نیروی مغناطیسی چیست؟ – ویژگی ها و مقایسه آن با نیروی الکتریکی

نیرویی را که بر بارهای الکتریکی از طرف میدان مغناطیسی وارد می شود به نام نیروی مغناطیسی می گویند. در یک رسانا نیروی مغناطیسی که به وسیله بارهای متحرک ایجاد شده است، به خود رسانای حامل بارهای متحرک وارد می شود. مبحث نیرو مغناطیسی در کتاب علوم ششم به طور مختصر بیان شده است. در نتیجه میدان مغناطیسی در یک جسم نیز ، نیروی مغناطیسی بر اشیای دیگر وارد می شود. این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک به توضیح و بررسی نیروی مغناطیسی می پردازد.

نیرو چیست؟

عامل خارجی که باعث حرکت اجسام و شتاب دادن به آن ها می شود به عنوان نیرو تعریف می شود. به عبارت دیگر با هل دادن و یا کشیدن یک جسم در اثر برهمکنش با یک جسم دیگر، نیرو به وجود می آید. نیرو به عنوان یک کمیت برداری می تواند علاوه بر ایجاد حرکت و یا توقف یک جسم، شکل و اندازه آن را نیز تغییر دهد. شتابی که در یک جسم ایجاد می شود متناسب با مجموع برداری نیروهای وارد شده بر جسم است. واحد اندازه گیری نیرو، نیوتن بوده و انواع نیرو به دو دسته نیروهای تماسی و غیرتماسی تقسیم می شوند. نیروهای غیرتماسی شامل نیروی گرانشی، الکتریکی و مغناطیسی است. نیروی اصطکاک، کشش، نرمال و چند نوع دیگر نیز جزء نیروهای تماسی هستند.

نیروی مغناطیسی چیست؟

این نیرو می تواند در نتیجه اعمال شدن میدان مغناطیسی بر بار الکتریکی متحرک مانند پروتون و یا جریان الکتریکی که در یک سیم برقرار است، ایجاد شود. محاسبه نیرویی که توسط دو بار الکتریکی q_۱ و q_۲ که در فاصله ای به اندازه r از هم قرار دارند و به هم وارد می کنند، از طریق قانون کولن خواهد بود. نیروی ایجاد شده بدین طریق، در صورت متحرک بودن بارهای الکتریکی، نیروی مغناطیسی نامیده می شود. از طریق روابط فیزیکی که بین این بارها و فاصله بین آن ها وجود دارد می توان مقدار این نیرو را محاسبه کرد.

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان

سیم هایی که حامل جریان الکتریکی هستند در هر موتور الکتریکی وجود دارد که از طرف میدان های مغناطیسی موجود در این موتورها (مانند آهن رباها) متحمل نیرو می شوند. اولین با این نیروی وارده توسط اورستد که فیزیکدانی دانمارکی بود، اندازه گیری شد. در این محاسبه او نشان داد که این نیروی وارد شده از سمت میدان مغناطیسی عمود بر راستای میدان مغناطیسی و راستای سیم است.

مقدار این نیرو را در یک جریان با محاسبه مقدار نیروهای مغناطیسی وارد شده بر بار منفرد، می توان از رابطه زیر به دست آورد.

F = IlB sinθ

در این رابطه F نیروی مغناطیسی وارد شده بر سیم رسانایی است که حامل جریانی به اندازه I و به طول l است. B نشان دهنده میدان مغناطیسی و θ زاویه بین خطوط میدان مغناطیسی و امتداد سیم حامل جریان است.

کاربرد نیروی مغناطیسی سیم حامل جریان

نیروهای مغناطیسی که در رسانه های حامل جریان ایجاد می شود برای تبدیل انرژی الکتریکی به کار مانند موتورها استفاده می شود. یکی از کاربردهای این نیرو در Magnetohydrodynamics (مگنتوهیدرودینامیک) است که پمپپاژ غیرمکانیکی مایعات بدون جابجایی قطعه های مکانیکی انجام می شود.

در این دستگاه لوله ای پرشده از مایع وجود دارد که یک میدان مغناطیسی قوی و جریان الکتریکی عمود بر این میدان وارد می شود. در صورت عدم متحرک بودن قطعه های این دستگاه، در رآکتورهای هسته ای با استفاده از این نیرو، گرما و عناصری مثل سدیم را جابجا می کنند.

از نیروهای دستگاه مذکور در زیردریایی های هسته ای برای کاهش صدای ملخ ها استفاده می شود. مقابله با حملات هسته ای اول و دوم و نجات یافتن از آن ها، از مزایای استفاده از زیردریایی های هسته ای است. تحقیقاتی در حال انجام است تا از این روش برای پمپپاژ خون در قلب های مصنوعی استفاده کنند. چون در روش های پمپاژ مکانیکی احتمال تاثیرات مخرب است.

تامین توان مصرفی تجهیزات پوشیدنی توسط نیروهای مغناطیسی

ژنراتور مغناطیسی کشسانی توسط برخی از پژوهشگران در آمریکا ساخته شده که می تواند جریان الکتریکی لازم برای تجهیزات پوشیدنی را تامین کند. کارکرد این دستگاه با استفاده از اثر مگنتوالاستیک بوده و نزدیک و یا دور شدن مواد مغناطیسی داخل آن با استفاده از فشار مکانیکی انجام می شود. سپس وقتی شدت میدان مغناطیسی این مواد تغییر کند، جریان الکتریکی تولید می شود. ساختن این ژنراتور با به کارگرفتن یک پلیمر انجام می شود که در اطراف سیلیکون محتوای پلاتین بوده و نانوذرات مغناطیسی مانند آهن و نئودیم داخل آن وجود دارد.

اتصال این دستگاه با به کار بردن یک سیلیکون به آرنج انجام می شود. دور و نزدیک شدن نانوذرات مغناطیسی با حرکت آرنج، منجر به تولید جریان الکتریکی می کند. این ژنراتور به حدی حساس است که با تبدیل امواج حاصل از نبض انسان، می تواند تولید سیگنال های الکتریکی کرده و توان لازم برای کنترل فعالیت قلب را تامین می کند. از مزایای این دستگاه، تاثیر نکردن رطوبت در آن است.

مقایسه بین نیروی الکتریکی و مغناطیسی

پیچیدگی نیروی مغناطیسی در مقایسه با نیروی الکتریکی به دلیل وابسته بودن با سرعت، بیشتر است. درهر دوی این نیروها تناسب با عکس مجذور فاصله بین دو ذره باردار و تناسب مستقیم با حاصلضرب اندازه دو بار وجود دارد. در تفاوت این دو می توان گفت که نیروهای مغناطیسی نیروهای مرکزی نیستند، یعنی جهت آن ها در راستای خط ارتباطی بین ذرات نیست. اما این موضوع در مورد نیروی الکتریکی صدق نمی کند. استثنایی که در این مورد برای نیروهای مغناطیسی وجود دارد، عمود بودن سرعت ذره بارداری که متحمل نیرو می شود بر فاصله ی بین ذرات است. در این حالت است که این نیرو در جهت خط ارتباطی بین ذرات می باشد.

نکته

در صورت کوچک بودن سرعت ذرات نسبت به سرعت نور، نسبت کسر نیروی مغناطیسی به نیروی الکتریکی خیلی کوچک می شود. این ارتباط کسری نشان دهنده کوچک بودن و برهمکنش ضعیف نیروهای مغناطیسی نسبت به نیروهای الکتریکی است. به طوری که می توان از این نیرو در مقابل نیروی الکتریکی صرف نظر کرد. در برخی از دستگاه ها (مانند جریان رسانشی) این مورد صدق نمی کند.

اهمیت وجود نیروی مغناطیسی زمین

زمین مانند یک آهن ربای بزرگ دارای دو قطب مغناطیسی شمال و جنوب (نه در جهت جغرافیایی شمال و جنوب) است. جهت های مغناطیسی زمین هر چند سال یکبار دچار تغییر می شوند به طوری که در طی ۱۰۰ میلیون سال، ۲۰۰ بار تغییر کردند. میزان این میدان در دو قطب بیشتر است. میدان مغناطیسی زمین با حرکت و جابجایی آهن مذاب موجود در هسته بیرونی زمین، درنتیجه چرخش زمین ایجاد می شود.

از مزایای وجود این میدان، حفظ  زمین در مقابل پرتوهای مضر و جلوگیری از فرسایش های جوی است. چون میدان مغناطیسی اطراف زمین مسیر طوفان های خورشیدی را منحرف کرده و اتمسفر مانع ورود این ذرات به سطح زمین می شوند. میدان مغناطیسی زمین از این کره در مقابل اشعه های خارج از منظومه شمسی نیز محافظت می کند.