كيف يعمل المغناطيس الكهربائي؟ أيُّهما أفضل؟!

ما الشيء المشترك بين كلٍّ من مكان تحطيم السيارات وحفلة الروك وباب منزلك؟ كلها تستخدم المغناطيس الكهربائي. فهذه الأجهزة تخلق حقلًا كهربائيًّا باستخدام الكهرباء. فمكبَّات تحطيم السيارات توظف مغانطَ كهربائيَّةً قويةً جدًّا لتحريك الأجزاء الثقيلة من خردة المعادن أو حتى سيارات كاملة من مكان إلى آخر. تستخدم فرقتك الموسيقية المفضلة المغانط الكهربائيَّة أيضًا لتضخيم الصوت الصادر من المكبرات. وعندما يقرع أحدُهم جرسَ الباب، يسحب مغناطيس كهربائي صغير ذراعًا معدنيَّة ليطرقها بالجرس.

أمَّا ميكانيكيًّا؛ فالمغناطيس الكهربائي بسيطٌ جدًّا؛ إذ يتألف من سلك كهربائي طويل ملتف -على شكل وشيعة عادةً من النحاس- حول جزء معدني (نواة). كوحش فرانكشتاين الذي يبدو تجميعةً من المواد غير المفيدة حتى تتدخل الكهرباء.

لستَ بحاجة إلى الانتظار حتى حدوث عاصفة لكي تبث الحياة في المغناطيس الكهربائي، فأنت بحاجة إلى التيار الكهربائي فقط الذي يمكنك الحصول عليه إمَّا من بطارية وإمَّا أي مصدر آخر للطاقة، بإمراره خلال السلك. هذا ما يؤدي إلى توليد حقل مغناطيسي حول السلك ذي النواة ممغنطًا المعدن وكأنه مغناطيس دائم. والمغناطيس الكهربائي مفيد لأنَّه بإمكانك تشغيل المغناطيس وإيقافه عبر تمرير التيار الكهربائي أو قطعه.

قبل أن نذهب أبعد من ذلك؛ علينا أن نناقش كيف يختلف المغناطيس الكهربائي عن المغناطيس الدائم التقليدي، فكما تعلمون يملك المغناطيس قطبين (شمالي وجنوبي)، ويجذب الأشياء المصنوعة من الحديد أو الفولاذ أو مزيج ممَّا سبق. إذا كان لديك مغناطيسان مؤشر كل منهما بقطب شمالي وآخر جنوبي؛ فإن الأقطاب المختلفة سوف تتجاذب، في حين أنَّ الأقطاب المتماثلة سوف تتنافر. والمغناطيس الكهربائي يعمل تمامًا بالطريقة نفسها لكنَّه "مؤقت"؛ إذ إنَّ الحقل المغناطيسي يوجد في حال وجود تيار كهربائي فقط.

جرس الباب هو مثال جيد عن تطبيقات المغانط الكهربائيَّة التي لا يمكن استبدالها بالمغانط الدائمة. وعندما يضغط الزائر الزرَّ بجانب باب منزلك؛ فإنَّ الدائرة الكهربائية في الجرس تُغلَق؛ ما يؤدي إلى مرور التيار الكهربائي ويبدأ بالرنين. وتسمح الدائرة المغلقة بمرور التيار وتشكل الحقل المغناطيسي وجذب الذراع المعدنية.

إنَّ مكونات أغلب الأجراس الكهربائية هي سطح الجرس المعدني والذراع المعدنية، وعندما تُفعل المغنطة فإن ذلك يؤدي إلى اصطدامهما معًا؛ فتسمع الضجةَ المُحدثة من داخل منزلك وترد على القارع. وبعد أن يرن الجرس؛ يحرر الضيف الزر وتعود الدارة لتصبح مفتوحةً وتعود الأجزاء المتحركة إلى وضعها السابق، وهذا ما يجعل المغناطيس الكهربائي مفيدًا جدًّا.

في هذه السلسلة؛ سوف نلقي نظرةً أقربَ إلى المغانط الكهربائية ونكتشف كيف تسخِّر هذه الأجهزة العلمَ في جميع الأشياء حولنا التي تجعل حياتنا أسهل.

لكن كيف وصلنا إلى هنا أساسًا؟ وهل كانت مجرد مصادفة؟

تاريخُ المغانطِ الكهربائيًّةِ:

إن العلاقة بين الكهرباء والمغنطة لم تُدرس تمامًا حتى عام 1873؛ وذلك عندما لاحظ العالِم جيمس ماكسويل James Maxwell التأثير المتبادل بين الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة. وعن طريق اختبارات متعددة؛ حدد ماكسويل أن هذه الشحنات بإمكانها أن تتجاذب أو تتنافر بعضها مع بعض تبعًا لاتجاهها. وكان أوَّل من اكتشف قطبية المغناطيس وأن مرور التيار عبر سلك يولد حقلًا مغناطيسيًّا حول ذلك السلك.

كانت أعمال ماكسويل مسؤولةً في أساسيَّات علميَّة عديدة، لكنَّه لم يكن أوَّل من أدى تجاربَ عن الكهرباء والمغنطة. فقبل نحو 50 سنة من ذلك التاريخ؛ وجد هانس كريستيان أورستد Hans Christian Oersted أن البوصلة التي كان يستخدمها كانت تتأثر عندما تُفصل أو تُوصل بطارية كانت موجودة في المخبر. هذا سوف يحدث فقط إذا كان هناك حقل مغناطيسي يتداخل مع إبرة البوصلة، وتوصل بذلك إلى أن حقلًا مغناطيسيًّا سوف يتولد من تدفق التيار الكهربائي من البطارية. لكن توجه أورستد نحو الكيمياء وترك أبحاث الكهرباء والمغناطيسية للآخرين.

الجد الأكبر للمغنطة الكهربائية هو مايكل فاراداي Michael Faraday؛ وهو كيميائي وفيزيائي وصف العديد من النظريات التي اعتمد عليها ماكسويل لاحقًا.

هناك سبب واحد جعل من فاراداي بارزًا بصورة كبيرة في التاريخ من ماكسويل أو أورستد؛ وهو كونه باحثًا ومخترعًا كثيرَ الإنجازِ. ويُعرف على نحو واسع بأنَّه رائد في مجال المغانط الكهربائية، ويملك الفضل في اكتشاف التحريض الكهرومغناطيسي الذي سوف يُناقش لاحقًا عندما نتحدث عن تطبيقات من حياتنا اليوميَّة. واخترع فاراداي المحرك الكهربائي أيضًا الذي نستخدمه جميعًا.

لكل من المغانط الدائمة أو الكهربائية استخداماتها بالتأكيد، ولكن؛ يبدو أنَّ دور المغانط الكهربائية هو أكثر من مجرد جذب بعض الأجسام أو تعليقها على سطح الثلاجة.

هل سمعت يومًا بالقارة الأمريكية؟ ربما لم نكن لنسمع بها لولا المغناطيس، هل تريد أن تعرف لماذا؟ تابعنا إذًا في الجزء الثاني من هذه السلسلة.

المصادر: 

1- هنا

الدراسات المرجعية:

1- Electromagnets.” Encyclopædia Britannica Online. (Sep 23. 2011) هنا

2- Ferromagnets.” Boston University. (Sept. 21, 2011) هنا

3- Grossman, Lisa. “Tube Full of Plasma Creates Solar Eruption in Lab.” Wired Magazine. Aug. 31, 2010. (Sept. 26, 2011) هنا

4- Mansfield. A.N. “Electromagnets – Their Design and Construction.” Rough Draft Printing. July, 2007

5- NOVA Teachers. “NOVA ScienceNOW: CERN.” (Sept. 23, 2011) هنا

6- Underhill, Charles Reginald. “Solenoids, Electromagnets and Electromagnetic Windings.” Nabu Press. March 20, 2010