خطوط میدان مغناطیسی: تجسم نیروی نامرئی + کاربردها

هر بار الکتریکی در حال حرکت، یک میدان مغناطیسی در اطراف خود ایجاد می‌کند. این میدان نامرئی و پیوسته است، اما می‌توان قدرت و جهت آن را با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی نمایش داد. این خطوط، که گاهی خطوط شار مغناطیسی نیز نامیده می‌شوند، به ما کمک می‌کنند تا این نیروی نامرئی را درک کنیم و با استفاده از قوانین ریاضی فیزیک، آن را به راحتی تحلیل کنیم.

• خطوط میدان مغناطیسی، نمایش تصویری نیروهای نامرئی در یک میدان مغناطیسی هستند.
• به طور قراردادی، این خطوط جهت نیرو را از قطب شمال به قطب جنوب یک آهنربا نشان می‌دهند.
• فاصله بین خطوط، نشان‌دهنده قدرت نسبی میدان مغناطیسی است. هر چه خطوط به هم نزدیک‌تر باشند، میدان مغناطیسی قوی‌تر است.
• برای تجسم شکل، قدرت و جهت خطوط میدان مغناطیسی می‌توان از براده‌های آهن و قطب‌نما استفاده کرد.

میدان مغناطیسی یک کمیت برداری

میدان مغناطیسی یک کمیت برداری است، به این معنی که هم مقدار دارد و هم جهت. برای مثال، اگر جریان الکتریکی در یک خط مستقیم جریان داشته باشد، قانون دست راست به ما نشان می‌دهد که خطوط میدان مغناطیسی نامرئی چگونه در اطراف سیم جریان می‌یابند. تصور کنید سیم را با دست راست خود گرفته‌اید، در حالی که شست شما جهت جریان را نشان می‌دهد. در این حالت، میدان مغناطیسی در جهت خم شدن انگشتان شما در اطراف سیم حرکت می‌کند. اما اگر جهت جریان را ندانید یا صرفاً بخواهید یک میدان مغناطیسی را تجسم کنید، چه باید کرد؟

چگونه میدان مغناطیسی را ببینیم؟

میدان مغناطیسی درست مانند هوا نامرئی است. همان‌طور که با پرتاب تکه‌های کوچک کاغذ به هوا می‌توان جریان باد را به طور غیرمستقیم دید، با قرار دادن مواد مغناطیسی در میدان مغناطیسی نیز می‌توان مسیر آن را ردیابی کرد. در اینجا روش‌های آسانی برای این کار آورده شده است:

استفاده از قطب‌نما

چرخاندن یک قطب‌نما در اطراف یک میدان مغناطیسی، جهت خطوط میدان را نشان می‌دهد. برای نقشه‌برداری دقیق‌تر از میدان مغناطیسی، می‌توانید تعدادی قطب‌نما را در نقاط مختلف قرار دهید. با اتصال نقاطی که قطب‌نماها نشان می‌دهند، می‌توانید خطوط میدان مغناطیسی را ترسیم کنید. مزیت این روش این است که جهت خطوط میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. اما عیب آن این است که قدرت میدان مغناطیسی را مشخص نمی‌کند.

استفاده از براده‌های آهن یا ماسه مگنتیت

آهن یک ماده فرومغناطیسی است. این بدان معناست که در راستای خطوط میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد و آهنرباهای کوچکی با قطب‌های شمال و جنوب تشکیل می‌دهد. تکه‌های ریز آهن، مانند براده‌های آهن، یک نقشه دقیق از خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل می‌دهند، زیرا قطب شمال یک تکه، قطب شمال تکه دیگر را دفع می‌کند و قطب جنوب آن را جذب می‌کند. اما نمی‌توانید براده‌ها را مستقیماً روی آهنربا بپاشید، زیرا به آن جذب می‌شوند و به جای ردیابی میدان مغناطیسی، به آن می‌چسبند.

برای حل این مشکل، براده‌های آهن را روی کاغذ یا پلاستیکی که بر روی میدان مغناطیسی قرار دارد، می‌پاشند. یک روش برای پخش کردن براده‌ها این است که آن‌ها را از ارتفاع چند سانتی‌متری روی سطح بپاشید. برای وضوح بیشتر خطوط میدان، می‌توان براده‌های بیشتری اضافه کرد، اما این کار تا یک حدی موثر است.

به عنوان جایگزین براده‌های آهن می‌توان از گلوله‌های فولادی BB، براده‌های آهن قلع‌اندود شده (که زنگ نمی‌زنند)، گیره‌های کاغذ کوچک، سوزن منگنه یا ماسه مگنتیت استفاده کرد. مزیت استفاده از ذرات آهن، فولاد یا مگنتیت این است که ذرات یک نقشه دقیق از خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل می‌دهند. این نقشه همچنین نشان‌دهنده تقریبی قدرت میدان مغناطیسی است. خطوط متراکم و نزدیک به هم، مناطقی با قوی‌ترین میدان مغناطیسی را نشان می‌دهند، در حالی که خطوط پراکنده و دور از هم، مناطقی با میدان ضعیف‌تر را نشان می‌دهند. عیب استفاده از براده‌های آهن این است که جهت‌گیری میدان مغناطیسی را نشان نمی‌دهند. ساده‌ترین راه برای رفع این مشکل، استفاده از قطب‌نما به همراه براده‌های آهن برای نقشه‌برداری از هر دو جهت و راستا است.

استفاده از فیلم نمایش مغناطیسی

فیلم نمایش مغناطیسی، یک پلاستیک انعطاف‌پذیر است که حاوی حباب‌هایی از مایع است که با میله‌های مغناطیسی کوچک آغشته شده‌اند. این فیلم بسته به جهت‌گیری میله‌ها در میدان مغناطیسی، تیره‌تر یا روشن‌تر به نظر می‌رسد. فیلم نمایش مغناطیسی برای نقشه‌برداری از هندسه مغناطیسی پیچیده، مانند آنچه که توسط یک آهنربای تخت یخچال ایجاد می‌شود، بهترین عملکرد را دارد.

خطوط میدان مغناطیسی در طبیعت

خطوط میدان مغناطیسی در طبیعت نیز قابل مشاهده هستند. در طول خورشید گرفتگی کامل، خطوط هاله خورشیدی، میدان مغناطیسی خورشید را ردیابی می‌کنند. بر روی زمین، خطوط شفق قطبی مسیر میدان مغناطیسی سیاره را نشان می‌دهند. در هر دو مورد، خطوط قابل مشاهده، جریان‌های درخشان ذرات باردار هستند.

قواعد خطوط میدان مغناطیسی

با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی برای ساخت یک نقشه، برخی قوانین آشکار می‌شوند:

1. خطوط میدان مغناطیسی هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.
2. خطوط میدان مغناطیسی پیوسته هستند. آنها حلقه‌های بسته‌ای را تشکیل می‌دهند که در سرتاسر یک ماده مغناطیسی ادامه می‌یابند.
3. خطوط میدان مغناطیسی در جایی که میدان مغناطیسی قوی‌تر است، به هم نزدیک‌تر می‌شوند. به عبارت دیگر، تراکم خطوط میدان، قدرت میدان مغناطیسی را نشان می‌دهد. اگر خطوط میدان اطراف یک آهنربا نقشه‌برداری شوند، قوی‌ترین میدان مغناطیسی آن در هر یک از قطب‌ها قرار دارد.
4. مگر اینکه میدان مغناطیسی با استفاده از قطب‌نما نقشه‌برداری شده باشد، جهت میدان مغناطیسی ممکن است ناشناخته باشد. طبق قرارداد، جهت با کشیدن نوک پیکان در امتداد خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می‌شود. در هر میدان مغناطیسی، خطوط همیشه از قطب شمال به قطب جنوب جریان دارند. نام‌های "شمال" و "جنوب" تاریخی هستند و ممکن است هیچ ارتباطی با جهت‌گیری جغرافیایی میدان مغناطیسی نداشته باشند.