أهداف التعلم

• أن يعرّف الطالب المغناطيس وقطبيه الشمالي والجنوبي.
• أن يستنتج الطالب قانون التجاذب والتنافر بين أقطاب المغناطيس.
• أن يوضّح الطالب مفهوم المجال المغناطيسي وكيفية تمثيله بخطوط المجال.
• أن يميّز الطالب بين المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية.
• أن يوضّح الطالب فكرة المغناطيسية الأرضية ومبدأ عمل البوصلة.

شرح الدرس

المغناطيس وقطباه

المغناطيس جسم له القدرة على جذب بعض المواد الفلزية (كالحديد والنيكل والكوبالت) وله قطبان لا يمكن فصلهما عن بعضهما: القطب الشمالي والقطب الجنوبي. وتتركز قوة الجذب المغناطيسي عند القطبين بشكل أكبر مقارنة بمنتصف المغناطيس. وإذا قُطِع المغناطيس إلى نصفين، فإن كل نصف يتكوّن منه مغناطيس جديد كامل له قطبان شمالي وجنوبي، ولا يمكن الحصول على قطب مغناطيسي منفرد مهما صغر حجم القطعة.

قانون التجاذب والتنافر بين الأقطاب المغناطيسية

تخضع الأقطاب المغناطيسية لقانون مشابه لقانون الشحنات الكهربية: الأقطاب المتشابهة تتنافر، والأقطاب المختلفة تتجاذب. فإذا قُرِّب قطبان شماليان (أو قطبان جنوبيان) من بعضهما، تنشأ بينهما قوة تنافر. أما إذا قُرِّب قطب شمالي من قطب جنوبي، تنشأ بينهما قوة تجاذب.

المجال المغناطيسي

المجال المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بالمغناطيس والتي تظهر فيها قوته المؤثرة على المواد المغناطيسية أو على مغناطيس آخر. ويمكن تمثيل المجال المغناطيسي بصريًا باستخدام خطوط المجال المغناطيسي، وهي خطوط وهمية تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وتدخل إلى القطب الجنوبي من خارج المغناطيس (وتكون كثافة الخطوط أكبر عند الأقطاب حيث تكون قوة المجال أكبر). ويمكن رؤية أثر هذه الخطوط عمليًا برش برادة الحديد حول مغناطيس على ورقة، حيث تصطف حبيبات البرادة على شكل يتبع مسار خطوط المجال.

المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية

تختلف المواد في استجابتها لتأثير المغناطيس:

• المواد المغناطيسية: تتأثر بالمغناطيس وتنجذب إليه بقوة ملحوظة، مثل الحديد والنيكل والكوبالت وبعض سبائكها (الفولاذ مثلًا).
• المواد غير المغناطيسية: لا تتأثر عمليًا بالمغناطيس ولا تنجذب إليه، مثل الألومنيوم والنحاس والخشب والبلاستيك والزجاج، رغم أن بعضها (كالألومنيوم) فلز موصل جيد للكهرباء.

المغناطيسية الأرضية والبوصلة

تتصرف الكرة الأرضية نفسها وكأنها مغناطيس عملاق له قطبان مغناطيسيان يقعان بالقرب من القطبين الجغرافيين (الشمالي والجنوبي)، وتُسمى هذه الظاهرة المغناطيسية الأرضية. وتعتمد البوصلة في عملها على هذا المجال المغناطيسي الأرضي؛ فهي عبارة عن إبرة مغناطيسية صغيرة محررة الحركة، تدور بحرية حتى يستقر قطبها الشمالي مشيرًا تقريبًا نحو الشمال الجغرافي للأرض (لأن القطب المغناطيسي الأرضي القريب من الشمال الجغرافي يتصرف فعليًا كقطب جنوبي مغناطيسي يجذب القطب الشمالي للإبرة). ولهذا استُخدمت البوصلة تاريخيًا كأداة أساسية في الملاحة البحرية والبرية لتحديد الاتجاهات.

المغناطيس الكهربي (إثرائي)

بالإضافة إلى المغناطيس الدائم (الطبيعي)، يمكن الحصول على مجال مغناطيسي مؤقت بلف سلك موصل يحمل تيارًا كهربيًا حول قلب من الحديد، وتُسمى هذه الأداة المغناطيس الكهربي. وتتميز المغناطيسات الكهربية بأن قوتها يمكن التحكم فيها بالتحكم في شدة التيار المار، ويمكن إيقاف مغناطيسيتها تمامًا بقطع التيار الكهربي، ولذلك تُستخدم في تطبيقات مهمة مثل الرافعات الصناعية لنقل الخردة المعدنية، والأجراس الكهربية، والمحركات الكهربية.

مقارنة بين المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربي

أسئلة للتدريب

• ماذا يحدث إذا قُرِّب قطبان شماليان من مغناطيسين من بعضهما؟ ولماذا؟
• عرّف المجال المغناطيسي، وكيف يمكن تمثيله عمليًا؟
• اذكر مثالين لمواد مغناطيسية ومثالين لمواد غير مغناطيسية.
• كيف تساعد المغناطيسية الأرضية إبرة البوصلة على تحديد اتجاه الشمال؟
• ما مميزات المغناطيس الكهربي مقارنة بالمغناطيس الدائم؟