لماذا المغناطيس له قطب شمالي وجنوبي؟
لن يؤدي قطع قضيب مغناطيسي إلى النصف إلى التخلص من أقطابها. سوف ينتج مغناطيسين فقط ، كل منهما له قطب شمالي سينجذب إلى القطب الجنوبي للمغناطيس الآخر ، والعكس صحيح.
هذه الخاصية الأساسية للجاذبية هي التي تجعل المغناطيس مفيدًا للعديد من الأغراض ، من عقد دعوة حفلة إلى الثلاجة إلى إجراء التصوير الطبي.
لكن كيف تنشأ هذه الأقطاب؟ لماذا المغناطيس له قطب شمالي وجنوبي؟
قال المغناطيس “أحد أعمق الألغاز في الفيزياء” جريج بويبينجر (يفتح في علامة تبويب جديدة)، مدير المختبر الوطني للحقل المغناطيسي العالي في تالاهاسي ، فلوريدا. بينما يستخدم الناس المغناطيس منذ آلاف السنين (يفتح في علامة تبويب جديدة)، لا يزال العلماء يتعلمون أشياء جديدة حول كيفية عملهم.
تكمن الإجابة الأساسية عن سبب وجود أقطاب للمغناطيس في سلوك الإلكترونات. كل المواد ، بما في ذلك المغناطيس ، مصنوعة من الذرات. في كل ذرة، النواة محاطة بواحد أو أكثر من الإلكترونات سالبة الشحنة. يولد كل من هذه الإلكترونات مجاله المغناطيسي الصغير الخاص به ، والذي يشير إليه العلماء باسم “الدوران”. إذا كان عدد كافٍ من هذه الحقول المغناطيسية الصغيرة يشير في نفس الاتجاه ، فإن المادة نفسها تصبح مغناطيسية.
متعلق ب: لماذا يشرر المعدن في الميكروويف؟
قال Boebinger لـ Live Science إن “دوران” الإلكترون شيء من مفهوم مجرد. من الناحية الفنية ، لم ير أحد إلكترونًا يدور – إنه صغير جدًا بحيث لا يمكن رؤيته تحت المجهر. لكن علماء الفيزياء يعرفون أن للإلكترونات مجال مغناطيسي لأنهم قاموا بقياسها. وإحدى الطرق التي يمكن من خلالها توليد هذا المجال هي إذا كان الإلكترون يدور. اعكس اتجاه الدوران ، وسوف ينقلب المجال المغناطيسي.
عندما يكون ذلك ممكنا، سوف تتزاوج الإلكترونات بحيث يتم إلغاء دورانها (يفتح في علامة تبويب جديدة)، مما يجعل المغناطيسية الصافية لذرة صفراً. لكن في بعض العناصر ، مثل الحديد ، لا يمكن أن يحدث ذلك. عدد الإلكترونات وطريقة وضعها حول النواة يعني أن كل ذرة حديد سيكون لها إلكترون غير مزدوج يولد مجالًا مغناطيسيًا صغيرًا.
في مادة غير ممغنطة ، تشير هذه الحقول المغناطيسية الفردية في اتجاهات عشوائية مختلفة. في هذه الحالة ، يلغون بعضهم البعض في الغالب ، وبالتالي فإن المادة ليست مغناطيسية بشكل عام. لكن في ظل الظروف المناسبة ، يمكن للحقول المغناطيسية دون الذرية الصغيرة أن تتماشى مع الاتجاه نفسه. قد يفكر المرء في هذا على أنه الفرق بين حشد من الناس يتجولون ، مقابل كل شخص ينظم ويواجه في نفس الاتجاه. يؤدي الجمع بين هذه المجالات المغناطيسية الصغيرة جدًا إلى تكوين مجال مغناطيسي أكبر – وبالتالي تصبح المادة مغناطيسًا.
تُعرف العديد من المغناطيسات المستخدمة في الحياة اليومية ، مثل مغناطيس الثلاجة ، باسم المغناطيس الدائم. في هذه المواد ، أصبحت المجالات المغناطيسية للعديد من الذرات في المادة مصطفة بشكل دائم بواسطة قوة خارجية – مثل وضعها داخل مجال مغناطيسي أكثر قوة.
في كثير من الأحيان ، يتم إنشاء هذا المجال المغناطيسي الأكثر قوة بواسطة الكهرباء. ترتبط الكهرباء والمغناطيسية ارتباطًا أساسيًا ، لأن المجالات المغناطيسية تتولد عن حركة الشحنات الكهربائية. لهذا السبب يحتوي الإلكترون الدوار على مجال مغناطيسي. لكن يمكن للعلماء أيضًا تسخير الكهرباء لإنشاء مغناطيس قوي جدًا باولو فيراسين (يفتح في علامة تبويب جديدة)، أحد كبار العلماء في مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا. إن تشغيل تيار كافٍ من خلال ملف من الأسلاك يولد مجالًا مغناطيسيًا قويًا للغاية يستمر طالما يتدفق التيار. غالبًا ما تستخدم هذه المغناطيسات الكهربائية في أبحاث الفيزياء ، كما قال فيراسين لـ Live Science. كما تُستخدم أيضًا في الأدوات الطبية مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI).
للأرض مجال مغناطيسي خاص بها أيضًا – وهو ما يجعل إبرة البوصلة تعمل. حدد العلماء القطب الشمالي للمغناطيس على أنه الطرف الذي يشير إلى القطب الشمالي للأرض إذا كان المغناطيس يدور بحرية. لكن من الناحية الفنية ، أوضح بويبينغر أن هذا يعني أن القطب المغناطيسي الشمالي على الأرض هو في الواقع قطب جنوبي مغناطيسي ، حيث تجتذب الأقطاب المتقابلة.
في اصطلاح فيزيائي ، تتدفق خطوط المجال المغناطيسي إلى الخارج من القطب الشمالي للمغناطيس إلى قطبه الجنوبي ، وتشكل حلقة مغلقة.
وجد الفيزيائيون أيضًا ترتيبات أخرى للأقطاب المغناطيسية ، بما في ذلك الرباعي (يفتح في علامة تبويب جديدة)، حيث يتم ترتيب مجموعة من الأقطاب المغناطيسية الشمالية والجنوبية في مربع. وقال فيراسين إن هناك هدفًا واحدًا لا يزال بعيد المنال: لم يعثر أحد بعد على احتكار مغناطيسي.
الإلكترونات والبروتونات هي أحادي القطب: لكل منهما شحنة كهربائية واحدة ، موجبة أو سالبة. لكن الإلكترونات (والجسيمات الأخرى أيضًا) لها قطبان مغناطيسيان. ولأنها جسيمات أساسية ، فلا يمكن تفكيكها أكثر. هذا الاختلاف بين الطريقة التي تتصرف بها الجسيمات كهربيًا ومغناطيسيًا أثار اهتمام العديد من الفيزيائيين ، وبالنسبة للبعض ، فإن العثور على جسيم بقطب مغناطيسي واحد هو الكأس المقدسة. إن اكتشافه سيتحدى قوانين الفيزياء كما نفهمها حاليًا.
