يعد مفهوم المجال المغناطيسي أمرًا أساسيًا في فهم المغناطيسية وتطبيقاتها في الفيزياء. المجال المغناطيسي هو مجال غير مرئي حول المغناطيس الذي يؤثر بقوة على مغناطيسات أخرى أو مواد مغناطيسية، مثل الحديد. وهذا المجال هو ما يسمح للمغناطيسات بالتجاذب أو التنافر دون تلامسها.
المجال المغناطيسي هو مجال متجه يصف التأثير المغناطيسي على الشحنات الكهربائية المتحركة والتيارات الكهربائية والمواد المغناطيسية. يتم إنشاء المجال المغناطيسي بواسطة التيارات الكهربائية، والتي يمكن أن تكون تيارات مجهرية في الأسلاك أو تيارات مجهرية مرتبطة بالإلكترونات في المدارات الذرية. يتم تحديد المجال المغناطيسي عند أي نقطة معينة من خلال الاتجاه والحجم (أو القوة)؛ على هذا النحو، فهو حقل متجه.
يمكن تصور المجالات المغناطيسية باستخدام خطوط المجال المغناطيسي. تبدأ هذه الخطوط عند القطب الشمالي للمغناطيس وتنتهي عند القطب الجنوبي. تشير كثافة هذه الخطوط إلى قوة المجال المغناطيسي: كلما اقتربت الخطوط، كلما كان المجال المغناطيسي أقوى. خطوط المجال المغناطيسي لا تتقاطع أبدًا.
يتم وصف قوة واتجاه المجال المغناطيسي بواسطة ناقل. يُشار إلى هذا المتجه بالرمز \(\vec{B}\) ، حيث يمثل \(B\) حجم المجال المغناطيسي ويشير السهم إلى الاتجاه. وحدة شدة المجال المغناطيسي في النظام الدولي للوحدات (SI) هي تسلا (T).
يوصف المجال المغناطيسي الناتج عن شحنة متحركة \(q\) تتحرك بسرعة \(\vec{v}\) في مجال مغناطيسي بواسطة قانون قوة لورنتز، والذي يُعطى بواسطة:
\( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \)حيث \(\vec{F}\) هي القوة المؤثرة على الشحنة، \(q\) هي الشحنة، \(\vec{v}\) هي سرعة الشحنة، و \(\vec{B}\) هو ناقل المجال المغناطيسي. يشير الرمز \(\times\) إلى حاصل الضرب الاتجاهي، وهو ما يعني أن القوة متعامدة مع كل من سرعة الشحنة والمجال المغناطيسي.
تتولد المجالات المغناطيسية عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية. على سبيل المثال، تولد التيارات الكهربائية المتدفقة عبر سلك مجالًا مغناطيسيًا حول السلك. تساعد قاعدة اليد اليمنى في تحديد اتجاه المجال المغناطيسي حول موصل يحمل تيارًا: إذا وجهت إبهام يدك اليمنى في اتجاه التيار، فإن أصابعك تلتف في اتجاه المجال المغناطيسي.
تعمل الأرض نفسها كمغناطيس عملاق ذو مجال مغناطيسي. يشبه المجال المغناطيسي للأرض المجال المغناطيسي للقضيب المغناطيسي، حيث تمتد خطوط المجال المغناطيسي من القطب الجنوبي المغناطيسي إلى القطب الشمالي المغناطيسي. يحمي المجال المغناطيسي للأرض الكوكب من الرياح الشمسية عن طريق إبعاد الجسيمات المشحونة.
المغناطيسية موجودة في العديد من جوانب الحياة اليومية. من البوصلات التي تستخدم المجال المغناطيسي للأرض للتنقل، إلى الشرائط المغناطيسية الموجودة على بطاقات الائتمان، وحتى في التكنولوجيا الطبية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، الذي يستخدم مجالات مغناطيسية قوية لتوليد صور لداخل الجسم.
أحد أهم تطبيقات المجالات المغناطيسية في التكنولوجيا هو المغناطيس الكهربائي. من خلال لف سلك حول قطعة من الحديد وتمرير تيار كهربائي عبر السلك، يتم إنشاء مجال مغناطيسي قوي. ويستخدم هذا المبدأ في المحركات والمولدات الكهربائية.
يمكن ملاحظة المجالات المغناطيسية ودراستها من خلال عدة تجارب بسيطة. على سبيل المثال، رش برادة الحديد حول المغناطيس سيكشف عن نمط خطوط المجال المغناطيسي. يصبح كل ملف مغناطيسًا صغيرًا ويحاذي نفسه على طول خطوط المجال المغناطيسي، مما يوضح اتجاه المجال وقوته بشكل واضح.
تعد المجالات المغناطيسية جانبًا أساسيًا من الفيزياء التي تؤثر على العديد من جوانب العالم الطبيعي والتكنولوجي. من المقاييس العيانية للمجال المغناطيسي للأرض الذي يحمي الحياة من الرياح الشمسية، إلى المقاييس المجهرية للذرات التي تساهم في الخواص المغناطيسية للمواد، تلعب المجالات المغناطيسية دورًا حاسمًا. إن فهم المجالات المغناطيسية وتطبيقاتها لا يوفر نظرة ثاقبة لطريقة عمل الكون فحسب، بل يتيح أيضًا التقدم التكنولوجي الذي له تأثيرات كبيرة على حياتنا اليومية.
