تخطَّ إلى المحتوى
EN
علوم

المغناطيسية

ظاهرة المغناطيسية — الأقطاب والمجالات، والمغناطيسية الحديدية، والمجال المغناطيسي للأرض، والتاريخ من جيلبرت (Gilbert) وأورستد (Ørsted) إلى فاراداي (Faraday) وماكسويل (Maxwell) وتقنية المغانط الحديثة.

المغناطيسية قوة جذب وتنافر ترتبط بالمغانط والشحنات الكهربائية المتحركة، وتنشأ عن لفّات الإلكترونات والتيارات الكهربائية، وتوصف بمجالات مغناطيسية تمتد من القطب الشمالي إلى القطب الجنوبي. وصف كتاب «De Magnete» لوليام جيلبرت (William Gilbert) الصادر عام 1600 الأرض بأنها كيان مغناطيسي؛ وقد ربط اكتشاف أورستد (Ørsted) عام 1820، وهو أن التيارات تحرّف إبر البوصلات، الكهرباء بالمغناطيسية، ثم أكمل الحثُّ الذي كشف عنه فاراداي (Faraday) ومعادلاتُ ماكسويل (Maxwell) النظريةَ، في حين يفسّر لفّ الإلكترون المغناطيسية الحديدية في الحديد والكوبالت والنيكل. ويولّد مجال الأرض الغلاف المغناطيسي الذي يحمي الكوكب من الجسيمات الشمسية ويقود الشفق القطبي، بينما تمكّن المغانط الكهربائية والمواد المغناطيسية المحركات والمولّدات والتصوير بالرنين المغناطيسي وتخزين البيانات المغناطيسية.

سائل مغناطيسي أسود تتشكل فيه قمم مدببة بفعل مغناطيس أسفله.
سائل مغناطيسي (فيروفلويد) يشكّل قمماً مدببة بفعل مغناطيس موضوع تحت السائل. · ChemGeeks · CC BY-SA 2.0
وحدة المجالالتسلا (T) لكثافة التدفق المغناطيسي؛ ويمكن استخدام الغاوس (G) أيضًا، حيث 1 غاوس = 100 ميكروتسلا
مغناطيس الثلاجةنحو 10,000 ميكروتسلا (100 غاوس)
في هذا المقال
  1. 1وحدات القياس والمقادير
  2. 2الأساس الفيزيائي للمغناطيسية
  3. 3المواد الحديدية المغناطيسية ودرجة حرارة كوري
  4. 4الكهرومغناطيسية: من أورستد إلى ماكسويل
    1. من المغناطيسية إلى الكهرومغناطيسية
    2. محطات في مسار الكهرومغناطيسية
  5. 5المغانط الكهربائية والتطبيقات
  6. 6المجال المغناطيسي للأرض والغلاف المغناطيسي
  7. 7الشفق القطبي
  8. 8البوصلة والملاحة
  9. 9التاريخ المبكر والدراسات الكلاسيكية
  10. 10مساهمات غاوس وفيبر في المغناطيسية الأرضية
  11. 11مساهمات أمبير وفاراداي
  12. 12توحيد ماكسويل
  13. 13الرصد الجيومغناطيسي والمخاطر
  14. 14خط زمني: من حجر المغناطيس إلى العصر المغناطيسي
  15. 15الرسم البياني للمعرفة

وحدات القياس والمقادير

تتفاوت شدة المجالات المغناطيسية في التطبيقات العملية تفاوتًا هائلًا. فمغناطيس الثلاجة القوي يولّد مجالًا يبلغ نحو 10,000 ميكروتسلا، أي ما يعادل 100 غاوس 1Earth's magnetic field · Wikipedia ↗.

المقدارالقيمةالمصدر
وحدة كثافة التدفق المغناطيسيالتسلا (T)، ويمكن استخدام الغاوس (G) حيث 1 غاوس = 100 ميكروتسلا1
مغناطيس الثلاجةنحو 10,000 ميكروتسلا (100 غاوس)1
مجال ثنائيات القطب في مصادم الهادرونات الكبير8.3 تسلا، أي أكثر من 100,000 ضعف من المجال المغناطيسي الأرضي2Pulling together: Superconducting electromagnets · CERN ↗
تيار مغانط مصادم الهادرونات الكبير11,080 أمبير عبر ملف فائق التوصيل2
مقادير مختارة للمجال المغناطيسي ووحدات قياسه

ويبلغ أقوى مجال لمغناطيس دائم نحو 8,000 غاوس، بينما تصل أقوى المغانط في مختبر المغانط إلى 450,000 غاوس، أي أقوى بنحو خمسين ضعفًا من حدّ المغانط الدائمة 3Permanent Magnet Definition · National High Magnetic Field Laboratory (NSF) ↗.

1. الأساس الفيزيائي للمغناطيسية

ويُسمى B أحيانًا كثافة التدفق المغناطيسي أو الحث المغناطيسي، وتُسمى الكمية M في هذه العلاقات مغنطة المادة 4Magnetic Field Strength H · HyperPhysics, Georgia State University ↗. ويرتبط B بالحقل H وفق العلاقة B = μ H حيث μ هو حاصل ضرب النفاذية النسبية ونفاذية الفراغ المغناطيسية 4.

2. المواد الحديدية المغناطيسية ودرجة حرارة كوري

تستجيب المواد الحديدية المغناطيسية للمغانط استجابةً قوية، ويمكن أن تُمغنَط هي نفسها، سواء أكانت ممغنطة بالتحريض أم مصنوعة في صورة مغانط دائمة 522.2 Ferromagnets and Electromagnets · OpenStax College Physics ↗. ومن أبرز ما يُصنع منها مغانط دائمة قوية سبائك العناصر الأرضية النادرة، وأشهرها النيوديميوم 5.

توجد للمواد الحديدية المغناطيسية درجة حرارة محدّدة بدقة تُسمى درجة حرارة كوري، وفوقها تُخلّ الحركة الحرارية بالمجالات فلا يمكن مغنطة المادة 5. وعند التبريد تعود هذه المواد حديدية مغناطيسية 6Ferromagnetism | Definition, Causes, Examples, Uses, & Facts · Encyclopaedia Britannica ↗.

برادة حديد تشكّل نمطاً منحنياً بين قطبي مغناطيس على شكل حدوة فرس.
برادة حديد على ورقة فوق مغناطيس على شكل حدوة فرس ترسم خطوط المجال المنبعث من قطبيه. · Noguarde · CC BY-SA 4.0

تُمغنَط المواد الحديدية المغناطيسية بسهولة، وتقترب مغنطتها في المجالات المغناطيسية القوية من حدّ معيّن يُسمى التشبّع 6. وعند تطبيق مجال المغنطة ثم إزالته، لا تعود مغنطة المادة الحديدية المغناطيسية إلى قيمتها الأصلية، وهي ظاهرة تُسمى التخلّف المغناطيسي 6.

وتبلغ درجة حرارة كوري للحديد 1043 كلفن، أي 770 درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من حرارة الغرفة 5.

3. الكهرومغناطيسية: من أورستد إلى ماكسويل

من المغناطيسية إلى الكهرومغناطيسية

ثم جاء عام 1820 ليشهد اكتشاف هانس كريستيان أورستد (Hans Christian Ørsted) أن التيارات الكهربائية تحرّف البوصلات 7Electromagnetism History: 1820 - 1829 · National High Magnetic Field Laboratory (NSF) ↗. وفي أعقاب ذلك صاغ بيو (Biot) وسافار (Savart) قانونًا لحساب المجال المغناطيسي على مسافة معيّنة من التيار الكهربائي الذي هو مصدره 7. وفي عام 1822 صاغ أمبير (Ampère) قانونه الأساسي للعلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الذي هو مصدره 7.

وفي عام 1831 حقّق فاراداي (Faraday) ما يوصف غالبًا بأنه أهمّ اكتشافاته، ألا وهو الحث الكهرومغناطيسي، إذ بيّن أن المغناطيس قادر على تحريض تيار كهربائي في سلك 8Michael Faraday (1791 - 1867) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. واكتشف فاراداي أن سلكًا يتحرك عبر مجال مغناطيسي يتولّد فيه تيار، وهو مبدأ الحث الذي تقوم عليه المولّدات والمحركات الكهربائية، وأساس الطاقة الكهربائية الحديثة 9Electromagnetism · Engineering and Technology History Wiki (IEEE) ↗.

وفي عام 1832 اخترع بول إرمان (Paul Erman) مقياس مغناطيسية بسيطًا واستخدمه في أول مسح واسع النطاق للمجال المغناطيسي للأرض 10Electromagnetism History: 1830 - 1839 · National High Magnetic Field Laboratory (NSF) ↗.

وفي عام 1850 قدّم وليام طومسون (William Thomson)، المعروف لاحقًا باللورد كلفن (Lord Kelvin)، مفهومي القابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية 11Electromagnetism History: 1850 - 1869 · National High Magnetic Field Laboratory (NSF) ↗. وفي عام 1852 اكتشف إدوارد سابين (Edward Sabine) ارتباطًا بين دورة البقع الشمسية والنشاط المغناطيسي على الأرض 11. وفي عام 1856 قاس فيبر (Weber) وكولراوس (Kohlrausch) النسبة بين الوحدات الكهروستاتيكية والوحدات الكهرومغناطيسية، فوجداها مماثلة لسرعة الضوء المعتمدة آنذاك 11.

وفي عام 1865 بيّن ماكسويل أن ثمّة مجالًا واحدًا بالفعل هو المجال الكهرومغناطيسي، وأن الكهرباء والمغناطيسية وجهان لظاهرة واحدة، وأن الضوء نفسه موجات من الإشعاع الكهرومغناطيسي تنتقل في الفضاء 9.

محطات في مسار الكهرومغناطيسية

  • 1820
    اكتشاف أورستد
    اكتشف هانس كريستيان أورستد (Hans Christian Ørsted) أن التيارات الكهربائية تحرّف البوصلات 7.
  • 1822
    قانون أمبير
    صاغ أمبير (Ampère) قانونه الأساسي للعلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الذي هو مصدره 7.
  • 1831
    الحث الكهرومغناطيسي
    حقّق فاراداي (Faraday) ما يوصف غالبًا بأنه أهمّ اكتشافاته، ألا وهو الحث الكهرومغناطيسي، إذ بيّن أن المغناطيس قادر على تحريض تيار كهربائي في سلك 8.
  • 1832
    قياس المجال المغناطيسي للأرض
    اخترع بول إرمان (Paul Erman) مقياس مغناطيسية بسيطًا واستخدمه في أول مسح واسع النطاق للمجال المغناطيسي للأرض 10.
  • 1834
    الاتحاد المغناطيسي في غوتنغن
    أسّس غاوس (Gauss) الاتحاد المغناطيسي في غوتنغن (Göttingen Magnetic Union)، وهي شبكة من المراصد المغناطيسية معظمها في أوروبا 10.
  • 1850
    القابلية والنفاذية
    قدّم وليام طومسون (William Thomson)، المعروف لاحقًا باللورد كلفن (Lord Kelvin)، مفهومي القابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية 11.
  • 1852
    البقع الشمسية والنشاط المغناطيسي
    اكتشف إدوارد سابين (Edward Sabine) ارتباطًا بين دورة البقع الشمسية والنشاط المغناطيسي على الأرض 11.
  • 1856
    قياس فيبر وكولراوس
    قاس فيبر (Weber) وكولراوس (Kohlrausch) النسبة بين الوحدات الكهروستاتيكية والوحدات الكهرومغناطيسية، فوجداها مماثلة لسرعة الضوء المعتمدة آنذاك 11.
  • 1864
    معادلات ماكسويل
    ظهرت المجموعة الكاملة لمعادلات ماكسويل (Maxwell) في بحثه «حول نظرية دينامية للمجال الكهرومغناطيسي» 11.
  • 1865
    توحيد المجال الكهرومغناطيسي
    بيّن ماكسويل أن ثمّة مجالًا واحدًا بالفعل هو المجال الكهرومغناطيسي، وأن الكهرباء والمغناطيسية وجهان لظاهرة واحدة، وأن الضوء نفسه موجات من الإشعاع الكهرومغناطيسي تنتقل في الفضاء 9.

4. المغانط الكهربائية والتطبيقات

الكهرومغناطيسية هي استخدام التيار الكهربائي لصنع مغانط، وهذه المغانط المؤقتة الناشئة بالتحريض تُسمى المغانط الكهربائية 5. وتتنوع مجالات استخدامها من رافعات ساحات الخُرَدة إلى أجهزة التصوير الطبي 5. وقد فتح هذا الاكتشاف الطريق أمام الربط بين الكهرباء والمغناطيسية 7. ثم صاغ بيو وسافار قانونًا لحساب المجال المغناطيسي على مسافة معيّنة من التيار الكهربائي الذي هو مصدره 7، وصاغ أمبير عام 1822 قانونه الأساسي للعلاقة بين المجال المغناطيسي والتيار الذي هو مصدره 7.

جميع المغانط في مصادم الهادرونات الكبير مغانط كهربائية، وتولّد ثنائيات القطب الرئيسية فيه مجالات تبلغ 8.3 تسلا، أي أقوى بأكثر من 100,000 ضعف من المجال المغناطيسي للأرض 2. وتستخدم هذه المغانط تيارًا شدته 11,080 أمبير، ويتيح ملف فائق التوصيل سريان التيارات العالية دون فقد أي طاقة في المقاومة الكهربائية 2. ويضم المصادم 1232 ثنائي قطب رئيسيًا، طول كل منها 15 مترًا ووزنه 35 طنًا 2. ولولا المغانط فائقة التوصيل لوجب أن يمتد المصادم البالغ طوله 27 كم إلى 120 كم للحصول على الطاقة نفسها 2.

مغناطيس كهربائي ضخم بملفات ظاهرة وأنبوب حزمة داخل مختبر.
مغناطيس كهربائي كبير في مسرّع «كلارا» الخطي بمختبر داريسبري في المملكة المتحدة. · Mystery Ray · CC0

وفي عام 1988 اكتشف ألبرت فيرت وبيتر غرونبرغ كلٌّ على حدة المقاومة المغناطيسية العملاقة، التي تُحدث فيها تغيّرات مغناطيسية ضعيفة جدًا فروقًا كبيرة في المقاومة الكهربائية 12The 2007 Nobel Prize in Physics (press release) · Nobel Prize Outreach ↗. وفي عام 1997 أُطلق أول رأس قراءة قائم على هذا التأثير، وسرعان ما أصبح التقنية المعيارية لقراءة البيانات على الأقراص الصلبة 12. ويخزّن القرص الصلب المعلومات في مناطق ممغنطة صغيرة بالمقاييس المجهرية، وتُسترجَع المعلومات برأس قراءة يمسح القرص ويسجّل التغيّرات المغناطيسية 12.

اكتشف بول لاوتربور كيفية إنشاء صورة ثنائية الأبعاد بإدخال تدرجات في المجال المغناطيسي، ما جعل من الممكن تصوير بنى عجزت طرق أخرى عن إظهارها 13The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 (press release) · Nobel Prize Outreach ↗. وفي عام 1973 وصف كيف أتاحت إضافة مغانط التدرج إلى المغناطيس الرئيسي تصوير مقطع عرضي لأنابيب من الماء العادي يحيط بها ماء ثقيل 13. ثم استخدم بيتر مانسفيلد التدرجات لإبراز الفروق في الرنين بصورة أدق، وبيّن كيف يمكن تحقيق تصوير بالغ السرعة بتغيّرات سريعة جدًا في التدرج، وهي تقنية أصبحت مفيدة في الممارسة السريرية بعد عقد من الزمن 13.

5. المجال المغناطيسي للأرض والغلاف المغناطيسي

الأرض مغناطيس عملاق، ولهذا لها قطبان مغناطيسيان شمالي وجنوبي 9. ولكل مغناطيس قطب مغناطيسي عند كل طرف، والقطبان المتماثلان يتنافران والمتعاكسان يتجاذبان 9. وهو فقاعة هائلة على شكل مذنّب تحمي الكوكب من الإشعاع الجسيمي الشمسي والكوني، ومن تآكل الغلاف الجوي بفعل الريح الشمسي، وهي التدفق المستمر للجسيمات المشحونة المنبعثة من الشمس 14Magnetospheres · NASA Science (Heliophysics) ↗. ولولا هذا الغلاف المغناطيسي، لجرّدت الجسيمات الشمسية الأرض من طبقاتها الواقية التي تحمي الكوكب من الأشعة فوق البنفسجية للشمس 15Earth's Magnetosphere · NASA Science ↗.

يحيط بالأرض غلاف فقاعي عملاق من المغناطيسية يُسمى الغلاف المغناطيسي، يحرف معظم المادة الشمسية المندفعة نحو الكوكب بسرعة مليون ميل في الساعة أو أكثر 15. وتضغط الريح الشمسية الجانب النهاري من الغلاف المغناطيسي إلى نحو ست إلى عشر من أنصاف الأقطار الأرضية في اتجاه الشمس 14. أما ذيله المغناطيسي الليلي فيمتد مئات من أنصاف الأقطار الأرضية، متجاوزًا بكثير مدار القمر عند ستين نصف قطر أرضي 14.

أضواء شمالية خضراء وبنفسجية تتوهّج فوق بحيرة ومنظر ثلجي.
الشفق القطبي فوق بحيرة ميفاتن في آيسلندا، وينشأ من تصادم جسيمات الرياح الشمسية المشحونة مع غازات الغلاف الجوي العلوي. · Giles Laurent · CC BY-SA 4.0

فقد المريخ غلافه المغناطيسي منذ نحو 4.2 مليار سنة، ويُعتقد أن الريح الشمسية جرّدته من معظم غلافه الجوي 15. والغلاف المغناطيسي هو المنطقة المحيطة بكوكب والتي يسيطر عليها مجاله المغناطيسي، والأرض تمتلك أقوى غلاف مغناطيسي بين جميع الكواكب الصخرية 14.

تنزع شدة المجال المغناطيسي للأرض إلى الانخفاض من القطبين نحو خط الاستواء، مع حدّ أدنى في شذوذ جنوب الأطلسي، وحدود قصوى فوق شمال كندا وسيبيريا وساحل أنتاركتيكا جنوب أستراليا 1. ويسجّل المجال المغناطيسي القديم في الأغلب بمعادن شديدة المغناطيسية، خصوصًا أكاسيد الحديد مثل المغنيتيت القادرة على حمل عزم مغناطيسي دائم 1. وقد حدث آخر انقلاب كامل للمجال المغناطيسي للأرض، وهو انقلاب برونيس-ماتوياما، منذ نحو 780,000 سنة 1. وقد قاس غاوس شدة المجال المغناطيسي للأرض عام 1832، وقد قيست مرارًا منذ ذلك الحين، فأظهرت اضمحلالًا نسبيًا بنحو 10% خلال السنوات الـ150 الماضية 1.

6. الشفق القطبي

يضيء الشفق القطبي في سماء المناطق العليا حين تصطدم إلكترونات قادمة من الغلاف المغناطيسي بذرات الأكسجين والنيتروجين في الغلاف الجوي العلوي، فتُثار تلك الذرات والجزيئات ثم تطلق طاقتها في صورة ضوء مرئي 16Aurora · NOAA Space Weather Prediction Center ↗. ويتشكّل هذا الضياء عادة على ارتفاع يتراوح بين 80 و500 كم فوق سطح الأرض 16. ويوجّهه المجال المغناطيسي للأرض في هيئة حلقتين بيضويتين متمركزتين تقريبًا عند القطبين المغناطيسيين 16.

وخلال العواصف الجيومغناطيسية الكبرى تتمدد حلقتا الشفق بعيدًا عن القطبين، حتى يمكن رؤية الشفق فوق معظم أنحاء الولايات المتحدة 16.

7. البوصلة والملاحة

ظهرت أولى البوصلات المستخدمة في الملاحة في الصين بحلول عام 1088 إبان عهد أسرة سونغ، على ما وصفه شين كو، وكانت مصنوعة من إبر حديدية تُمغنَط بطرقها بحجر المغناطيس 17Compass · Wikipedia ↗. ويعود أول استخدام موثّق للبوصلة في أوروبا الغربية إلى نحو عام 1190 17. أما في العالم الإسلامي فيرقى هذا الاستخدام إلى القرن الـ13 الميلادي 17.

تشير البوصلة المغناطيسية إلى الشمال المغناطيسي لأن الإبرة الممغنطة في قلبها تصطف مع المركّبة الأفقية لمجال الأرض 17. ولهذا يتجه القطب الجنوبي لإبرة البوصلة دائمًا نحو الشمال 9.

8. التاريخ المبكر والدراسات الكلاسيكية

رأى طاليس من ميليتوس، الذي عاش نحو 624 إلى 546 ق.م، أن للمغناطيس روحًا لأنه يحرّك الحديد 18Magnetism in the Greco-Roman World · Engineering and Technology History Wiki (IEEE) ↗. ويسجّل محاورة أيون لأفلاطون أن حجر المغناطيس لا يجذب الحلقات الحديدية فحسب، بل يمنحها قدرة مماثلة على جذب حلقات أخرى، ما يدل على أن سلاسل الحث المغناطيسي كانت معروفة في القرن الـ5 ق.م 18.

بعد نحو عقدين من التجارب، أنجز وليام جيلبرت عام 1600 مؤلفه الكبير في المغناطيسية «De Magnete»، أي «عن المغناطيس والأجسام المغناطيسية ومغناطيس الأرض العظيم» 19Electromagnetism History: 1600 - 1699 · National High Magnetic Field Laboratory (NSF) ↗. وقد تضمّن هذا الكتاب أول استخدام لمصطلح «كهربائي» (electric)، الذي صاغه جيلبرت من الكلمة الإغريقية الدالة على الكهرمان (electron) 19. وقدّم «De Magnete» أول تصنيف رئيسي للمواد الكهربائية وغير الكهربائية، ومن أوائل الأوصاف التي عدّت الأرض كيانًا مغناطيسيًا 19. وبعد سنوات من التجارب خلص جيلبرت إلى أن إبرة البوصلة تتجه شمالًا-جنوبًا وتميل إلى الأسفل، لأن الأرض تعمل عمل قضيب مغناطيسي 20William Gilbert · Encyclopaedia Britannica ↗. وكان جيلبرت أول من استخدم مصطلحات التجاذب الكهربائي والقوة الكهربائية والقطب المغناطيسي، ويُعدّ غالبًا أبا الدراسات الكهربائية 20.

حجر مغناطيس تاريخي كبير مثبَّت عليه ألواح تسليح معدنية ومعلّق في إطار داخل عرض متحفي.
حجر مغناطيس كبير من سيبيريا (مغنيتيت) مزوَّد بتسليح من الحديد، جُلب عام 1810. · AlfvanBeem · CC0

وفي عام 1635 أثبت هنري جيليبراند أن الانحراف المغناطيسي يتغيّر بمرور الزمن، بمقارنة قياسات جديدة بقياسات كان قد حصل عليها قبل 12 عامًا 19. وفي عام 1699 أجرى إدموند هالي أول مسح للانحراف المغناطيسي، ونشر خريطة بنتائجه بعد عامين 19.

9. مساهمات غاوس وفيبر في المغناطيسية الأرضية

انصرف كارل فريدريش غاوس إلى المغناطيسية الأرضية بعد أن طلب ألكسندر فون هومبولت مساعدته في إنشاء شبكة من نقاط الرصد المغناطيسي حول الأرض 21Johann Carl Friedrich Gauss · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. وقد أثبت غاوس أنه لا يمكن للأرض أن يكون لها سوى قطبين مغناطيسيين، وحدّد شدة المركّبة الأفقية للقوة المغناطيسية مع زاوية الميل 21. واستخدم في حساباته معادلة لابلاس، وانتهى إلى تحديد موقع للقطب الجنوبي المغناطيسي 21. وبحلول عام 1840 كان قد كتب ثلاث أوراق مهمة عن المغناطيسية الأرضية، عالجت القياس المطلق للقوة المغناطيسية وقدّمت تعريفًا تجريبيًا لهذه الظاهرة 21.

وصل فيلهلم فيبر إلى غوتنغن عام 1831 أستاذًا للفيزياء؛ وكان غاوس يعرفه منذ عام 1828 وقد أيّد تعيينه 21. وبنى غاوس مرصدًا مغناطيسيًا جديدًا اكتمل عام 1833 وخلا من جميع المعادن المغناطيسية، وأتاحت تعديلاته على إجراءات هومبولت الحصول على نتائج أدقّ بجهد أقل 21. وفي عام 1833 بنى غاوس وفيبر خط تلغراف في غوتنغن يقارب طوله الميل، واستخدما جلفانومتر مستقبلًا 10. وفي عام 1834 أسّس غاوس الاتحاد المغناطيسي في غوتنغن، وهي شبكة من المراصد المغناطيسية معظمها في أوروبا 10.

10. مساهمات أمبير وفاراداي

بعد أن بلغت أندريه-ماري أمبير نتائج هانس كريستيان أورستد التجريبية، سعى إلى وضع نظرية موحّدة للكهرباء والمغناطيسية 22Andre-Marie Ampere (1775 - 1836) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. وقبل نهاية سبتمبر 1820 كان قد اكتشف قوى كهروديناميكية بين أسلاك مستقيمة 22. وفي نوفمبر من العام نفسه عرض على الأكاديمية في باريس قانون جمع هذه القوى 22. وقد صاغ قانونًا لقوة الدائرة، وعالج المغناطيسية بافتراض دوائر مغلقة صغيرة داخل المادة الممغنطة 22.

كان أراغو قد أبلغ أكاديمية باريس باكتشاف أورستد في 4 سبتمبر 1820، وأعاد التجربة في اجتماع للأكاديمية بعد أسبوع 22. وقد لاحظ أورستد خلال إحدى محاضراته أن إبرة بوصلة مغناطيسية تصطف عموديًا على سلك يحمل تيارًا 7.

تركيب عملي لتجربة أورستد: سلك أفقي مشدود بين حاملين مع إبر مغناطيسية على قواعد أسفله.
تجربة أورستد: انحراف إبرة مغناطيسية قرب سلك يمرّ به تيار كهربائي. · MikeRun · CC BY-SA 4.0

حضر مايكل فاراداي محاضرات همفري ديفي في المؤسسة الملكية عام 1812، فصارت نسخه الدقيقة من الملاحظات جواز مروره إلى مسيرة علمية 8. وفي عام 1821 اكتشف أن الكهرباء قادرة على إنتاج حركة دورانية، وبنى واحدًا من أوائل المحركات الكهربائية البدائية 7. وفي عام 1831 حقّق ما يوصف غالبًا بأنه أهمّ اكتشافاته، ألا وهو الحث الكهرومغناطيسي، إذ بيّن أن المغناطيس قادر على تحريض تيار كهربائي في سلك 8. وقد أتاح هذا الاكتشاف تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية وبناء أول مولّد كهربائي 8. وفي العام نفسه نشر أول ورقة في سلسلته «أبحاث تجريبية» عن الكهرباء، وقرأها أمام الجمعية الملكية في 24 نوفمبر 8.

وقد اكتشف جوزيف هنري مبدأ الحث الذاتي، ورفع بتصميمه المحسَّن للمغناطيس الكهربائي أكثر من طن من الحديد 10.

وفي عام 1831 لاحظ فاراداي أن تغيّر التيار في دائرة يحفّز تيارًا في دائرة ثانية، وهو أساس قانون فاراداي للحث 10.

11. توحيد ماكسويل

حسب ماكسويل (Maxwell) نحو عام 1862 أن المجال الكهرومغناطيسي ينتشر بسرعة تقارب سرعة الضوء، واقترح بناءً على ذلك أن الضوء ظاهرة كهرومغناطيسية 23James Clerk Maxwell (1831 - 1879) · MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews ↗. وخلص إلى أن الضوء يتمثل في تموّجات مستعرضة في الوسط نفسه الذي يسبّب الظواهر الكهربائية والمغناطيسية 23.

ربطت أول مقالة لماكسويل (Maxwell) عن الكهرباء، «خطوط القوة عند فاراداي» (Faraday's Lines)، تصوّر فاراداي (Faraday) لخطوط القوة بجريان سائل، واستخرجت بتحليل رياضي معادلات للظواهر الكهربائية والمغناطيسية 11. وأظهرت هذه الورقة أن بضع معادلات بسيطة نسبيًا يمكنها التعبير عن سلوك المجالين الكهربائي والمغناطيسي وعلاقتهما المتبادلة 23. وفي عام 1864 ظهرت المجموعة الكاملة لمعادلات ماكسويل في بحثه «حول نظرية دينامية للمجال الكهرومغناطيسي» 11.

صورة شخصية لجيمس كليرك ماكسويل.
جيمس كليرك ماكسويل، الفيزيائي الذي وحّد الكهرباء والمغناطيسية، في صورة من الحفر الضوئي. · Photographische Gesellschaft Berlin · Public domain

12. الرصد الجيومغناطيسي والمخاطر

يرصد برنامج الجيومغناطيسية في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية المجال المغناطيسي للأرض بمراصد أرضية، ويوفّر سجلات متواصلة لتغيّرات هذا المجال 24Geomagnetism Program · U.S. Geological Survey ↗. وتخدم أبحاث الهيئة في طبيعة التغيّرات الجيومغناطيسية الفهم العلمي والحدّ من المخاطر معًا 24. ويمكن للعواصف المغناطيسية أن تولّد مجالات كهربائية في الأرض تشوّش شبكات نقل الطاقة الكهربائية 24.

13. خط زمني: من حجر المغناطيس إلى العصر المغناطيسي

  • نحو 600 ق.م
    طاليس وحجر المغناطيس
    يتباحث مفكرو الإغريق بقيادة طاليس الميليتي (Thales) في سبب جذب حجر المغناطيس للحديد؛ ويُنقل عن طاليس قوله إن للمغناطيس روحًا لأنه يحرّك الحديد.
  • 1088
    البوصلة الملاحية في الصين
    تظهر أولى البوصلات المستخدمة في الملاحة في الصين خلال عهد أسرة سونغ (Song)، ووصفها شين كو (Shen Kuo)؛ وكانت مصنوعة من إبر حديدية تُمغنَط بضربها بحجر المغناطيس.
  • 1600
    كتاب «De Magnete» لجيلبرت
    بعد نحو عقدين من التجريب، يُنجز وليام جيلبرت (Gilbert) كتاب «De Magnete»، واصفًا الأرض بأنها كيان مغناطيسي، وصائغًا مصطلح «كهربائي» (electric) من الكلمة الإغريقية الدالة على الكهرمان.
  • 1699
    مسح هالي للانحراف المغناطيسي
    يُجري إدموند هالي (Edmond Halley) أول مسح للانحراف المغناطيسي، وينشر خريطة بنتائجه بعد عامين.
  • 1820
    أورستد يربط التيار بالمغناطيسية
    يلاحظ هانس كريستيان أورستد (Hans Christian Ørsted) أن إبرة البوصلة تصطف عموديًا على سلك يحمل تيارًا، فتنطلق بذلك موجة من التجارب في أرجاء أوروبا.
  • 1821
    أول محرك كهربائي لفاراداي
    يكتشف فاراداي (Faraday) أن الكهرباء قادرة على إنتاج حركة دورانية، ويبني واحدًا من أوائل المحركات الكهربائية البدائية.
  • 1825
    أول مغناطيس كهربائي عملي
    يطوّر وليام ستورجون (William Sturgeon) أول مغناطيس كهربائي عملي ويعرضه، وكان قويًا بما يكفي لحمل 20 ضعفًا من وزنه.
  • 1831
    قانون فاراداي للحث
    يلاحظ فاراداي (Faraday) أن تغيّر التيار في دائرة يمكن أن يحفّز تيارًا في دائرة ثانية، وهو أساس المولّد الكهربائي.
  • 1832
    غاوس يقيس المجال المغناطيسي للأرض
    ينشر غاوس (Gauss) بحث «Intensitas vis magneticae terrestris»، واضعًا قياس المغناطيسية الأرضية على أساس مطلق.
  • 1834
    الاتحاد المغناطيسي في غوتنغن
    يؤسّس غاوس (Gauss) شبكة من المراصد المغناطيسية، معظمها في أوروبا، لتتبع المجال المغناطيسي للأرض.
  • 1850
    القابلية والنفاذية المغناطيسية
    يقدّم وليام طومسون (William Thomson)، المعروف لاحقًا باللورد كلفن (Lord Kelvin)، مفهومي القابلية المغناطيسية والنفاذية المغناطيسية.
  • 1864
    معادلات ماكسويل
    تظهر المجموعة الكاملة لمعادلات ماكسويل (Maxwell) في بحثه «حول نظرية دينامية للمجال الكهرومغناطيسي».
  • 1973
    إثبات التصوير بالرنين المغناطيسي
    يصف لاوتربور (Lauterbur) كيف أتاحت مغانط التدرج المضافة إلى المغناطيس الرئيسي تصوير مقطع عرضي لأنابيب من الماء العادي يحيط بها ماء ثقيل، وهي محطة بارزة في التصوير بالرنين المغناطيسي.
  • 1988
    المقاومة المغناطيسية العملاقة
    يكتشف ألبرت فيرت (Albert Fert) وبيتر غرونبرغ (Peter Grünberg) كلٌّ على حدة المقاومة المغناطيسية العملاقة، وهو التأثير الذي تقوم عليه رؤوس القراءة الحساسة في الأقراص الصلبة.

المراجع (24)

24 مصادر · موقع 24

  1. 1Earth's magnetic field — Wikipedia موقع↩عرض المصدر
  2. 2Pulling together: Superconducting electromagnets — CERN موقع↩عرض المصدر
  3. 3Permanent Magnet Definition — National High Magnetic Field Laboratory (NSF) موقع↩عرض المصدر
  4. 4Magnetic Field Strength H — HyperPhysics, Georgia State University موقع↩عرض المصدر
  5. 522.2 Ferromagnets and Electromagnets — OpenStax College Physics موقع↩عرض المصدر
  6. 6Ferromagnetism | Definition, Causes, Examples, Uses, & Facts — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
  7. 7Electromagnetism History: 1820 - 1829 — National High Magnetic Field Laboratory (NSF) 1820 موقع↩عرض المصدر
  8. 8Michael Faraday (1791 - 1867) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1791 موقع↩عرض المصدر
  9. 9Electromagnetism — Engineering and Technology History Wiki (IEEE) موقع↩عرض المصدر
  10. 10Electromagnetism History: 1830 - 1839 — National High Magnetic Field Laboratory (NSF) 1830 موقع↩عرض المصدر
  11. 11Electromagnetism History: 1850 - 1869 — National High Magnetic Field Laboratory (NSF) 1850 موقع↩عرض المصدر
  12. 12The 2007 Nobel Prize in Physics (press release) — Nobel Prize Outreach 2007 موقع↩عرض المصدر
  13. 13The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 (press release) — Nobel Prize Outreach 2003 موقع↩عرض المصدر
  14. 14Magnetospheres — NASA Science (Heliophysics) موقع↩عرض المصدر
  15. 15Earth's Magnetosphere — NASA Science موقع↩عرض المصدر
  16. 16Aurora — NOAA Space Weather Prediction Center موقع↩عرض المصدر
  17. 17Compass — Wikipedia موقع↩عرض المصدر
  18. 18Magnetism in the Greco-Roman World — Engineering and Technology History Wiki (IEEE) موقع↩عرض المصدر
  19. 19Electromagnetism History: 1600 - 1699 — National High Magnetic Field Laboratory (NSF) 1600 موقع↩عرض المصدر
  20. 20William Gilbert — Encyclopaedia Britannica موقع↩عرض المصدر
  21. 21Johann Carl Friedrich Gauss — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews موقع↩عرض المصدر
  22. 22Andre-Marie Ampere (1775 - 1836) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1775 موقع↩عرض المصدر
  23. 23James Clerk Maxwell (1831 - 1879) — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews 1831 موقع↩عرض المصدر
  24. 24Geomagnetism Program — U.S. Geological Survey موقع↩عرض المصدر

مقالات مرتبطة

الشفق القطبيإيلون ماسكالشفق القطبي