ما هو التسلا؟

يمكن تعريف التسلا بأنها وحدة الحث المغناطيسي أو كثافة التدفق المغناطيسي بالمتر – الكيلوجرام – النظام العالمي (SI) للوحدات الفيزيائية، بحيث واحد تسلا يساوي ويبر واحد لكل متر مربع، وهو ما يقابل 104 جاوس.

سميت باسم نيكولا تيسلا (q.v.)، ويتم استخدامه في جميع الأعمال التي تتضمن مجالات مغناطيسية قوية، بينما يكون الجاوس أكثر فائدة مع المغناطيسات الصغيرة.

وحدة قياس المجالات المغناطيسية:

في النظام الدولي للوحدات (SI) يقاس المجال الكهربائي من حيث معدل تغير الجهد، فولت لكل متر (V / m)، تقاس المجالات المغناطيسية بوحدات تسلا (T)، حيث أن تسلا هي وحدة كبيرة للملاحظات الجيوفيزيائية، وعادة ما تستخدم وحدة أصغر، النانوتيسلا (nT؛ واحد نانوتيسلا يساوي 10-9 تسلا).

النانوتيسلا تعادل جاما واحدة، وهي وحدة تم تعريفها في الأصل على أنها 10−5 جاوس، وهي وحدة المجال المغناطيسي في نظام السنتيمتر-جرام-الثانية، إذ لا يزال يتم استخدام كل من جاوس وغاما بشكل متكرر في الأدبيات المتعلقة بالمغناطيسية الأرضية على الرغم من أنها لم تعد وحدات قياسية.

يتم وصف كل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية بواسطة نواقل، والتي يمكن تمثيلها في أنظمة إحداثيات مختلفة، مثل الديكارتي والقطبي والكروي، حيث في النظام الديكارتي، يتحلل المتجه إلى ثلاثة مكونات تتوافق مع إسقاطات المتجه على ثلاثة محاور متعامدة بشكل متبادل والتي عادة ما يتم تسميتها x ، y ، z.

في الإحداثيات القطبية، يتم وصف المتجه عادةً بطول المتجه في المستوى x-y ، وزاوية السمت في هذا المستوى بالنسبة إلى المحور x، والمكون الديكارتي الثالث z، وفي الإحداثيات الكروية، يوصف المجال بطول متجه المجال الكلي، والزاوية القطبية لهذا المتجه من المحور z، وزاوية السمت لإسقاط المتجه في المستوى x-y، إذ في دراسات المجال المغناطيسي للأرض، يتم استخدام جميع الأنظمة الثلاثة على نطاق واسع.

تم تلخيص المصطلحات المستخدمة في دراسة المغناطيسية الأرضية للمكونات المختلفة لحقل المتجه، حيث B هو المجال المغناطيسي المتجه، وF هو مقدار أو طول B. X و Y و Z هي المكونات الثلاثة الديكارتي للحقل، وعادة ما يتم قياسها فيما يتعلق بنظام الإحداثيات الجغرافي.

تكون Y في اتجاه الشمال، وX في اتجاه الشرق، وإكمال نظام اليد اليمنى، يكون Z عموديًا لأسفل باتجاه مركز الأرض، ويُطلق على حجم المجال المسقط في المستوى الأفقي H، وهذا الإسقاط يجعل الزاوية D (للانحراف) مقاسة موجبة من الشمال إلى الشرق، زاوية الانحدار، I (للميل)، هي الزاوية التي يصنعها متجه المجال الكلي بالنسبة للمستوى الأفقي وتكون موجبة للمتجهات الموجودة أسفل المستوى، إذ أنها تكملة للزاوية القطبية المعتادة للإحداثيات الكروية، حيث (يتطابق الشمال الجغرافي والمغناطيسي على طول “الخط النفاث”).

تقنيات قياس المجال المغناطيسي:

يمكن قياس المجالات المغناطيسية بطرق مختلفة، حيث تتضمن أبسط تقنيات القياس التي لا تزال مستخدمة حتى اليوم استخدام البوصلة، وهي أداة تتكون من إبرة ممغنطة بشكل دائم ومتوازنة لتدور في المستوى الأفقي، وفي وجود مجال مغناطيسي وفي حالة عدم وجود الجاذبية، فإن الإبرة الممغنطة تحاذي نفسها تمامًا على طول ناقل المجال المغناطيسي.

عندما تكون متوازنة على محور في وجود الجاذبية، فإنها تتماشى مع أحد مكونات المجال، وفي البوصلة التقليدية، هذا هو المكون الأفقي، إذ يمكن أيضًا أن تكون الإبرة الممغنطة محورية ومتوازنة حول محور أفقي، وإذا تم محاذاة هذا الجهاز المسمى مقياس الغطس، أولاً في اتجاه خط الزوال المغناطيسي كما هو محدد بواسطة البوصلة، فإن الإبرة تتماشى مع متجه المجال الكلي وتقيس زاوية الميل I، وأخيرًا من الممكن قياس المقدار للحقل الأفقي بواسطة تذبذبات إبرة البوصلة، حيث يمكن إثبات أن فترة هذا التذبذب تعتمد على خصائص الإبرة وقوة المجال.

تقوم المراصد المغناطيسية بقياس وتسجيل المجال المغناطيسي للأرض بشكل مستمر في عدد من المواقع، وفي مرصد من هذا النوع، يتم تعليق الإبر الممغنطة ذات المرايا العاكسة بواسطة ألياف الكوارتز، حيث يتم تصوير أشعة الضوء المنعكسة من المرايا على صورة فوتوغرافية سلبية مثبتة على أسطوانة دوارة.

الاختلافات في المجال تسبب انحرافات مقابلة على السلبية، وتتوافق عوامل المقياس النموذجية لمثل هذه المراصد مع 2-10 نانوتيسلاس لكل مليمتر عموديًا و20 مليمترًا في الساعة أفقيًا، إذ تسمى طباعة الصورة السلبية المتقدمة بالرسم المغناطيسي.

سجلت المراصد المغناطيسية البيانات بهذه الطريقة لأكثر من 100 عام، ويتم تصوير مخططاتهم المغناطيسية على ميكروفيلم وإرسالها إلى مراكز البيانات العالمية، حيث تكون متاحة للاستخدام العلمي أو العملي، وتشمل هذه التطبيقات إنشاء خرائط مغناطيسية عالمية للملاحة والمسح؛ تصحيح البيانات التي تم الحصول عليها من المسوحات الجوية والبرية والبحرية للرواسب المعدنية والنفطية؛ والدراسات العلمية لتفاعل الشمس مع الأرض.

طرق لقياس المجال المغناطيسي:

في السنوات الأخيرة، أثبتت طرق أخرى لقياس المجالات المغناطيسية أنها أكثر ملاءمة، ويتم استبدال الأدوات القديمة تدريجيًا، إذ تتضمن إحدى هذه الطرق مقياس المغنطيسية لمبادرة البروتون، والتي تستخدم الخصائص المغناطيسية والجيروسكوبية للبروتونات في سائل مثل البنزين.

في هذه الطريقة، يتم محاذاة اللحظات المغناطيسية للبروتونات أولاً بواسطة مجال مغناطيسي قوي ينتج عن ملف خارجي، ثم يتم إيقاف المجال المغناطيسي فجأة، وتحاول البروتونات محاذاة نفسها مع مجال الأرض، ومع ذلك نظرًا لأن البروتونات تدور بالإضافة إلى أنها ممغنطة، فإنها تتحرك حول مجال الأرض بتردد يعتمد على حجم الأخير.

يستشعر الملف الخارجي جهدًا ضعيفًا ناتجًا عن هذا الدوران، ويتم تحديد فترة الدوران إلكترونيًا بدقة كافية لإنتاج حساسية بين 0.1 و 1.0 نانوتيسلا، إن الأداة التي تكمل مقياس المغنطيسية لبداية البروتون هي مقياس المغناطيسية لبوابة التدفق، وعلى النقيض من مقياس المغنطيسية لدوافع البروتون، يقيس جهاز بوابة التدفق المكونات الثلاثة لناقل المجال بدلاً من حجمه.

تستخدم ثلاثة أجهزة استشعار، كل منها يتماشى مع أحد المكونات الثلاثة لمتجه المجال، ويتم إنشاء كل مستشعر من محول ملفوف حول قلب من مادة عالية النفاذية (على سبيل المثال، معدن mu)، إذ يتم تحفيز اللف الأساسي للمحول بموجة جيبية عالية التردد (حوالي 5 كيلوهرتز)، وفي حالة عدم وجود أي مجال على طول محور المحول، تتكون إشارة الخرج في الملف الثانوي من توافقيات فردية فقط (ترددات مكونة) لتردد المحرك.

ومع ذلك، إذا كان هناك حقل موجود، فإنه يؤدي إلى انحياز حلقة التخلفية للنواة في اتجاه واحد، ويؤدي هذا إلى تشبع اللب في وقت أقرب في نصف دورة محرك مقارنة بالنصف الآخر، حيث يؤدي هذا بدوره إلى احتواء الجهد الثانوي على جميع التوافقيات الزوجية وكذلك الفردية، كما أن السعة والمرحلة من التوافقيات الزوجية تتناسب خطيًا مع مكون المجال على طول محور المحول.