شدة المجال المغناطيسي هي مقياس لمدى قوة المجال المغناطيسي عند نقطة معينة. وهي تحدد القوة التي يتعرض لها جسيم مشحون متحرك، وعزم الدوران على ثنائي قطبمغناطيسي، وكثافة الطاقة المخزنة في المجال. من الناحية العملية، تخبرك بمدى قوة جذب المغناطيس لمشبك ورقي، أو مدى انحناء مسار الجسيم في مسرع الجسيمات.
التاريخ
تطور هذا المفهوم من الملاحظات المبكرة لأحجار المغناطيس والبوصلات. وقد تم تطوير الوصف الكمي في القرن التاسع عشر، مع مساهمات رئيسية من أندريه ماري أمبير، الذي درس القوى بين الأسلاك التي تحمل تيارًا كهربائيًا، وجيمس كليرك ماكسويل، الذي وحد الكهرباء والمغناطيسية في معادلاته في ستينيات القرن التاسع عشر.
كيف يعمل
عادةً ما تُحدد الشدة كحقل متجه، له مقدار واتجاه. في نظام الوحدات الدولي، تُقاس بوحدة تسلا (T)، حيث تساوي تسلا واحدة نيوتن واحد لكل أمبير-متر. القوة المؤثرة على شحنة متحركة تعطى بقانون قوة لورنتز، F = qv × B، حيث B هي كثافة التدفق المغناطيسي (التي غالبًا ما تُستخدم بالتبادل مع شدة المجال في معظم السياقات). ينشأ المجال من الشحنات المتحركة، مثل التيارات الكهربائية في الأسلاك أو الدوران الذاتي للإلكترونات في المواد المغناطيسية.
في التطبيق
شدة المجال المغناطيسي ضرورية في تصميم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير، وأجهزة التخزين المغناطيسي. كما تُستخدم في الجيوفيزياء لرسم خرائط البنى تحت الأرض، وفي المهام الفضائية لقياس المجالات المغناطيسية للكواكب.
حقيقة طريفة
أقوى مجال مغناطيسي تم إنتاجه في المختبر يبلغ حوالي 1200 تسلا، وقد تم إنشاؤه باستخدام تقنية تفجيرية تسمى ضغط التدفق، وهي قوية بما يكفي لتشويه شكل الذرات.
الوحدات حسب النظام: SI: t · CGS: g · Planck: b p · natural: ev2
يجب أن يكون المجال المغناطيسي في هذا الجهاز متجانسًا بشكل استثنائي — أملس مثل سطح زجاج مثالي: فأدنى تموج سيطمس الإشارة المفيدة. جمع المهندسون ملفين يعوض كل منهما مجال الآخر من الخارج، وغلّفوهما بثلاث طبقات من الألواح المغناطيسية الحديدية. في الداخل، حصلوا على حجم عمل يبلغ مترًا في أربعة سنتيمترات، حيث يتغير المجال بأقل من جزء من مليار من التسلا.
بدأ علم الفلك الراديوي (radio astronomy) بضوضاء غامضة التقطها هوائي كارل جانسكي، ونبضات إيقاعية أطلقت عليها جوسلين بيل بورنيل اسم 'الرجال الخضر الصغار' كتعبير أصلي. لكن أول منارة كوكبية حقيقية اشتعلت في عام 1955، عندما صادفت أجهزة الاستقبال عن طريق الصدفة إشعاع المشتري العشري (decametric) الذي ينقطع فجأة عند تردد 40 ميغاهرتز.
في مركز مجرة بعيدة، حيث يدور ثقب أسود فائق الكتلة بكتلة تعادل مئة مليون شمس، تخترق الفضاء مجالات مغناطيسية. وهي ملتفة في دوامات شديدة — مثل قمع في صدفة، لكن بدلاً من الماء هناك بلازما متسارعة إلى سرعات قريبة من سرعة الضوء. هنا تحديداً، على الموجات الصادمة، تولد جسيمات بطاقة لا يضاهيها أي مسرّع أرضي.
الموصلية الفائقة والمجال المغناطيسي خصمان أزليان: يندفع المجال كإعصار يمزق التزاوج الرقيق لأزواج كوبر، ويدمر النظام. لكن في المواد ذات الترابطات الإلكترونية القوية، حيث ترقص الجسيمات وكأنها في مينويت معقد من التجاذب والتنافر، تتحول العداوة أحيانًا إلى تحالف. وهذا بالضبط ما يحدث في بلورة ثنائي تيلوريد اليورانيوم UTe2.
العمالقة الحمراء هي نجوم متقدمة في العمر ومنتفخة، استنفدت الهيدروجين في نواتها. في أعماقها يغلي محيط من البلازما: تندفع الحرارة من النواة إلى السطح، مولدة موجات تشبه المد العاتي. يعمل الحقل المغناطيسي داخل النجم كتضاريس تحت الماء غير مرئية – فهو يوجه هذه الموجات، ويغير ارتفاعها وسرعتها.
طفل على أرجوحة: دفعة قوية جدًا — فيطير. هكذا تقريبًا ينتزع الضوء القوي الإلكترونات من الذرة. يبدو أنه كلما كانت الدفعة أقوى، كان التدمير أضمن. لكن في العالم الكمومي الأمر مختلف: عندما تتجاوز قوة المجال عتبة معينة، تتجمد الذرة فجأة. تتوقف سحابتها الإلكترونية عن التشتت وتصبح أكثر استقرارًا.
هذا السلوك الغريب سُمي بالتثبيت في المجال القوي.
النجم GJ 436 هو قزم أحمر خافت، ويدور حوله كوكب بحجم نبتون، لكن في مدار مائل بشكل شبه عمودي. رصد علماء الفلك طيف هذا النجم لمدة 18 عامًا لمراقبة بقعاته وتوهجاته. وفجأة، ظهر في البيانات إيقاع لا يتطابق مع دوران النجم ولا مع دورته النشاطية التي تبلغ 8 سنوات. هذا الإيقاع يكرر مدار الكوكب تمامًا.
يحدث هذا عندما يمسك المجال المغناطيسي للكوكب بالنجم.
حزمة الإلكترونات في المسرّع تشبه سربًا من الطيور: تطير في مجموعة متماسكة، لكنها مع الوقت تتفرق. عادةً، لإبقاء الجسيمات معًا، تُستخدم مغناطيسات ثقيلة. هنا استغنوا عنها — الحزمة ضغطت نفسها بنفسها.
في تجربة على منشأة FACET-II، تم تمرير حزمة من 10 مليارات إلكترون (شحنة 1 nC) بطاقة 10 GeV عبر كومة من رقائق معدنية رقيقة. عندما تمر الحزمة عبر الرقاقة، ينعكس مجالها المغناطيسي عنها ويعود إليها.
عند التبريد الشديد، تتوقف بلورة يورانيوم-تيلوريوم عن مقاومة التيار. قبل حدوث ذلك، عند درجة حرارة أعلى قليلاً، لا تزال مقاومتها قابلة للقياس — وهي تحكي عن شكل المسارات غير المرئية التي تجري عليها الإلكترونات.
تشكل هذه المسارات سطحاً في فضاء الزخم — مثل خريطة تُسجل عليها جميع السرعات المسموحة للجسيمات. في معظم المعادن، تشبه هذه الخريطة ورقة ملساء.
في البطارية العادية، يكون الإلكتروليت سائلاً، وتتحرك الجسيمات المشحونة (الأيونات) بحرية. أما في النسخة الصلبة، فإنها تندفع عبر "ممرات" ذرية، مثل المشاة في ممرات ضيقة. لكي تعمل البطارية بسرعة، نحتاج إلى مادة ذات موصلية أيونية جيدة. لكن البحث عن هذه المواد بشكل أعمى هو سنوات من التجربة والخطأ.
حتى الآن، كانت الطاقة المظلمة تُدرس كما يُدرس محرك السيارة — فقط من خلال السرعة التي اكتسبها توسع الكون. في أواخر التسعينيات، لاحظ كل من آدم ريس وسول بيرلماتر وبراين شميدت أن المستعرات العظمى البعيدة تبتعد بسرعة متزايدة، واكتشفوا هذا التسارع.
وتران مشدودان، إذا نقر عليهما في الوقت نفسه، يصدران صوتًا مختلفًا إذا رُبطا بشريط مطاطي. تبدأ الطاقة بالانتقال من أحدهما إلى الآخر، ويتغير ارتفاع الصوت الكلي قليلًا. وهذا تقريبًا ما يحدث مع جسرين نانوميكانيكيين — وهما جسران مجهريان محفوران في بلورة. يهتزان بترددات أعلى بملايين المرات مما تلتقطه الأذن، ويرتبطان معًا ليس بشريط مطاطي بل بقوى كهربائية.
نجمان يدوران في مدارين متقاربين لدرجة أن طبقاتهما الخارجية تندمج في غلاف مشترك. تتدفق المادة من أحدهما إلى الآخر، مثل الماء الفائض من كوب ممتلئ إلى الكوب المجاور. في هذه الرقصة الكونية، حيث تلامس النجوم بعضها حرفيًا، اكتشف علماء الفلك مجالات مغناطيسية بشكل جماعي لأول مرة.
المجال المغناطيسي غير مرئي، لكن يمكن جعله «يضيء». للقيام بذلك، نستخدم ألماسة صغيرة تحتوي على عيوب - أماكن حيث يتم استبدال ذرة الكربون بذرة نيتروجين، وبجانبها توجد عقدة شاغرة في الشبكة البلورية. هذه العيوب، مثل إبر البوصلة الحساسة، تستجيب لأدق التغيرات في المجال المغناطيسي وتصدر ضوءًا متفاوت السطوع.
البوصلة المغناطيسية العادية تتجمد عندما يضرب البرق في مكان قريب. القفزة المفاجئة في المجال المغناطيسي تربك الإبرة. مشكلة مماثلة كانت تعيق العلماء عن قياس مغناطيسية المواد في مجالات نابضة قوية — تلك التي تعمل لجزء من الألف من الثانية.
المنشأة الجديدة تحل هذه المشكلة باستخدام شعاع ليزر.
باستخدام طريقة شبيهة بـ التحليل الطيفي (الفحص المغناطيسي)، يمرر العلماء تياراً عبر غشاء متعدد الطبقات ويراقبون اتجاه الإبر المغناطيسية المجهرية في الداخل. في السابق، كان كل شيء متوقعاً: في بعض المواد كانت الإبر تصطف فقط على طول التيار، وفي مواد أخرى كانت تصطف بشكل عرضي صارم. لكن في فريت البزموت مع طلاء البلاتين حدث خلل.
