میدان مغناطیسی

همانطوری که در اطراف یک بار الکتریکی، میدان الکتریکی وجود دارد، در اطراف یک آهنربا یا ذره با خاصیت مغناطیسی نیز میدان مغناطیسی وجود دارد.

مغناطیس در دوران باستان

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.

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.

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.

قطب های مغناطیسی

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

القای 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.

به 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.

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.

خطوط میدان مغناطیسی

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.

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.

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.

شفق قطبی

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

که 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.

ویدیو آموزشی میدان مغناطیسی

ویدیو آموزشی مباحث بالا تهیه شده توسط مصطفی کبیری را می توانید در زیر مشاهده کنید.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

---

---