خصائص وقياس المجال المغناطيسي للأرض: من جاوس إلى تسلا

يعد المجال المغناطيسي للأرض أحد تلك الظواهر الطبيعية التي، على الرغم من تجاهلها في كثير من الأحيان في حياتنا اليومية، كانت ضرورية لتطور كوكبنا والتطور العلمي والتكنولوجي منذ العصور القديمة وحتى يومنا هذا. واليوم تشكل دراستها وقياسها، وكذلك فهم خصائصها وتطبيقاتها في مختلف المجالات، قاعدة أساسية لفروع مثل الجيوفيزياء والصناعة والطب والهندسة.

يتساءل الكثير منا عن كيفية قياسه، وما هي الأحجام التي تصفه، وما هي الأدوات المستخدمة (مثل مقياس الجاوس)، ولماذا هو مهم جدًا في حياتنا الحديثة. في هذه المقالة، سوف نقوم بتحليل طبيعة وخصائص وطرق قياس المجال المغناطيسي للأرض بشكل شامل ودقيق، مع مراجعة المفاهيم المعروفة مثل تسلا وجاوس، بالإضافة إلى التطور التاريخي والمفاهيمي لهذا المجال الفيزيائي، وتداعياته التكنولوجية، ودور العلماء مثل جاوس، وفاراداي، وأمبير، وماكسويل في فهم المغناطيسية. لن يكون هناك نقص في التوضيحات حول المواد المغناطيسية، وأجهزة القياس، ووحدات القياس، والتطبيقات التقنية، والتطورات الأخيرة. استعد لجولة متعمقة وسهلة الوصول لعالم المغناطيسية الأرضية الرائع وقياساتها، مع الاستعانة بالعلم والتكنولوجيا.

ما هو المجال المغناطيسي؟ النهج المادي

El حقل مغناطيسي هو مقدار فيزيائي من نوع المتجه. وهذا يعني أنه يتم وصفه بواسطة وحدة (كثافة) واتجاه وإحساس. يمكن توليد المجال المغناطيسي عن طريق تحريك الشحنات الكهربائية (على سبيل المثال، تيار كهربائي في سلك)، أو عن طريق المغناطيس، أو حتى عن طريق الجسيمات دون الذرية. في المصطلحات الرياضية، يتم تمثيل المجال المغناطيسي عادة بالحرف B.

يتم قياس شدة المجال المغناطيسي في النظام الدولي للوحدات (SI) باستخدام وحدة تسلا (T)، بينما في نظام وحدات السنتيمتر المربع (cgs) يتم استخدام وحدة جاوس (G). ولإعطائك فكرة، فإن وحدة تسلا واحدة تساوي 10.000 جاوس، وهذا يعني أن وحدة تسلا أكبر بكثير؛ يعتبر Gauss أكثر عملية للتطبيقات اليومية أو لوصف المجالات المغناطيسية التي ليست قوية بشكل خاص، مثل المجال المغناطيسي للأرض. على سبيل المثال، يبلغ المجال المغناطيسي للأرض عند مستوى سطح البحر حوالي 0,5 جاوس.

كيف يتم تعريف تيسلا؟

Un تيسلا هو المجال المغناطيسي الذي يمارس قوة مقدارها 1 نيوتن (N) على شحنة مقدارها 1 كولومب (C) تتحرك بسرعة 1 متر في الثانية (m/s) عمودية على المجال. رياضيا، هو مقدار B في معادلة قوة لورنتز: F = q · (v × B)حيث تعتمد القوة المؤثرة على الشحنة وسرعتها والزاوية بالنسبة للمجال.

والغاوس؟

El الغاوس وحدة الحث المغنطيسي إنها وحدة قياس كثافة التدفق المغناطيسي أو شدة المجال المغناطيسي (cg/g). على الرغم من أنه لا ينتمي إلى النظام الدولي للوحدات، إلا أنه لا يزال يستخدم على نطاق واسع في الفيزياء والهندسة والجيوفيزياء والتخصصات التقنية. 1 تسلا = 10.000 جاوس. إذا كنت تعمل في المختبرات أو الصناعة أو التعليم، فسوف تواجه كلتا الوحدتين اعتمادًا على السياق.

تاريخ وتطور دراسة المغناطيسية

لقد كانت المغناطيسية معروفة ومستخدمة من قبل البشرية منذ العصور القديمة. المغنتيت، وهو معدن قادر على جذب الحديد، وقد أطلق عليه الصينيون واليونانيون هذا الاسم منذ آلاف السنين. ظهرت البوصلة المستخدمة في الملاحة البحرية في الصين حوالي القرن الحادي عشر وأحدثت ثورة في أساليب التوجيه في جميع أنحاء العالم.

القفزة العلمية العظيمة تأتي مع وليام جيلبرت في عام 1600، اقترح في كتابه "De Magnete" أن الأرض نفسها عبارة عن مغناطيس كروي عملاق. ولم يكتف بمراقبة سلوك البوصلات، بل اقترح أيضًا أن المجال المغناطيسي المحيط بالكوكب ينشأ داخل الأرض نفسها.

وفي وقت لاحق، تقدم علم المغناطيسية بفضل الاكتشافات والأبحاث التي أجراها علماء مثل هانز كريستيان أورستد (اكتشف العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية في عام 1820)، أندريه ماري أمبير (صاغ القانون الذي يحمل اسمه حول تفاعل التيارات الكهربائية)، مايكل فاراداي (طور الحث الكهرومغناطيسي) و كارل فريدريش جاوس (عالم رياضيات وفيزياء ألماني ساهم مع فيلهلم فيبر في صياغة المغناطيسية الحديثة وقياس مجال الأرض).

في 1838، نشر جاوس "النظرية العامة للمغناطيسية"، مما يدل على أن الأصل الرئيسي للمجال المغناطيسي للأرض هو داخل الكوكب، وهي فكرة أساسية في علم الجيوفيزياء الحديث الذي يكمل النظرية الحالية. نظرية الدينامو (يوضح عملية نشوء المجال عن طريق حركة المعادن المنصهرة في النواة الخارجية للأرض).

المجال المغناطيسي للأرض: الأصل والتنوع

تتصرف الأرض مثل المغناطيس العملاق، مع أقطابها المغناطيسية المقابلة. على الرغم من الاعتقاد السائد منذ قرون أن أصلها كان في اللحاء، إلا أننا نعلم اليوم أن ينشأ المجال المغناطيسي للأرض عن طريق التيارات الكهربائية الناتجة عن حركة المعادن السائلة والأيونات في النواة الخارجية للكوكب. (على أعماق تتراوح بين 2.900 و 5.100 كيلومتر تحت السطح). هذا هو المعروف نظرية الدينامو.

كيف يتم قياس المجال المغناطيسي للأرض؟

نظرًا لأن المجال المغناطيسي هو مقدار المتجه، يتميز بثلاثة معلمات: الوحدة (الكثافة)، والاتجاه، والمعنى. كما يتم تقسيمها عادة إلى مكونات ديكارتية: X (المكون الشمالي الجنوبي)، Y (الشرق الغربي)، وZ (العمودي). تكوين X و Y يعطي المكون الأفقي (H). بالإضافة إلى ذلك، يتم قياس زاويتين رئيسيتين:

• الانحراف (د):الزاوية بين الشمال المغناطيسي والشمال الجغرافي.
• إمالة (I): الزاوية التي تشكلها المركبة الأفقية بالنسبة للمحور Z (الرأسي).

الوحدة الكلية للمجال (وتسمى أيضًا F) تنتج عن الجمع بين المكونات الثلاثة. يتم التعبير عنها عمومًا في تسلا أو، كونها مضاعفات فرعية أكثر قابلية للإدارة، في نانو تسلا (nT): 1 nT = 10^-9 T. لإعطائك مرجعًا، يبلغ المجال المغناطيسي عند خط استواء الأرض حوالي 30.000 نانو تسلا، ويصل عند القطبين إلى 60.000 نانو تسلا، مع اتجاه أفقي أكثر عند خط الاستواء ورأسي تقريبًا عند القطبين.

التباين الزمني والجغرافي

المجال المغناطيسي للأرض ليس ثابتًا. يمكن أن تتغير شدتها واتجاهها على مر السنين (التغيرات العلمانية). بالإضافة إلى ذلك، هناك اختلافات يومية ناجمة عن الإشعاع الشمسي، وظواهر مثل العواصف المغناطيسية (الناجمة عن تفاعل الرياح الشمسية مع الغلاف المغناطيسي للأرض) والتي يمكن أن تغير المجال بشكل كبير، وخاصة في خطوط العرض العالية.

لا تتطابق الأقطاب المغناطيسية تمامًا مع الأقطاب الجغرافية وتتحول بمرور الوقت.. ولهذا السبب، يجب أخذ الانحراف المغناطيسي في الاعتبار أثناء الملاحة وعند إنشاء الخرائط البحرية، من أجل تصحيح اتجاهات البوصلة.

الأهمية التاريخية والعملية

منذ العصور القديمة، كانت معرفة المجال المغناطيسي للأرض ضرورية للملاحة. في العصور القديمة، كان البحارة يسترشدون بالنجوم، لكنهم لم يتمكنوا من القيام بذلك إلا في الليل وإذا سمحت الظروف الجوية. البوصلة المغناطيسية وقد سمح ذلك بالتوجيه أثناء النهار وفي ظل أي ظروف جوية، مما زاد من سلامة الملاحة، طالما كانت مخططات الانحراف المغناطيسي المحدثة متاحة.

وحدات قياس المجال المغناطيسي: من تسلا إلى جاوس

يتم قياس المجالات المغناطيسية باستخدام وحدات تاريخية وحديثة مختلفة. في الوقت الحالي، الأكثر أهمية هي:

• تسلا (T):وحدة النظام الدولي لقياس كثافة التدفق المغناطيسي (B).
• غاوس (ز):وحدة cgs لقياس كثافة التدفق المغناطيسي أيضًا؛ 1 تسلا = 10.000 جاوس.
• أورستد (أوي):وحدة قياس قوة المجال المغناطيسي (H) هي وحدة قياس cgs، وهي ذات صلة بـ B ولكنها ليست مكافئة لها.
• ويبر (ويب):وحدة النظام الدولي للوحدات لقياس التدفق المغناطيسي الكلي (φ)، الناتجة عن ضرب كثافة التدفق المغناطيسي (B) في المساحة التي تعبرها خطوط المجال.
• ماكسويل (Mx): وحدة التدفق المغناطيسي (cgs)، بنسبة 1 Wb = 10⁸ مكس.

قد يكون استخدام وحدات مختلفة أمرًا مربكًا في بعض الأحيان، خاصةً عند تحويل القيم بين الأنظمة. علينا أن نتذكر دائما أن 1 تسلا يعادل 10.000 جاوس وأن 1 أمبير لكل متر (وحدة النظام الدولي للوحدات لـ H) يساوي 4π × 10^-3 مُدرج في النظام السيجيسيمي.

المواد المغناطيسية واستجابة المجال المغناطيسي

عندما يؤثر مجال مغناطيسي خارجي على مادة أو مادة، فإن الاستجابة تعتمد على بنيتها الذرية وخصائصها المغناطيسية الجوهرية. لذلك يتم تصنيف المواد إلى:

• ديامغناطيسي:يقاوم المقاومة للمجال الخارجي، ويمغنط في الاتجاه المعاكس. يتم تنافرهم بواسطة المجال المغناطيسي. أمثلة: الماء، البزموت، الذهب، الفضة، الغازات النبيلة.
• بارامغناطيسي:ينجذبون إلى المجال المغناطيسي ويصبحون ممغنطين في نفس الاتجاه. بدون مجال خارجي، فإنها لا تبقى مغناطيسية. أمثلة: الألومنيوم، البلاتين، الأكسجين.
• المغناطيسية الحديدية:يمكنها أن تصبح مغناطيسية تلقائيًا وتحافظ على مغناطيسيتها حتى بدون وجود مجال خارجي. إنها تشكل أساس المغناطيس الدائم. أمثلة: الحديد، النيكل، الكوبالت، الغادولينيوم، بعض السبائك.

La النفاذية المغناطيسية يقيس قدرة المادة على توصيل خطوط التدفق المغناطيسي. في النظام الدولي للوحدات، يتم التمييز بين النفاذية المطلقة (بالساعة/م) و النفاذية النسبية (النسبة بالنسبة إلى نسبة الفراغ، والتي قيمتها 4π·10^-7 ح/م). تتمتع المواد الديامغناطيسية بنفاذية أقل بقليل من واحد، والمواد البارامغناطيسية أعلى بقليل، والمواد الحديدية المغناطيسية أعلى بكثير وغير خطية.

ومن الظواهر الجديرة بالملاحظة هي الهستيريسيس المغناطيسي في المواد المغناطيسية الحديدية: بمجرد مغناطيسيتها، يمكنها الحفاظ على المجال حتى لو اختفى المجال الخارجي، وتتطلب مجالًا في الاتجاه المعاكس لإزالة مغناطيسيتها.

قياس المجال المغناطيسي: جهاز غاوسميتر وأجهزة أخرى

يتم استخدام أدوات مختلفة لقياس شدة واتجاه المجالات المغناطيسية، سواء في المختبر أو في التطبيقات الصناعية أو الجيوفيزيائية. الأكثر انتشارا هو مقياس غاوس.

ما هو مقياس الجاوس؟

El مقياس غاوس هو جهاز إلكتروني مصمم لقياس كثافة التدفق المغناطيسي، معبراً عنها بالغاوس أو تسلا، وأحياناً بمضاعفات جزئية مثل ميكرو تسلا. إنه يسمح بتحليل كل من شدة (معامل) واتجاه المجال، ويمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية الساكنة (المغناطيس الدائم، مجال الأرض) أو الديناميكية (التيارات الكهربائية، المجالات المتناوبة).

أنواع أجهزة قياس الجاوس حسب مبدأ التشغيل

• مستشعرات تأثير هول:بناءً على تأثير القاعة (توليد جهد عمودي في مادة موصلة بواسطة تأثير مجال مغناطيسي). وهي دقيقة ومناسبة لمعظم التطبيقات، سواء في المختبر أو في الصناعة.
• أجهزة استشعار مقاومة مغناطيسية:تستفيد من التغير في المقاومة الكهربائية لبعض المواد تحت تأثير المجال المغناطيسي. إنها مدمجة وفعالة وتستخدم للكشف عن المجالات المنخفضة أو المتقلبة.
• ملفات الحث:تكتشف التغيرات في المجال المغناطيسي من خلال الحث الكهرومغناطيسي (قانون فاراداي)، وهو مفيد بشكل أساسي للحقول المتناوبة.

يعتمد اختيار نوع جهاز قياس الجاوس على التطبيق ونطاق القياس وطبيعة المجال المغناطيسي.

أجزاء من جهاز قياس الغاوس الحديث

• مسبار:هو الجزء الحساس للجهاز، حيث يوجد به المستشعر. هناك مجسات مسطحة (لقياس المجال العرضي) ومجسات أسطوانية أو محورية (للمجال الموازي، مثل داخل الملفات اللولبية).
• المعالج:يقوم بتفسير إشارة المستشعر ويقوم بالحسابات اللازمة.
• شاشة: يعرض قيم المجال المغناطيسي المكتشفة في الوقت الحقيقي.

تتضمن العديد من أجهزة قياس غاوس تخزين البيانات، والتسجيل الأقصى/الأدنى، والقدرة على نقل النتائج إلى أجهزة الكمبيوتر أو أنظمة المعلومات الجغرافية (GIS) للتحليل المتقدم.

كيف تستخدم مقياس الجاوس؟

1. المعايرة والتحضير:من الضروري التأكد من معايرة الجهاز (وفقًا لإرشادات الشركة المصنعة) وإعداده بالمقياس المناسب لنطاق المجال المتوقع.
2. وضع التحقيق:يجب وضع المجس بشكل صحيح، وذلك باستخدام الوجه المميز بالأحرف لضمان اتجاه القياس. يعتمد الاتجاه على نوع المجال (عرضي أو محوري).
3. القراءة والتسجيل:بمجرد وضع المجس في موضعه، انتظر حتى تستقر القراءة ثم قم بتوثيق النتيجة. في الأجهزة المتقدمة، يمكن تخزين قراءات متعددة للمقارنة أو تحليل اتجاهات الوقت.

La دقة مقياس الغاوس يعتمد ذلك على جودة المستشعر والمعايرة والمسبار المستخدم وعدم وجود تداخل. يمكن أن يصل الدقة النموذجية للنماذج المتقدمة إلى 0,1% - 2% من نطاق القياس الأقصى. يمكن لعوامل مثل درجة الحرارة ووجود مجالات مغناطيسية خارجية أن تؤثر على الدقة، لذا يُنصح بتكرار القياسات، وإعادة المعايرة إذا لزم الأمر.

ما هي المجالات التي يمكن لجهاز غاوس قياسها؟

يمكن لأجهزة قياس الجاوس قياس كل من المجال المغناطيسي للتيار المستمر (DC) والتيار المتردد (AC). في حالة الحقول المتناوبة، يعرض الجهاز عادةً القيمة الفعالة (RMS) للحقل. وتسمح بعض النماذج المتقدمة بالتمييز بين النوعين، وهو أمر مفيد بشكل خاص في التطبيقات الصناعية أو العلمية حيث تكون طبيعة المجال محل اهتمام.

تامبين موجود مقاييس التسلا، وهي أجهزة مكافئة ولكنها تعرض النتائج مباشرة بالتيسلا، وهي أكثر ملاءمة للمجالات المغناطيسية الشديدة للغاية (مثل تلك التي يتم إنشاؤها في التصوير بالرنين المغناطيسي أو في مختبرات فيزياء المواد).

تطبيقات مقياس الجاوس وقياس المجال المغناطيسي

تتمتع مراقبة المجال المغناطيسي وتحليله بتطبيقات عملية هائلة في مجموعة متنوعة من المجالات، بدءًا من الأبحاث الأساسية وحتى الحياة اليومية.

الصناعة والتصنيع

مراقبة الجودة المغناطيسية:تأكد من أن المغناطيسات المنتجة تفي بالمواصفات وأن المحركات والمولدات الكهربائية تعمل في ظل الظروف المثالية.

اختبار المعدات الكهربائية:تقييم المحركات والمحولات والملفات اللولبية والمكونات الأخرى لمنع الأعطال أو انخفاض الكفاءة.

الكشف عن الأجسام المعدنية المخفية أو أنظمة الأمن:تستخدم في ضوابط الوصول وأنظمة الإنذار وتحديد موقع العناصر المغناطيسية الحديدية.

البحث العلمي والجيوفيزيائي

دراسة المجال المغناطيسي للأرض:يسمح تحليل التغيرات الميدانية بالتحقيق في البنية الداخلية للكوكب، وديناميكيات قلب الأرض، وتفاعلها مع الرياح الشمسية.

فيزياء المواد:البحث في الخصائص المغناطيسية للمواد والمركبات الجديدة في مختبرات الفيزياء والكيمياء.

الجيولوجيا والتنقيب عن المعادن:يستخدم للكشف عن التغيرات في المجال المغناطيسي المرتبطة بوجود المعادن.

الطب والصحة

معايرة المعدات الطبية:مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، حيث تكون دقة المجال المغناطيسي ضرورية لسلامة الصورة وجودتها.

الدراسات البيئية:تقييم المجالات المغناطيسية في البيئات المنزلية أو الصناعية أو الحضرية لتحليل التأثيرات الصحية المحتملة.

التطبيقات العملية اليومية

التشخيص الفني:استكشاف أخطاء المحركات والمعدات الكهربائية المنزلية أو الصناعية وإصلاحها.

فحوصات البناء والتركيب:التحقق من سلامة الدروع المغناطيسية والحماية الكهرومغناطيسية وما إلى ذلك.

السيارات والطاقة المتجددة والإلكترونيات

السيارات:تحسين المحركات الكهربائية في المركبات الهجينة والكهربائية، واختبار أجهزة الاستشعار والمحركات المغناطيسية.

طاقات متجددة:قياس كفاءة المولدات المغناطيسية في توربينات الرياح والتحكم فيها في أنظمة توليد الطاقة المستدامة.

أجهزة الإلكترونيات:معايرة أجهزة الاستشعار المغناطيسية في الهواتف المحمولة والأجهزة اللوحية والكاميرات الرقمية والأجهزة الأخرى.

الابتكارات الحديثة والتطبيقات الناشئة

التقدم في تطوير أجهزة استشعار مصغرة، وأجهزة محمولة، وأنظمة جمع بيانات آلية لقد تم توسيع استخدام مقياس الجاوس وتطبيقاته في مجالات جديدة: من الروبوتات والذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء (IoT)، إلى استكشاف الفضاء والطب الحيوي.

تحويل ومقارنة الوحدات: من المختبر إلى الحياة اليومية

يعد الاستخدام المشترك للتيسلا والجاوس أمرًا شائعًا في البيئات التقنية والتعليمية واليومية. وفيما يلي بعض المعادلات الهامة التي يجب تذكرها:

• 1 تسلا (T) = 10.000 جاوس (G)
• 1 جاوس = 0,0001 تسلا (T)
• 1 ويبر = 10⁸ ماكسويل (Mx)

في أجهزة القياس المتقدمة، يتم تقديم النتائج عادة في ميكروتسلا (μT) أو نانو تسلا (nT)، وخاصة في التطبيقات الجيوفيزيائية والبيئية. وهكذا، يتراوح المجال المغناطيسي للأرض عادة بين 30.000 ألف نانوتسلا و60.000 ألف نانوتسلا، وذلك اعتمادا على خطوط العرض وغيرها من الظروف.

فيزياء المجال المغناطيسي: كثافة التدفق والقوة المؤثرة على الجسيمات

يعتمد التحليل الفيزيائي للمجال المغناطيسي على كثافة التدفق المغناطيسي (ب)، الذي يصف تأثير المجال على الشحنات الكهربائية المتحركة. القوة التي يمارسها المجال المغناطيسي على الشحنة يتم التعبير عنها بواسطة قوة لورنتز: F = q · (v × B)حيث q هو الحمل v السرعة و B كثافة التدفق المغناطيسي.

اعتمادًا على الزاوية بين السرعة والمجال، يمكن أن تتراوح القوة بين الصفر (إذا كانت متوازية) والحد الأقصى (إذا كانت متعامدة). يتم تحديد اتجاه هذه القوة من خلال القاعدة المعروفة قاعدة اليد اليمنى.

الخصائص المغناطيسية وسلوكيات المواد

المغناطيسية المضادة

سمة من سمات المواد التي تعارض قليلا المجال المغناطيسي الخارجي، مما يؤدي إلى توليد مجال مستحث في الاتجاه المعاكس. تعتبر المغناطيسية المضادة عالمية، ولكنها ملحوظة فقط في المواد حيث تكون أنواع أخرى من المغناطيسية (مثل المغناطيسية الحديدية أو المغناطيسية البارامغناطيسية) ضعيفة جدًا أو غير موجودة. ومن الأمثلة البارزة على ذلك البزموت والنحاس والذهب والفضة والماء والغازات النبيلة. يتم تنافر المغناطيسات الديامغناطيسية من مناطق المجال المغناطيسي القوي وهذه الظاهرة هي أساس الرفع المغناطيسي.

المغناطيسية البارامغناطيسية

في المواد البارامغناطيسية، تمتلك الذرات أو الجزيئات لحظات مغناطيسية فردية تتوافق مع المجال الخارجي، فتجذب بعضها البعض إلى مناطق ذات كثافة أعظم. ومع ذلك، فإنها لا تحتفظ بقدر كبير من المغناطيسية عندما يتم إيقاف تشغيل المجال. وتشمل الأمثلة الألومنيوم والبلاتين والأكسجين وبعض أكاسيد المعادن والمواد الكيميائية الأخرى.

المغناطيسية الحديدية

إنها الخاصية التي تسمح لبعض المواد (مثل الحديد والنيكل والكوبالت أو الغادولينيوم) بالمغناطيسية تلقائيًا والحفاظ على تلك الحالة بمجرد اختفاء المجال. لحظاتهم المغناطيسية الذرية تتوافق تلقائيا. تعتبر المغناطيسية الحديدية ضرورية في تصنيع المغناطيسات الدائمة، وأنوية المحولات، والذاكرة المغناطيسية. عندما درجة حرارة كوريتصبح المواد المغناطيسية الحديدية مواد مغناطيسية بارامغناطيسية، فتفقد مغناطيسيتها التلقائية.

النفاذية المغناطيسية

La نفاذية يعرف مدى سهولة مرور خطوط المجال المغناطيسي بواسطة مادة ما. في الموصلات الفائقة، تكون النفاذية صفرًا تقريبًا، مما يؤدي إلى طرد المجال المغناطيسي بالكامل (تأثير مايسنر).

القياس العملي للمجال المغناطيسي للأرض

يعد قياس المجال المغناطيسي للأرض ومكوناته وتغيراته أمرًا ضروريًا في العديد من التجارب والدراسات والتطبيقات التقنية. أحد التجارب الأكثر شيوعًا هو تحديد المكون الأفقي من مجال الأرض (H) باستخدام، على سبيل المثال، قانون بيو-سافارت وقانون أمبير. تسمح لنا هذه القوانين بحساب مساهمة التيارات الكهربائية في توليد المجال المغناطيسي المحلي.

لإجراء هذه القياسات من المهم:

• استخدم معدات معايرة (أجهزة قياس الجاوس، ومجسات هول، وأجهزة قياس المغناطيسية الدقيقة).
• انتبه للظروف البيئية (عدم وجود مصادر قريبة للتداخل الكهرومغناطيسي، الاستقرار الحراري).
• قم بإجراء سلسلة من القياسات المتكررة للحصول على قيمة متوسطة وتقليل الأخطاء بسبب التقلبات المؤقتة.

يتم التعبير عن القيم التي تم الحصول عليها عادة بالتسلا أو الغاوس أو، بشكل أكثر شيوعًا، بالنانوتسلا. وتسمح النتيجة بتحليل الطبيعة المتجهة للحقل وتغيراته المحلية المحتملة بسبب الهياكل الجيولوجية أو النشاط الشمسي أو العوامل البشرية.

التطبيقات التكنولوجية والعلمية للمغناطيسية وقياسها

الإلكترونيات والأجهزة المنزلية

مبدأ عمل المجال المغناطيسي هو قاعدة الغالبية العظمى من المحركات والمولدات الكهربائية والمحولات موجودة في الحياة العصرية. تقوم هذه الأجهزة بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية (والعكس صحيح)، وتعمل بفضل القوى المغناطيسية المؤثرة على الموصلات المتحركة داخل المجال.

الكثير المرحلات الكهرومغناطيسيةعلى سبيل المثال، تعمل التكنولوجيا على تمكين التبديل التلقائي للدوائر في العديد من التطبيقات، بدءًا من أجراس الأبواب وحتى الأنظمة الصناعية الكبيرة، استنادًا إلى خصائص المغناطيسية والحث.

الاتصالات وتخزين المعلومات

المغناطيسية هي أيضا أساس عمل الذكريات المغناطيسية (الأقراص الصلبة، والأشرطة، والبطاقات)، ومكبرات الصوت، والميكروفونات الديناميكية، والعديد من أجهزة الاستشعار المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية وأنظمة التحكم الآلي.

في المختبرات والتجارب العلمية، يعد تسجيل المجالات المغناطيسية بدقة باستخدام أجهزة قياس غاوس المتقدمة أمرًا ضروريًا لتطوير تقنيات جديدة ودراسة المواد المبتكرة واكتشاف تطبيقات جديدة في عصر الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء.

استكشاف الفضاء والطائرات بدون طيار والسيارات

لقد مكّن تطوير المحركات الكهربائية الفعالة وخفيفة الوزن من ظهور الروبوتات والطائرات بدون طيار والمركبات ذاتية القيادة، سواء على الأرض أو في الفضاء. تستخدم العديد من هذه الأنظمة أجهزة استشعار مغناطيسية عالية الدقة للملاحة وتحديد المواقع وتصحيح المسار. تتميز طائرات الجيل التالي بدون طيار، ومركبات الفضاء، والمركبات الكهربائية بأجهزة استشعار متعددة مدمجة للمجال المغناطيسي.

الصحة والحماية من الإشعاع

في الطب، يعتمد التصوير بالرنين المغناطيسي على التحكم الدقيق في المجال المغناطيسي للحصول على صور تشخيصية موثوقة وآمنة. ويتم إجراء مراقبة الجودة والمعايرة ومراقبة هذه المجالات باستخدام أجهزة قياس غاوس عالية الدقة.

التحديات في قياس والتحكم في المجالات المغناطيسية الحالية

يفرض القياس الدقيق للمجال المغناطيسي تحديات تقنية وعلمية، سواء في الحفاظ على الدقة على المدى الطويل أو في تقليل الأخطاء الناجمة عن التداخل أو التغييرات في خصائص المستشعر أو الاختلافات البيئية. لذلك فإن تطوير أجهزة استشعار قوية وأنظمة معايرة أوتوماتيكية وتقنيات لاسلكية يشكل أحد الاتجاهات الأكثر ديناميكية في القطاع.

علاوة على ذلك، فإن توسع المجالات المغناطيسية الاصطناعية التي تولدها التكنولوجيا الحديثة (خطوط الطاقة، والهوائيات، والمحولات، والأجهزة الإلكترونية) فتح خطوطًا جديدة للدراسة حول التأثيرات المحتملة على البيئة والصحة البشرية، فضلاً عن الحاجة إلى وضع اللوائح وإجراءات الرقابة المناسبة.

المستقبل والاتجاهات في قياس المجال المغناطيسي

إن دمج أنظمة الاستشعار المغناطيسي في الصناعة 4.0، وتصغير حجم الأجهزة المحمولة، وظهور أنظمة لتسجيل ومعالجة البيانات الضخمة (البيانات الضخمة)، ورقمنة القياسات، يسمح لنا بتخيل مستقبل مع أجهزة استشعار مغناطيسية ذكية، والتي يمكن دمجها في المنسوجات والمركبات ذاتية القيادة والأقمار الصناعية والأجهزة الشخصية.

في علم الجيوفيزياء، يمثل الرصد في الوقت الحقيقي لحقل الأرض، وتطوير المراصد الآلية، وإنشاء نماذج عالمية للتغير المغناطيسي، وتطبيق الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بالعواصف الشمسية أو الاتجاهات الجيوديناميكية، حدودًا بحثية وتطويرية ذات تأثير اجتماعي وعلمي كبير.

يحيط بنا المجال المغناطيسي، ويؤثر على الحياة والتكنولوجيا، ويستمر في تقديم التحديات والفرص للاستكشاف العلمي والابتكار التقني وحماية كوكبنا من التهديدات الخارجية والداخلية. إن القياس الدقيق للكربون، وفهم خصائصه، والقدرة على التعامل معه باستخدام أدوات متطورة بشكل متزايد سوف يظل علامة على التقدم الرئيسي في العقود القادمة. إن فهم كيفية قياسه وتفسيره وتسخيره اليوم لا يزال ذا أهمية اليوم كما كان بالنسبة للملاحين الصينيين في القرن الحادي عشر أو علماء الفيزياء في القرن التاسع عشر: فنحن نواصل الملاحة، ولكن الآن في بحار التكنولوجيا والمعرفة.