كيف يعمل المغناطيس؟

المغناطيس هو مادة أو جسم يمتلك قدرة فريدة على جذب بعض المواد مثل الحديد، النيكل، والكوبالت. تُعد المغناطيسات جزءًا لا يتجزأ من الحياة اليومية، حيث تظهر في الأجهزة الكهربائية، والحقائب المدرسية، والألعاب، والقطارات السريعة، وحتى في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات. لكن السؤال المهم الذي يستحق التأمل هو: كيف يعمل المغناطيس؟ لفهم ذلك، يجب أولاً استكشاف تركيبة المواد المغناطيسية، والخصائص الفيزيائية التي تمنح المغناطيس قوته الجاذبة، وكيفية استخدامه في التطبيقات المختلفة.

ما هو المغناطيس؟

المغناطيس جسم يمكنه تشكيل مجال مغناطيسي يؤثر في محيطه. هذا المجال هو عبارة عن قوة غير مرئية تُمارَس على أجسام معينة، وغالبًا ما تظهر هذه القوة في صورة جذب بين المغناطيس والأشياء المصنوعة من المعادن المغناطيسية مثل الحديد. وتنقسم المغناطيسات إلى نوعين رئيسيين: المغناطيس الطبيعي الذي يوجد في الطبيعة مثل معدن المغنيتايت، والمغناطيس الصناعي الذي يتم تصنيعه باستخدام معادن معينة تُعامل بطريقة تجعلها تحتفظ بخصائص مغناطيسية ثابتة.

الخصائص الأساسية للمغناطيس

كل مغناطيس لديه قطبان يُعرفان باسم القطب الشمالي والقطب الجنوبي. إذا قمت بتقريب قطبين متشابهين من مغناطيسين، مثل القطب الشمالي مع الشمالي، فسيدفعان بعضهما البعض (يتنافران). أما إذا قمت بتقريب قطبين مختلفين، مثل الشمالي مع الجنوبي، فسوف ينجذبان بقوة. هذه القاعدة البسيطة تُعرف بـقاعدة الأقطاب المتشابهة تتنافر والمختلفة تتجاذب. وتكمن أهمية هذه الخاصية في بناء العديد من الأجهزة التي تحتاج إلى حركة أو تثبيت مثل المحركات الكهربائية والمولدات.

كيف يتولد المجال المغناطيسي؟

لفهم كيفية عمل المغناطيس، يجب النظر إلى مستوى الذرة. تتكون كل مادة من ذرات، وكل ذرة تحتوي على نواة تدور حولها إلكترونات. هذه الإلكترونات ليست مجرد جسيمات صغيرة، بل هي شحنات كهربائية متحركة، وحركتها تُنتج مجالًا مغناطيسيًا. في الكثير من المواد، تكون حركة الإلكترونات غير منتظمة، أي أنه لا يوجد اتجاه محدد لمجالها المغناطيسي، وهكذا تلغي القوى بعضها البعض. أما في المواد المغناطيسية، فإن العديد من الإلكترونات داخل الذرات تتحرك بتناغم وفي اتجاهات مشتركة، مما ينتج عنه مجال مغناطيسي قوي يكون كافيًا لرؤية تأثيره في جذب الأجسام المعدنية.

الدومينات المغناطيسية

في المواد المغناطيسية مثل الحديد، تتجمع الذرات في مجموعات صغيرة تُعرف بـالمناطق المغناطيسية أو “الدومينات”، حيث تتجه العزوم المغناطيسية (أو اللحظات المغناطيسية) في اتجاه موحّد. عند تعرض قطعة من الحديد لمجال مغناطيسي خارجي، تبدأ هذه الدومينات في الترتيب والتنظيم، مما يجعل القطعة نفسها تتحول إلى مغناطيس. وهذا يُفسر كيف يمكن تحويل مسمار حديدي إلى مغناطيس مؤقت عند فركه بمغناطيس قوي أو تعريضه لمجال مغناطيسي.

أنواع المغناطيسات

يمكن تصنيف المغناطيسات إلى عدة أنواع بحسب خصائصها ومصادرها:

المغناطيس الدائم

هو مغناطيس يحتفظ بخواصه لفترة طويلة دون الحاجة إلى مصدر طاقة خارجي. يصنَّع هذا النوع من مواد مثل الحديد الصلب أو سبائك نيوديميوم-حديد-بورون، وهو يُستخدم في很多 التطبيقات مثل مكبرات الصوت، الأقراص الصلبة، وأبواب الثلاجات.

المغناطيس المؤقت

يتحول هذا النوع من المواد إلى مغناطيس فقط أثناء تعرضه لمجال مغناطيسي خارجي، وبعد زوال التأثير يفقد خواصه المغناطيسية. مثال على ذلك دبوس حديدي يلتقط مشبك ورق بعد ملامسته لمغناطيس دائم.

المغناطيس الكهربائي

يتكوّن من سلك ملفوف حول قلب معدني (عادة من الحديد)، ويتحول إلى مغناطيس عند تمرير التيار الكهربائي من خلال السلك. يمكن التحكم بقوة هذا المغناطيس وبإيقافه وتشغيله، مما يجعله مفيدًا في الرافعات الكبرى في المصانع ومفاتيح الكهرباء.

المجال المغناطيسي

عندما نتحدث عن “قوة” المغناطيس، فإننا نشير في الواقع إلى المجال المغناطيسي الذي يحيط به. يُمثَّل هذا المجال غالبًا باستخدام خطوط غير مرئية تُعرف بـ”خطوط المجال”، وتخرج هذه الخطوط من القطب الشمالي وتدخل في القطب الجنوبي. يمكن تجربة هذا المجال بوضع برادة الحديد فوق ورقة وتحتها مغناطيس؛ عند التربيت على الورقة، سترتّب البرادة نفسها حسب خطوط المجال.

تجارب بسيطة لفهم عمل المغناطيس

يمكن للمعلمين والأهل إجراء تجارب بسيطة تعزز فهم الأطفال للمغناطيس:

تجربة ١: ضع مغناطيسًا أسفل ورقة وزع فوقها برادة الحديد. راقب الخطوط التي تتشكل تلقائيًا لتعطيك صورة عن شكل المجال المغناطيسي.

تجربة ٢: قرب مغناطيسًا من مسمار حديدي وافحص إن كان ينجذب إليه. ثم جرّب نفس التجربة باستخدام عملة معدنية أو قطعة بلاستيك لتوضيح الفرق.

تجربة ٣: لف سلكًا نحاسيًا حول مسمار حديدي، ووصله ببطارية. لاحظ كيف يتحول المسمار إلى مغناطيس كهربائي يجذب الأجسام المعدنية.

استخدامات المغناطيس في الحياة اليومية

يُستخدم المغناطيس في العديد من مجالات الحياة، وهذه أمثلة لطرق استخدامه:

• في المدارس: تُستخدم مغناطيسات صغيرة في تعليق الأوراق على اللوحات البيضاء.
• في الأجهزة الإلكترونية: يدخل في صناعة مكبرات الصوت، الأقراص الصلبة، والمحركات.
• في الطب: تُستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لاكتشاف الحالات المرضية داخل الجسم.
• في النقل: تُستخدم القطارات المغناطيسية (Maglev) التي تطفو فوق القضبان وتتحرك بسرعة فائقة دون احتكاك باستخدام القوى المغناطيسية.

كيف تفقد المواد خواصها المغناطيسية؟

رغم أن المغناطيسات تبدو قوية، فإنها قد تفقد خصائصها مع مرور الزمن أو في ظروف معينة. من بين العوامل التي قد تؤدي إلى فقدان المغناطيس لخواصه:

• ارتفاع درجة الحرارة: عند تسخين المغناطيس إلى درجة معينة تُسمى “درجة حرارة كوري”، تبدأ الدومينات في التبعثر، ما يؤدي إلى فقدان الخاصية المغناطيسية.
• الاصطدام أو الطرق الشديد: قد يغيّر ترتيب الجزيئات داخل المادة، مما يقلل قدرتها على الحفاظ على المجال.
• الموجات الكهرومغناطيسية القوية: مثل تلك الموجودة قرب أجهزة قوية قد تؤثر على المجال المغناطيسي الثابت.

المغناطيس وكوكب الأرض

تجدر الإشارة إلى أن كوكب الأرض نفسه يعمل كمغناطيس ضخم. الأرض تمتلك مجالًا مغناطيسيًا طبيعيًا يمتد حولها ويُعرف باسم “المجال المغناطيسي الأرضي”. هذا المجال يحمي الكوكب من الإشعاعات الشمسية الضارة، ويُستخدم أيضًا في البوصلات لتحديد الاتجاهات. فتعمل البوصلة بحيث يشير إبرتها دائمًا إلى القطب الشمالي المغناطيسي للأرض؛ وهي طريقة مثلى لمعرفة الاتجاه، خاصة أثناء السفر والملاحة.

خاتمة علمية

يمكن القول إن المغناطيس ظاهرة فيزيائية مدهشة ومهمة تمس جميع جوانب حياتنا اليومية. من خلال فهم التركيب الذري، والعوامل الفيزيائية، وتجريب خصائصه في الأنشطة الصفية، نفتح أمام الطلاب أبواب الاستكشاف والمعرفة بشكل ممتع وتعليمي. إن استكشاف ظاهرة المغناطيس لا يساعد فقط على فهم مفاهيم الفيزياء، بل يعزز الفضول العلمي ويُنمّي مهارات التفكير التحليلي والتجريبي منذ المراحل الدراسية المبكرة.