیک یازدهمکتاب فیزیک هالیدیNasa
برچسب ها

کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

مطالب مشابه

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

بستن