الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
25المغانط والبوصلة
اكتشفت منذ سنوات أن طرفَي المغناطيس مختلفان: ففي وضع يلتصق مغناطيسان، وإذا قُلبا تدافعا. وقد وعدنا بأن لذينك الطرفين اسمين وعملًا مشهورًا — هداية المسافرين عبر العالم. واليوم يُوفى الوعد: أهلًا بالأقطاب المغناطيسية، وبالجهاز الصغير الذي اهتدى به كل مستكشف قبل وجود الأقمار الاصطناعية.
25.1 القطبان
تعريف 25.1 (الأقطاب المغناطيسية)
طرفا المغناطيس الخاصّان — حيث يكون جذبه أشدّ، وحيث تتجمّع مشابك الورق — هما قطباه المغناطيسيان. ويُسمّى أحدهما القطب الشمالي (وكثيرًا ما يُطلى بالأحمر ويُعلَّم بحرف N) والآخر القطب الجنوبي (ويُعلَّم بحرف S). ولكل مغناطيس القطبان معًا: واحد من كل نوع، دائمًا.
قضية 25.2 (قاعدة القطبين)
القطبان المختلفان يتجاذبان: فيلتصق القطب N بالقطب S. والقطبان المتماثلان يتنافران: فيدفع N قطبًا مثله بعيدًا، وكذلك S. وهذه القاعدة الواحدة تفسّر كل التصاق وكل رفض مرن أحسست به يومًا بين مغناطيسين.
مثال 25.3 (قراءة تجارب قديمة)
حين التصق مغناطيساك كان قطب N يواجه قطب S. وحين تمانعا في مرونة كان N يواجه N (أو S يواجه S). وأما مشابك الورق فكانت تتجمّع عند الطرفين دائمًا لأن القطبين هما موضع قوة المغناطيس — ووسطه سكون بينهما.
25.2 الأرض مغناطيس
مثال 25.4 (أعظم مغناطيس على الإطلاق)
علّق مغناطيسًا مستقيمًا بخيط حتى يستطيع أن يدور بحرّية، وانتظر حتى يستقرّ — فيحدث شيء بديع: إذ يستقرّ دائمًا مشيرًا في الجهة نفسها، أحد قطبيه نحو أقصى شمال العالم والآخر نحو أقصى جنوبه. فلا بدّ أن مغناطيسًا عملاقًا خفيًّا يسحب قطبيه إلى الاصطفاف. وذلك العملاق هو الأرض نفسها: فكوكبنا كله مغناطيس، وقطباه المغناطيسيان قرب أعلى الكرة الأرضية وأسفلها.
تعريف 25.5 (البوصلة)
البوصلة إبرة مغناطيسية صغيرة خفيفة موازَنة على محور ارتكاز دقيق حتى تستطيع أن تدور بحرّية. وإذا تُركت في سلام أطاعت الإبرةُ مغناطيسَ الأرض: فيستقرّ طرفها المعلَّم مشيرًا إلى الشمال. وتحت الإبرة قرص يبيّن الجهات الأصلية الأربع: الشمال والشرق والجنوب والغرب.
طريقة 25.6 (كيف تستعمل البوصلة)
- أمسك البوصلة مستوية ثابتة، بعيدًا عن المغانط والأشياء الحديدية الكبيرة (الأسيجة والسيارات — فهي تشوّش الإبرة)؛
- وانتظر حتى تكفّ الإبرة عن التأرجح؛
- وأدِر قرص البوصلة برفق حتى تقع علامة الشمال فيه تحت طرف الإبرة المعلَّم؛
- واقرأ جهاتك: الشرق عن يمينك وأنت مواجه الشمال، والغرب عن يسارك، والجنوب خلف ظهرك.
وتحقّق بالسماء: فظلّ الظهر في هذه البلاد، كما في فصل المزولة، يشير إلى الشمال — ويجب أن يتّفق الظلّ والإبرة.
مثال 25.7 (اصنع واحدة بنفسك)
دلّك إبرة خياطة فولاذية بأحد قطبَي مغناطيس عشرين مرة، في الجهة نفسها دائمًا، مبعدًا المغناطيس بين الدلكة والأخرى: فتصير الإبرة مغناطيسًا صغيرًا بنفسها. ثم ضعها برفق على شريحة فلّين تطفو في وعاء ماء — وراقب الفلّينة تدور على مهل حتى تشير الإبرة شمالًا وجنوبًا. لقد بنيت بوصلة البحّار قبل ألف سنة.
ملاحظة 25.8 (الجهاز الذي فتح المحيطات)
قبل البوصلة كان البحّارة يلازمون السواحل ويرجون ليالي صافية ليهتدوا بالنجوم. ومع إبرة عائمة صار في وسعهم أن يحفظوا مسارًا في الضباب والعاصفة والظلمة بلا قمر — عبر محيطات كاملة. وقليل من الأجهزة أعاد رسم خريطة العالم إعادة بهذا التمام. وبقيت أحجية واحدة مفتوحة قرونًا: لماذا تتصرّف الأرض مغناطيسًا؟ والقصة كاملة تنتظر في السنوات الجامعية من هذا المنهاج — وتستحقّ الانتظار.
25.3 تمارين
تمرين 25.1 ★
ما قطبا المغناطيس، وما اسماهما؟ وأين تتجمّع مشابك الورق على مغناطيس مستقيم؟
حل
حل التمرين 25.1.
القطبان هما طرفا المغناطيس القويان: القطب الشمالي (N، وكثيرًا ما يكون أحمر) والقطب الجنوبي (S). وتتجمّع مشابك الورق عند القطبين — أي الطرفين — لا عند الوسط.
تمرين 25.2 ★
اذكر قاعدة القطبين. التصق مغناطيسان: فأيّ قطبين كانا متقابلين؟
حل
حل التمرين 25.2.
القطبان المختلفان يتجاذبان؛ والمتماثلان يتنافران. والالتصاق يعني أن قطبين مختلفين كانا متقابلين: قطب N في مواجهة قطب S.
تمرين 25.3 ★
يقترب القطب N في مغناطيس من القطب N في آخر. ماذا يحدث؟ وماذا يحدث حين يقترب N من S؟
حل
حل التمرين 25.3.
N نحو N: يتدافعان (فالمتماثلان يتنافران). وN نحو S: يتجاذبان ويلتصقان.
تمرين 25.4 ★
لماذا يستقرّ المغناطيس المستقيم المعلّق بحرّية مشيرًا في الجهة نفسها دائمًا؟ وماذا يكشف هذا عن الأرض؟
حل
حل التمرين 25.4.
لأن مغناطيسًا عملاقًا يسحب قطبيه إلى الاصطفاف: فالأرض نفسها مغناطيس، وقطباه المغناطيسيان قرب أعلى الكرة الأرضية وأسفلها.
تمرين 25.5 ★
سمِّ الجهات الأصلية الأربع بالترتيب، ابتداءً من الشمال ودورانًا إلى اليمين. وأنت مواجه الشمال، أيّ جهة عن يمينك؟
حل
حل التمرين 25.5.
الشمال، فالشرق، فالجنوب، فالغرب. وأنت مواجه الشمال يكون الشرق عن يمينك.
تمرين 25.6 ★
لماذا يجب إبعاد البوصلة عن المغانط والأسيجة الحديدية والسيارات وأنت تقرؤها؟
تمرين 25.7 ★
صِف كيف تحوّل إبرة خياطة إلى إبرة بوصلة، وكيف تدعها تدور بحرّية من غير محور ارتكاز.
حل
حل التمرين 25.7.
دلّك الإبرة بأحد قطبَي مغناطيس عشرين مرة في الجهة نفسها، مبعدًا المغناطيس بين الدلكة والأخرى — فتصير مغناطيسًا صغيرًا. ثم ضعها على شريحة فلّين تطفو في وعاء ماء: فالفلّينة الطافية محور ارتكاز من ماء، وتدور الإبرة حتى تشير شمالًا وجنوبًا.
تمرين 25.8 ★
من فصل المزولة: إلى أيّ جهة يشير ظلّ الظهر في هذه البلاد؟ وكيف يتحقّق ذلك من بوصلة — أو يحلّ محلّ بوصلة ضائعة؟
تمرين 25.9 ★
لماذا كانت البوصلة كنزًا للبحّارة، بالقياس إلى الاهتداء بالساحل أو بالنجوم؟
حل
حل التمرين 25.9.
لأنها تعمل في الضباب، وتحت الغيوم، وفي الليالي بلا قمر، وبعيدًا عن أي ساحل — فالإبرة لا تطلب من السماء شيئًا. فاستطاع البحّارة أخيرًا أن يحفظوا مسارًا عبر المحيطات المفتوحة في كل طقس.
تمرين 25.10 ★★
تمشي متنزّهة نحو كوخ جبلي يقع في الشمال تمامًا. وإبرة بوصلتها، وهي ممسوكة على أصولها، تشير إلى إبزيم حزام صديقها بدل الشمال كلما وقف قريبًا عن يسارها. فماذا يجري، وإلى أيّ جهة تُخشى أن تنحرف، وما الحلّ في خطوة واحدة؟
تمرين 25.11 ★★
نُشر مغناطيس نصفين بين قطبيه، أملًا في الحصول على قطب N وحده في يد وقطب S وحده في الأخرى. ويقول تراث البحّارة — وكل تجربة جُرّبت يومًا — إن كل نصف يخرج مغناطيسًا صغيرًا كاملًا له القطبان معًا. اختبر الدعوى في ذهنك بوصفة إبرة البوصلة: فالإبرة المدلوكة قصيرة — أفلها قطب واحد أم قطبان؟ وبمَ يوحي هذا في حقّ اصطياد قطب وحده بالقطع؟
حل
حل التمرين 25.11.
الإبرة القصيرة المدلوكة لها قطبان اثنان — فطرفاها يتصرّفان تصرّف N وS (أطفِ إبرتين كهاتين فتلتصقان طرفًا إلى طرف، ويتجاذب الطرفان المختلفان). إذن تقصير المغناطيس لا ينزع منه قطبًا، وقطعه نصفين لا يصنع إلا مغناطيسين قصيرين كاملين: فاصطياد قطب وحده بالقطع لا ينتهي أبدًا — إذ يسلّمك كل قطع القطبين من جديد.