الوسم: السابع

وعادة ما نميز بين ثلاث حالات للجسم: المواد الصلبة والسوائل والغازات.

المواد الصلبة

إن المواد الصلبة هي الأسهل في التعرف عليها، فالطاولة والكوب وعود من الصلصال هي من الأجسام الصلبة التي يسهل الإمساك بها حيث إن لها شكل ثابت, ومع ذلك يتغير شكل الصلصال إذا قمنا بالضغط عليه.

السوائل

لا يمكن الإمساك ببعض الماء بأصابعنا, يأخذ الماء الذى يحتويه شكل الكوب: شكلا اسطوانيا، وعند سكب هذا الماء يأخذ شكله: أي شكلا مخروطيا. وهذا هو الحال مع الزيت والحليب وباقى سائر السوائل.
إن السوائل تسيل ويتغير شكلها, فتأخذ شكل الوعاء الذى يحتويها، ويوجد سطح فاصل مرئي بين السائل والهواء مسطح وأفقي إذا كان الوعاء واسعا بدرجة كافية.

ظاهرة غريبة !
يمكن الإمساك بحبة رمل، فإن لها شكلا، وهي صلبة. ولكن فلننظر لكوم من الرمال يمكن ملء دلو أو منقلة أو زجاجة بهذه الرمال, فتأخذ مجموعة حبات الرمل الصغيرة شكل الوعاء.
ويمكننا ذكر العديد من الأمثلة المشابهة: كنشارة الخشب والدقيق والقمح والسكر التي تمثل كل حبة منها على حدة جسما صلبا, بينما تستطيع المجموعة أن تسيل كالسوائل, ولكن قد لا يكون السطح الفاصل بينها وبين الهواء مسطحا وأفقيا.

الغازات
يعد الهواء والأكسجين والغازات الكربونية والنتروجين والكريبتون…. من الغازات فلا يمكن الامساك بها كالأجسام الصلبة
وحتى إذا لم نستطع رؤيته أو شمه فإن الغاز يملأ الوعاء الذي يحتويه بالكامل, فالوعاء إذا ليس فارغا.
والغازات كالمواد الصلبة والسوائل هي من أشكال المادة.
لجعل الوعاء فارغا يجب إخراج المادة التي يحتوى عليها الوعاء منه بالكامل.

ما هو تغيير الحالة ؟

المادة

تقديم :
اكتشف الإنسان قديمًا نوعًا مميزًا من الحجارة السوداء تختلف عن أنواع الحجارة الأخرى المعروفة ، إذ كان بإمكان هذه الحجارة أن تجذب إليها قطع الحديد الصغيرة .

وكان العرب هم الذين أدخلوا البوصلة إلى أوربا في العصور الوسطى عن طريق إسبانيا ( الأندلس) وبذلك تمكن الأوربيون من تحقيق اكتشافاتهم الجغرافية والتجارية الكبرى خلال القرنين الخامس عشر والسادس عشر.
ويستخدم المسلمون البوصلة هذه الأيام في تحديد اتجاه الكعبة المشرفة .

وتصنع بعض الأدوات مثل مفك البراغي ممغنطًا ، فإذا سقط برغي صغير في مكان ضيق داخل جهاز كمبيوتر مثلاً ، لا تصله اليد بسهولة ، يكون في مقدرة الفني التقاطه بسهولة باستخدام مفك البراغي الممغنط.

ولعل أكثر ما يثير الاستغراب والدهشة حول موضوع المغناطيسية هو أننا نعيش على سطح مغناطيس عملاق ، فللأرض قطبان مغناطيسيان تمامًا كالمغناطيس العادي أحدهما شمالي يقع في الجنوب الجغرافي للأرض وآخر جنوبي ويقع في الشمال الجغرافي للأرض.

قصة المغناطيس
تروي الأساطير أن راعيًا اسمه ماغنس كان يرعى غنمه ، فلاحظ أن طرف عصاه المصنوع من مادة حديدية ينجذب نحو بعض الحجارة ، فسميت هذه الحجارة باسم " الحجارة المغناطيسية " نسبة إليه بعد أن اكتشف هذه الظاهرة.

وربما تعود هذه التسمية إلى مقاطعة مغنيسيا ( Magnesia ) في آسيا الصغرى بالقرب من تركيا حيث اكتشفت هذه الحجارة المغناطيسية لأول مرة ، وأطلق اليونانيون على ذلك الحجر اسم الحجر العجيب أو الحجر المعدني وسمي فيما بعد باسم الحجر المغناطيسي ، كما أطلق اسم مغناطيس على القضيب المصنوع من المادة التي يمكن أن تكتسب خواص الحجر المغناطيسي .

المواد المغناطيسية :

تسمى المواد التي يجذبها المغناطيس بشدة مواد مغناطيسية ، مثل المسامير الفولاذية ، ومشابك الورق …
وهي مواد في الغالب مصنوعة من الحديد ، والكوبلت ، والنيكل ، والكروم والمنجنيز والجادولينيوم وغيرها …
ويطلق عليها أحيانًا اسم المواد الحديدو مغناطيسية أو الفيرو مغناطيسية .

المواد غير المغناطيسية :

وهي المواد التي لا تنجذب نحو المغناطيس ، مثل النحاس والخشب والزجاج ، وقد بيّنت التجارب أنه إذا استعملنا مغانط قوية جدًا ، فإن هذه المواد تتأثر تأثرًا طفيفًا بهذه المغانط ، وتصنف هذه المواد إلى قسمين : يسمى أحدهما المواد شبه المغناطيسية أو بارا مغناطيسية والقسم الآخر يسمى دايا مغناطيسية.

المغناطيس الطبيعي :
وهو عبارة عن معدن يستخرج من الحجر المغناطيسي وله تركيب كيميائي يعرف باسم الماجنتايت أو أ**يد الحديد المغناطيسي Fe3O4 وهو أسود اللون ، ويجذب إليه المواد المغناطيسية وخصوصًا الحديد والنيكل والكوبلت وخلائطها ، كما أنه إذا علق تعليقا حرًا بحيث تسهل حركته في مستوى أفقي فإنه يتحرك إلى أن يستقر تمامًا في اتجاه الشمال والجنوب المغناطيسيين .

وهذا النوع ليس له شكل محدد أو شدة محددة ، وقد استخدمه الناس قديمًا لصنع البوصلة. ولم تعد هناك أهمية عملية للحجر المغناطيسي هذه الأيام حيث تستخدم بدلاً منه مواد مغناطيسية صناعية منتجة من الحديد أو سبائك خاصة تعطي مغناطيسات قوية.

المغناطيس الصناعي :
تستخدم المغناطيسات في حياتنا في أغراض متعددة ، ولا يصلح المغناطيس الطبيعي لذلك ، لصعوبة تشكيله ولضعفه ، والمغناطيسات التي نستخدمها كلها مغناطيسات صناعية ، وتصنع من الصلب أو من إحدى سبائك الحديد ، وتشكل أولاً بالشكل المطلوب ثم تمغنط بإحدى طرق المغنطة والتي سنتعرض لها في درس قادم.

ومع الزمن استطاع الانسان صنع مغناطيسات بأشكال مختلفة ، فمنها ما هو على شكل حذاء الفرس ، ومنها ما هو على شكل قضيب مسطح ، ومنها الاسطواني الشكل . كما توجد مغناطيسات على شكل حلقات ، وأخرى على شكل حرف U .

ويتميز المغناطيس الصناعي عن حجر المغناطيس بالآتي :
1 – يمكن التحكم في شكله تبعا للغرض المراد استخدامه فيه.
2 – يمكن التحكم في قوته المغناطيسية.

إن أول مغناطيس دائم تمت صناعته من الفولاذ في حين أن المغناطيسات الحديثة أقوى من ذلك بكثير وتنقسم إلى نوعين :
أ – السبائك المغناطيسية ( Alloy magnets ) :
وتحتوي على بعض الفلزات كالحديد والنيكل والنحاس والكوبلت والألمنيوم ولها أسماء تجارية مثل Alinco و Alcomax ويمكنكم البحث عبر شبكة الإنترنت حول هذه الأسماء لمعرفة مزيد من التفصيلات عنها .

ب – المغناطيسات الخزفية ( Ceramic magnets) :
وهذه الأنواع تصنع من مساحيق تسمى الفريت Ferrites وهي تتركب من أ**يد الحديد وأ**يد الباريوم ، وهي هشة ومن أسمائها التجارية Magnadur ، وهذا المسحوق الدقيق جدًا والذي يمكن مغنطة كل جزئ منه يستخدم لتغطية الشريط في شريط التسجيل وأقراص الكمبيوتر.

وقد أمكن الاستفادة منها في تصنيع البوصلة كتطبيق على توجه القطب الشمالي للمغناطيس دائمًا نحو القطب الجغرافي الشمالي للأرض عند التعليق الحر للمغناطيس ، كما تستخدم في المولدات والمحركات الكهربائية والسماعات والهواتف وغيرها … .
في حين يتم خلط مسحوق الفريت مع البلاستيك والمطاط ( اللدائن ) ليكوّن مغناطيسًا لينًا أو لدنًا قابلاً للإنثناء بأي شكل من الأشكال .

خواص المغناطيس :
سواء كان المغناطيس طبيعيًا أم صناعيًا فإن له خواص مميزة وأهمها التالي :

الخواص العامة للمغناطيس :
1 – إذا علق المغناطيس من منتصفه عند مركز ثقله ، بحيث يكون حر الحركة في مستوى أفقي فإنه يتحرك أولاً إلى أن يسكن بحيث يتجه أحد قطبيه نحو الشمال المغناطيسي والقطب الآخر نحو الجنوب المغناطيسي ، ويكون محور المغناطيس منطبقًا على خط الزوال المغناطيسي للأرض .

فعندما يعلق المغناطيس تعليقًا حرًا أفقيًا فإنه يستقر بحيث يتجه طرف بذاته من طرفيه نحو الشمال دائمًا ، ولذلك أطلق عليه اسم القطب الباحث عن الشمال ، والذي نسميه اختصارًا القطب الشمالي ، كما يسمى القطب الموجود عند الطرف الآخر قطبًا جنوبيًا .

2 – المغناطيس له قطبان أحدهما شمالي والآخر جنوبي ، ومهما بلغ المغناطيس من القصر فإن له دائمًا قطبين، ويكتب أحيانًا على المغناطيس حرف N على أحد طرفيه ، وحرف S على الطرف الآخر ، ويعني ذلك أن الطرف الأول هو القطب الشمالي بينما الطرف الآخر هو القطب الجنوبي . وأحيانًا يصبغ القطب الشمالي باللون الأحمر بينما يصبغ القطب الجنوبي باللون الأزرق.

3 – تزداد قوة جذب المغناطيس للمواد المغناطيسية عند نقطتين قريبتين من طرفيه ، وتسمى كل منهما قطب المغناطيس ، ويسمى الخط الواصل بين هاتين النقطتين محور المغناطيس ، وتسمى المسافة بينهما الطول الفعال للمغناطيس ويرمز له بالرمز ( 2 ل) ، بينما يسمى البعد بين طرفي المغناطيس الطول الطبيعي للمغناطيس .
وعند غمر مغناطيس في وسط برادة حديد نلاحظ أن البرادة تتجمع عند طرفي المغناطيس ، بينما يتجمع مقدار ضئيل جدًا في منتصفه ، وتسمى المنطقة المتوسطة بين القطبين من المغناطيس بالمنطقة الحيادية أو منطقة الخمود.

4 – الأقطاب المغناطيسية المختلفة تتجاذب والأقطاب المغناطيسية المتشابهة تتنافر.

5 – قوتا قطبي المغناطيس الواحد متساويتان .
6 – يجذب المغناطيس بعض المواد وتسمى المواد المغناطيسية .
7 – قدرة المغناطيس على جذب الأشياء متفاوتة ، إذ يجذب المغناطيس الحديد المطاوع بقوة أكبر من قوة جذب الحديد الصلب والنيكل.
8 – قوة المغناطيس تنفذ عبر المواد غير المغناطيسية ولا تنفذ عبر المواد المغناطيسية .

9 – يفقد المغناطيس مغنطته بالطرق الشديد والتسخين بالحرارة وكذلك بالكهرباء .

السلوك الملاحظ بين الأقطاب المغناطيسية يتشابه مع ما يحدث بين الشحنات الكهربائية المتشابهة والمختلفة ، ولكن يوجد فرق جوهري بين الأقطاب المغناطيسية والشحنات الكهربائية إذ يمكن فصل الشحنات الكهربائية السالبة عن الشحنات الكهربية الموجبة كما يمكن إنتاج شحنات كهربية منفردة سالبة أو موجبة في حين لا يمكن أن يوجد قطب مغناطيسي منفرد ( قطب شمالي أو قطب جنوبي منفرد ) فأي محاولة لقطع المغناطيس لنصفين أو أكثر تنتج مغناطيسات أصغر وبقطبين أثنين شمالي وجنوبي .
فعندما تقطع المغناطيس إلى نصفين تحصل على مغناطيسين لكل منهما قطبان ، ولا يمكن بهذه الطريقة أو غيرها أن تفصل القطب الشمالي للمغناطيس عن القطب الجنوبي له.

أي لا يمكن أن نعزل أحد قطبي المغناطيس عن الآخر مهما استمرينا في تقطيع المغناطيس ، فكل مغناطيس مهما كان صغيرًا يكون ثنائي القطب .
ووسيلتنا الوحيدة لدراسة تأثير الأقطاب المغناطيسية بعضها على بعض هي استخدام مغناطيسات طويلة ، وبذلك يمكن إهمال تأثير الأقطاب البعيدة.

القانون الأساسي في المغناطيسية :
عند تقريب قطبين مغناطيسيين متشابهين من بعضهما البعض فإن قوة تنافر تؤثر على كل منهما وتجعلهما يتباعدان عن بعضهما ، بينما عند تقريب قطبين مغناطيسيين مختلفين بعضهما من بعضهما فإنهما يتجاذبان ويقتربان من بعضهما. أي أن :
الأقطاب المغناطيسية المتماثلة تتنافر ، والأقطاب المغناطيسية المختلفة تتجاذب .

في حين أن أي قطب مغناطيسي سواء أكان شماليًا أم جنوبيًا فإنه يجذب نحوه المواد الحديدية التي ليس لها أقطاب .

لذلك فالتنافر يلاحظ فقط بين الأقطاب المغناطيسية المتشابهة في المواد الممغنطة .

خلاصة :

المواد المغناطيسية :
هي المواد التي يجذبها المغناطيس نحوه بشدة كالحديد ، والكوبلت ، والنيكل ، والكروم والمنجنيز والجادولينيوم وغيرها …

المواد غير المغناطيسية :
وهي المواد التي لا تنجذب نحو المغناطيس ، مثل النحاس والخشب والزجاج والورق والهواء وغيرها …

المغناطيس الطبيعي :
وهو عبارة حجر مغناطيسي ليس له شكل محدد أو شدة محددة.

المغناطيس الصناعي :
يصنع من الصلب أو من إحدى سبائك الحديد ، ويشكل أولاً بالشكل المطلوب ثم يمغنط بإحدى طرق المغنطة ويتميز المغناطيس الصناعي عن حجر المغناطيس بالآتي :
1 – يمكن التحكم في شكله تبعا للغرض المراد استخدامه فيه.
2 – يمكن التحكم في قوته المغناطيسية.

لكل مغناطيس مهما كان صغيرا قطبان مغناطيسيان أحدهما شمالي والآخر جنوبي ، وعند تعليق المغناطيس من منتصفه تعليقًا حرًا فإنه يستقر باتجاه الشمال والجنوب المغناطيسييين .