المجال المغناطيسي للأرض يتراوح بين 25-65 ميكروتسلا (0.25-0.65 غاوس) على السطح—وهو ما يكفي لحرف إبر البوصلة

ينتج مغناطيس الثلاجة حوالي 0.001 تسلا (10 غاوس) على سطحه

تستخدم أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) من 1.5 إلى 7 تسلا—أقوى بما يصل إلى 140,000 مرة من مجال الأرض!

أقوى مجال مغناطيسي مستمر تم إنشاؤه في مختبر: 45.5 تسلا (جامعة ولاية فلوريدا)

تمتلك النجوم النيوترونية مجالات مغناطيسية تصل إلى 100 مليون تسلا—وهي الأقوى في الكون

ينتج الدماغ البشري مجالات مغناطيسية تبلغ حوالي 1-10 بيكوتسلا، يمكن قياسها بواسطة مسح MEG

تستخدم قطارات ماجليف مجالات مغناطيسية تتراوح بين 1-4 تسلا لرفع ودفع القطارات بسرعة تزيد عن 600 كم/ساعة

1 تسلا = 10,000 غاوس بالضبط (علاقة محددة بين نظامي الوحدات الدولي SI و CGS)

التعريف: وحدة النظام الدولي لكثافة الفيض المغناطيسي. 1 T = 1 ويبر/م² = 1 كجم/(أمبير·ث²)

سميت باسم: نيكولا تسلا (1856-1943)، مخترع ومهندس كهربائي

الاستخدام: أجهزة MRI، مغناطيسات الأبحاث، مواصفات المحركات

القيم النموذجية: الأرض: 50 µT | مغناطيس الثلاجة: 10 mT | MRI: 1.5-7 T

التعريف: وحدة CGS لكثافة الفيض المغناطيسي. 1 G = 10⁻⁴ T = 100 µT

سميت باسم: كارل فريدريش غاوس (1777-1855)، عالم رياضيات وفيزياء

الاستخدام: المعدات القديمة، الجيوفيزياء، مقاييس غاوس الصناعية

القيم النموذجية: الأرض: 0.5 G | مغناطيس مكبر الصوت: 1-2 G | مغناطيس النيوديميوم: 1000-3000 G

التعريف: وحدة النظام الدولي لشدة المجال المغناطيسي. التيار لكل وحدة طول الذي يخلق المجال.

الاستخدام: تصميم المغناطيس الكهربائي، حسابات الملفات، اختبار المواد المغناطيسية

القيم النموذجية: الأرض: 40 A/m | ملف لولبي: 1000-10000 A/m | مغناطيس صناعي: 100 kA/m

التعريف: وحدة CGS لشدة المجال المغناطيسي. 1 Oe = 79.5775 A/m

سميت باسم: هانز كريستيان أورستد (1777-1851)، مكتشف الكهرومغناطيسية

الاستخدام: التسجيل المغناطيسي، مواصفات المغناطيس الدائم، حلقات التخلف المغناطيسي

القيم النموذجية: قسرية القرص الصلب: 2000-4000 Oe | مغناطيس دائم: 500-2000 Oe

التعريف: جزء من مليون من التسلا. 1 µT = 10⁻⁶ T = 0.01 G

الاستخدام: الجيوفيزياء، الملاحة، قياسات EMF، المغناطيسية الحيوية

القيم النموذجية: مجال الأرض: 25-65 µT | الدماغ (MEG): 0.00001 µT | خطوط الكهرباء: 1-10 µT

التعريف: تساوي 1 نانوتسلا. 1 γ = 1 nT = 10⁻⁹ T. تستخدم في الجيوفيزياء.

الاستخدام: المسح المغناطيسي، علم الآثار، استكشاف المعادن

القيم النموذجية: كشف الشذوذ المغناطيسي: 1-100 γ | التغير اليومي: ±30 γ

الكهرومغناطيسية

خلال عرض توضيحي في محاضرة، لاحظ أورستد انحراف إبرة بوصلة بالقرب من سلك يحمل تيارًا. كانت هذه أول ملاحظة تربط بين الكهرباء والمغناطيسية. نشر نتائجه باللغة اللاتينية، وفي غضون أسابيع، كان العلماء في جميع أنحاء أوروبا يكررون التجربة.

أثبت أن التيارات الكهربائية تخلق مجالات مغناطيسية، مما أسس لمجال الكهرومغناطيسية

الحث الكهرومغناطيسي

اكتشف فاراداي أن المجالات المغناطيسية المتغيرة تخلق تيارات كهربائية. تحريك مغناطيس عبر ملف من الأسلاك ولّد كهرباء—وهو المبدأ وراء كل مولد كهربائي ومحول اليوم.

جعل من الممكن توليد الطاقة الكهربائية، المحولات، والشبكة الكهربائية الحديثة

نظرية الكهرومغناطيسية الموحدة

وحدت معادلات ماكسويل الكهرباء والمغناطيسية والضوء في نظرية واحدة. قدم مفاهيم المجال B والمجال H ككميتين متميزتين، موضحًا أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية.

تنبأ بالموجات الكهرومغناطيسية، مما أدى إلى الراديو والرادار والاتصالات اللاسلكية

قانون قوة لورنتز

وصف القوة المؤثرة على جسيم مشحون يتحرك في مجالات مغناطيسية وكهربائية: F = q(E + v × B). هذه الصيغة أساسية لفهم كيفية عمل المحركات، مسرعات الجسيمات، وأنابيب أشعة الكاثود.

أساس لفهم حركة الجسيمات في المجالات، قياس الطيف الكتلي، وفيزياء البلازما

الموصلية الفائقة

بتبريد الزئبق إلى 4.2 كلفن، اكتشف أونس أن مقاومته الكهربائية اختفت تمامًا. الموصلات الفائقة تطرد المجالات المغناطيسية (تأثير مايسنر)، مما يتيح صنع مغناطيسات فائقة القوة دون أي فقدان للطاقة.

أدى إلى أجهزة MRI، قطارات ماجليف، ومغناطيسات مسرعات الجسيمات التي تنتج مجالات تزيد عن 10 تسلا

أول ليزر

على الرغم من أنه ليس متعلقًا مباشرة بالمغناطيسية، إلا أن الليزر أتاح قياسات دقيقة للمجال المغناطيسي من خلال التأثيرات المغناطيسية الضوئية مثل دوران فاراداي وتأثير زيمان.

أحدث ثورة في استشعار المجال المغناطيسي، العوازل الضوئية، وتخزين البيانات المغناطيسية

التصوير الطبي بالرنين المغناطيسي (MRI)

اكتشف داماديان أن الأنسجة السرطانية لها أوقات استرخاء مغناطيسي مختلفة عن الأنسجة السليمة. أدى هذا إلى التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، باستخدام مجالات تتراوح بين 1.5-7 تسلا لإنشاء مسح مفصل للجسم دون إشعاع.

غير التشخيص الطبي، مما أتاح التصوير غير الجراحي للأنسجة الرخوة والدماغ والأعضاء

الحكم: خطأ

كلاهما يقيس نفس الشيء (المجال B/كثافة الفيض)، ولكن في أنظمة وحدات مختلفة. تسلا هي وحدة النظام الدولي (SI)، وغاوس هي وحدة نظام (CGS). 1 T = 10,000 G بالضبط. يمكن التبديل بينهما كما يتم التبديل بين المتر والقدم.

الحكم: مشروط

هذا صحيح فقط في الفراغ/الهواء! في المواد المغناطيسية، يعتمد التحويل على النفاذية μᵣ. في الحديد (μᵣ~2000)، ينتج 1000 A/m مجالاً بقوة 2.5 T، وليس 0.00126 T. اذكر دائمًا افتراضك عند التحويل بين B ↔ H.

الحكم: خطأ في الغالب

المجالات المغناطيسية الساكنة حتى 7 تسلا (أجهزة MRI) تعتبر آمنة. جسمك شفاف للمجالات المغناطيسية الساكنة. يوجد قلق بشأن المجالات المتغيرة بسرعة كبيرة (التيارات المستحثة) أو المجالات التي تزيد عن 10 تسلا. مجال الأرض البالغ 50 µT غير ضار تمامًا.

الحكم: غامض

مربك! في الفيزياء، تعني 'شدة المجال المغناطيسي' تحديدًا المجال H (أمبير/متر). لكن بالعامية، يقول الناس 'مجال مغناطيسي قوي' قاصدين مجال B عالي (تسلا). وضح دائمًا: هل هو المجال B أم المجال H؟

الحكم: خطأ (ولكن قريبان)

في الفراغ: 1 Oe ≈ 1 G عدديًا، ولكنهما يقيسان كميتين مختلفتين! أورستد يقيس المجال H (قوة التمغنط)، وغاوس يقيس المجال B (كثافة الفيض). الأمر أشبه بالخلط بين القوة والطاقة—قد تتشابه أرقامهما في الهواء، لكنهما مختلفان فيزيائيًا.

الحكم: يعتمد على الموقف

المغناطيسات الكهربائية النموذجية: 0.1-2 T. مغناطيسات النيوديميوم: مجال سطحي 1-1.4 T. لكن المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل يمكن أن تصل إلى 20+ تسلا، متجاوزة بكثير أي مغناطيس دائم. تفوز المغناطيسات الكهربائية في المجالات القصوى؛ وتفوز المغناطيسات الدائمة في الصغر وعدم استهلاك الطاقة.

الحكم: خطأ

تخترق المجالات المغناطيسية معظم المواد بسهولة! فقط الموصلات الفائقة تطرد مجالات B تمامًا (تأثير مايسنر)، والمواد ذات النفاذية العالية (mu-metal) يمكنها إعادة توجيه خطوط المجال. لهذا السبب يكون التدريع المغناطيسي صعبًا—لا يمكنك ببساطة 'حجب' المجالات كما تفعل مع المجالات الكهربائية.

النطاق: من 1 µT إلى 10 T

الدقة: ±1-5%

يقيس: المجال B (تسلا/غاوس)

الأكثر شيوعًا. شريحة شبه موصلة تنتج جهدًا يتناسب مع المجال B. تستخدم في الهواتف الذكية (البوصلة)، مقاييس غاوس، ومستشعرات الموضع.

المزايا: غير مكلف، مدمج، يقيس المجالات الساكنة

العيوب: حساس لدرجة الحرارة، دقة محدودة

النطاق: من 0.1 nT إلى 1 mT

الدقة: ±0.1 nT

يقيس: المجال B (تسلا)

يستخدم تشبع نواة مغناطيسية للكشف عن التغيرات الطفيفة في المجال. يستخدم في الجيوفيزياء، الملاحة، والبعثات الفضائية.

المزايا: حساس للغاية، رائع للمجالات الضعيفة

العيوب: لا يمكنه قياس المجالات العالية، أكثر تكلفة

النطاق: من 1 fT إلى 1 mT

الدقة: ±0.001 nT

يقيس: المجال B (تسلا)

أكثر أجهزة قياس المغناطيسية حساسية. يتطلب تبريد بالهيليوم السائل. يستخدم في مسح الدماغ MEG وأبحاث الفيزياء الأساسية.

المزايا: حساسية لا مثيل لها (فيمتوتسلا!)

العيوب: يتطلب تبريدًا عميقًا، باهظ الثمن

النطاق: من 10 µT إلى 10 T

الدقة: ±2-10%

يقيس: التغير في المجال B (dB/dt)

ملف من الأسلاك يولد جهدًا عند تغير الفيض. لا يمكنه قياس المجالات الساكنة—فقط المجالات المترددة أو المتحركة.

المزايا: بسيط، متين، قادر على قياس مجالات عالية

العيوب: يقيس فقط المجالات المتغيرة، وليس المستمرة

النطاق: من 1 A إلى 1 MA

الدقة: ±1%

يقيس: التيار (مرتبط بالمجال H)

يقيس التيار المتردد عن طريق الكشف عن المجال المغناطيسي الذي يولده. يلتف حول الموصل دون تلامس.

المزايا: غير جراحي، نطاق ديناميكي واسع

العيوب: للتيار المتردد فقط، لا يقيس المجال مباشرة

تسلا (T) هي وحدة النظام الدولي (SI)، وغاوس (G) هي وحدة نظام (CGS). 1 تسلا = 10,000 غاوس بالضبط. يفضل استخدام تسلا في التطبيقات العلمية والطبية، بينما لا يزال غاوس شائعًا في المراجع القديمة وبعض السياقات الصناعية.

فقط في الفراغ/الهواء! في الفراغ: B (تسلا) = μ₀ × H (أمبير/متر) حيث μ₀ = 4π×10⁻⁷ ≈ 1.257×10⁻⁶ T·m/A. في المواد المغناطيسية مثل الحديد، تحتاج إلى النفاذية النسبية للمادة (μᵣ)، والتي يمكن أن تتراوح من 1 إلى أكثر من 100,000. يفترض محولنا الفراغ.

يقيس المجال B (كثافة الفيض) القوة المغناطيسية الفعلية المُختبرة، بما في ذلك تأثيرات المادة. بينما يقيس المجال H (شدة المجال) قوة التمغنط التي تخلق المجال، بغض النظر عن المادة. في الفراغ B = μ₀H، ولكن في المواد B = μ₀μᵣH حيث تختلف μᵣ بشكل كبير.

يتراوح مجال الأرض بين 25-65 ميكروتسلا (0.25-0.65 غاوس) على السطح. يكون أضعف ما يمكن عند خط الاستواء (≈25 µT) وأقوى ما يمكن عند القطبين المغناطيسيين (≈65 µT). هذا قوي بما يكفي لتوجيه إبر البوصلة ولكنه أضعف بـ 20,000-280,000 مرة من أجهزة MRI.

نعم! 1 تسلا أقوى بحوالي 20,000 مرة من مجال الأرض. تبلغ قوة مغناطيسات الثلاجة حوالي 0.001 T (10 G). تستخدم أجهزة MRI من 1.5 إلى 7 T. تصل أقوى مغناطيسات المختبرات إلى حوالي 45 T. فقط النجوم النيوترونية تتجاوز ملايين التسلا.

1 أورستد (Oe) = 1000/(4π) A/m ≈ 79.577 A/m. أورستد هي وحدة CGS للمجال H، بينما A/m هي وحدة SI. يأتي عامل التحويل من تعريف الأمبير ووحدات الكهرومغناطيسية في نظام CGS.

تتطلب المعايير الدولية (IEC, FDA) استخدام تسلا للتصوير الطبي. هذا يتجنب الالتباس (1.5 T مقابل 15,000 G) ويتوافق مع وحدات SI. يتم تحديد مناطق السلامة في MRI بوحدة تسلا (إرشادات 0.5 mT, 3 mT).

المجالات الساكنة >1 T يمكن أن تتداخل مع أجهزة تنظيم ضربات القلب وتسحب الأجسام المغناطيسية (خطر المقذوفات). يمكن للمجالات المتغيرة بمرور الوقت أن تحفز تيارات (تحفيز عصبي). تتحكم بروتوكولات السلامة في MRI بشكل صارم في التعرض. يعتبر مجال الأرض والمغناطيسات النموذجية (<0.01 T) آمنة.