فیزیک الکتریسیته و مغناطیس – پایه یازدهم ، سوم تجربی و ریاضی – بخش مغناطیس
فیزیک الکتریسیته و مغناطیس دبیرستان – تدریس کامل بخش مغناطیس در سایت خلایق
فیزیک الکتریسیته و مغناطیس یکی از مباحث اصلی درسی در دوران دبیرستان و دانشگاه است. این مباحث در کتاب های فیزیک سال سوم تجربی و فیزیک سوم ریاضی ، فیزیک یازدهم و فیزیک ۲ دانشگاه و درس الکترومغناطیس رشته ی مهندسی برق و رشته فیزیک تدریس می شود. همچنین در کنکور رشته ریاضی و کنکور رشته تجربی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
در درس آزمایشگاه فیزیک ۲ دانشگاه که برای بیشتر رشته های مهندسی از جمله رشته ی مهندسی برق تدریس می شود به جنبه های عملی این مبحث پرداخته می شود.
این مقاله به نوعی جزوه فیزیک الکتریسیته و مغناطیس است که ۱۱ فیلم اموزش فیزیک ۳ هم ضمیمه ارائه گردیده است. توصیه می کنم این فیلم ها را حتما ببینید.
در ۲ ویدئوی آخر به نمونه سوالات سوم تجربی و ریاضی و فیزیک یازدهم پرداخته شده است.
از جمله مطالبی که در این مقاله به آنها خواهیم پرداخت این ها هستند: میدان مغناطیسی آهنربا ، خواص مغناطیسی مواد ، نحوه ایجاد میدان مغناطیسی ، موادی که جذب آهنربا می شوند ، روش ساخت آهنربا ، میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان ، سوالات فیزیک الکتریسیته و مغناطیس با جواب ، ساخت آهنربای الکتریکی ، قاعده دست راست ، میدان مغناطیسی زمین و ….
فیزیک الکتریسیته و مغناطیس – درس اول: آشنایی با مفاهیم اولیه
آشنایی با مغناطیس و میدان مغناطیسی
آهنرباها به همدیگر و به تعداد معدودی از فلزات نیرو وارد می کنند. موادی که جذب آهنربا می شوند عبارتند از : فلزات آهن ، نیکل ، کبالت و آلیاژهای آن ها.
موادی که جذب آهنربا می شوند این قابلیت را دارند که به آهنربا تبدیل شوند. در قسمت پایانی درس به این مواد خواهیم پرداخت.
آهنربا
آهنرباها به دو صورت طبیعی و مصنوعی یافت می شوند. در زیر یک آهنربای طبیعی را می بینید.
هر آهنربا به هر شکل و اندازه ای که باشد از ۲ قسمت اصلی تشکیل می شود. به هر کدام از این قسمت ها قطب گفته می شود.
قطب شمال (N)
قطب جنوب (S)
بیشترین خاصیت آهنربایی ، در اطراف قطب ها دیده می شود.
جالب است بدانید که زمین و برخی از سیارات دیگر منظومه شمسی مانند عطارد، مشتری، زحل، اورانوس و نپتون هر کدام یک آهنربای غول پیکرند.
قطب جنوب مغناطیسی زمین به طرف بالا و قطب شمال مغناطیسی آن به طرف پایین آن است .
اگر یک آهنربای میله ای را به یک نخ بسته و آویزان کنیم ، قطب N آهنربا در راستای قطب S زمین و قطب S آهنربا در راستای قطب N زمین قرار می گیرد .
قطب های ناهمنام آهنربا همدیگر را جذب می کنند .
قطب های همنام آهنربا همدیگر را دفع می کنند .
پرسش : دو میله ی کاملا مشابه یکی از جنس آهن دیگری از جنس آهنربا داریم . روشی پیشنهاد کنید که فقط به وسیله ی همین دو میله بفهمیم کدام آهن و کدام یک آهنربا است .
پاسخ : یکی از دو انتهای میله ی A را به مرکز میله ی B تماس می دهیم . اگر A مرکز B را جذب کرد ، نتیجه می گیریم A آهنربا است و B آهن . اگر این طور نبود نتیجه برعکس است .
دو قطبی مغناطیسی
تمام آهنرباها به صورت دو قطبی اند. ( یعنی دارای قطب S و N با هم اند. ) اگر یک آهن ربا را بی نهایت بار شکسته و خرد کنیم هر کدام از این ذرات باز هم هر دو قطب را دارا هستند.
نکته : تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد.
القای مغناطیسی
القای مغناطیسی فقط در فلزات آهن ، نیکل ، کبالت و آلیاژهای آن ها دیده می شود .
هر گاه فلزی از موارد فوق توسط آهنربا جذب شود به طور موقتی خاصیت مغناطیسی پیدا می کند. به این خاصیت ، القای مغناطیسی می گویند.
مساله القای مغناطیسی می تواند بارها و بارها اتفاق بیفتد. یعنی اگر فلزهای دیگری را به فلز یا فلزات قبل متصل کنیم آن ها هم آهنربای موقتی خواهند شد. این موضوع را می توانید به وضوح در شکل زیر ببینید.
فیزیک الکتریسیته و مغناطیس : درس دوم: میدان مغناطیسی زمین
میدان مغناطیسی – میدان مغناطیسی زمین
در اطراف هر آهنربا خاصیتی به نام میدان مغناطیسی وجود دارد . میدان مغناطیسی آهنربا مثل یک هاله ی نامرئی ، آهنربا را در بر گرفته است.
این میدان را با یک میدان برداری نمایش می دهند. شدت و جهت بردارهای این میدان برداری در نقاط مختلف متفاوت و در حالت کلی تابعی از مکان و زمان است.
برای تعیین جهت میدان مغناطیسی آهنربا ، از وسایلی مثل عقربه ی مغناطیسی استفاده می شود.
بردار میدان مغناطیسی در هر نقطه از فضای پیرامون یک آهنربا در جهتی است که وقتی قطب N عقربه ی مغناطیسی در آن نقطه قرار می گیرد ، آن جهت را نشان می دهد.
برای نمایش شدت و جهت میدان مغناطیسی از خطوط میدان مغناطیسی استفاده می کنیم. در داخل آهنربا ، جهت خطوط از قطب S به N و در خارج آهنربا ، جهت خطوط از قطب N به S است. این موضوع را در تصویر زیر در سمت چپ می توانید ببینید. عقربه های مغناطیسی نقاط مختلف میدان این موضوع را به خوبی تصدیق می کنند.
در تصویر سمت راست زیر مقداری براده آهن در میدان مغناطیسی پاشیده شده است. هر کدام از این ذرات در میدان مغناطیسی تبدیل به یک آهنربا با قطب های مغناطیسی N و S شده و مثل عقربه مغناطیسی در میدان جهت گیری می کنند.
تراکم براده ها در اطراف قطب ها به معنای تراکم خطوط میدان مغناطیسی و قوی تر بودن میدان در این نقاط است.
تصویر زیر حرف های بالا را به وضوح تایید می کند.
از جهات بسیاری می توان الکتریسیته و مغناطیس را با هم مقایسه کرد. اگر در رشته فیزیک ، رشته ی مهندسی برق یا سایر رشته های مشابه تحصیل کنید در کتاب هایی مثل الکترومغناطیس یا درس فیزیک ۲ دانشگاه خواهید دید که روابط الکتریسیته و مغناطیس چقدر به هم شبیهند. به جدول زیر توجه کنید.
ویژگی های خطوط میدان مغناطیسی
راستای میدان مغناطیسی در هر نقطه ، مماس بر خط میدان در آن نقطه است .
جهت خطوط میدان مغناطیسی در هر نقطه ، همسو با میدان مغناطیسی در آن نقطه است .
تراکم خطوط میدان مغناطیسی در هر ناحیه از فضا ، نشانگر بزرگی میدان مغناطیسی آن ناحیه است.
میدان مغناطیسی یکنواخت
میدان مغناطیسی ای است که شدت و جهت خطوط میدان در تمام نقاط و لحظات ثابت باشد.
درون آهنرباهای میله ای و سیملوله ، میدان مغناطیسی تقریبا یکنواخت است .
برای تولید میدان مغناطیسی یکنواخت می توان از پیچه هلمهولتز استفاده کرد. آزمایش ها و محاسبات نشان می دهند اگر دو پیچه مشابه حامل جریان را به صورت هم محور در فاصله ای مشخص از هم قرار دهیم ، در فاصله بین آن ها میدان مغناطیسی یکنواخت ایجاد می شود. به این پیچه ها ، پیچه هلمهولتز می گویند.
میدان مغناطیسی زمین
خطوط میدان مغناطیسی زمین مثل خطوط میدان مغناطیسی یک آهنربای میله ای هستند. این موضوع را می توانید در شکل زیر بوضوح ببینید.
جالب است بدانید قطب های مغناطیسی و جغرافیایی زمین فاصله ی نسبتا زیادی با هم دارند به همین دلیل عقربه ی مغناطیسی در جهت شمال واقعی جغرافیایی قرار نمی گیرد و تا حدودی از شمال جغرافیایی انحراف دارد . این انحراف وابسته به مکان را میل مغناطیسی می نامند.
یکای میدان مغناطیسی تسلا است و آن را با T نشان می دهند اما از آنجایی که این یکا بسیار بزرگ است گاهی از یکای گوس استفاده می کنند.
هر گوس برابر یک ده هزارم تسلا است یا بالعکس می توان گفت هر تسلا معادل ۱۰۰۰۰ گوس است.
فیزیک الکتریسیته و مغناطیس – درس سوم: سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی
آزمایشگاه فیزیک ۲ – سیم حامل جریان در میدان مغناطیسی
آزمایش نشان می دهد هر گاه یک سیم حامل جریان الکتریکی در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد از طرف میدان به آن نیرویی وارد می شود . این نیرو می تواند باعث جابجا شدن سیم شود.
برای اثبات این موضوع می توانیم آزمایش زیر را انجام دهیم. به این صورت که اول مداری مثل تصویر زیر می بندیم.
اگر مفتول ننویی فوق را مطابق شکل زیر در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم و کلید مدار را وصل کنیم میدان به آن نیرویی وارد کرده و آن را جابجا می کند (شکل زیر).
اورستد – دانشمند دانمارکی – نشان داد :
هرگاه یک سیم حامل جریان الکتریکی در یک میدان مغناطیسی قرار بگیرد از طرف میدان نیرویی بر سیم وارد می شود . این نیرو بر راستای سیم و بر راستای میدان مغناطیسی عمود است.
تعیین جهت نیروی وارد بر سیم حامل جریان
برای تعیین جهت نیروی وارد بر سیم حامل جریان ، از قاعده دست راست استفاده می کنیم .
دست راستمان را باز نگه می داریم و چهار انگشتمان را در جهت جریان می گیریم . انتهای دست را در جهت میدان می گیریم. باید چهار انگشت را طوری در جهت جریان بگیریم که در حالت بسته شدن به میدان نزدیک شوند . در این حالت ، انگشت شست جهت نیروی وارد بر سیم حامل جریان را نشان می دهد.
اگر قاعده دست راست را برای شکل زیر اجرا کنید مشاهده می کنید که شست شما جهت پایین را نشان می دهد یعنی وقتی جهت جریان برعکس شود جهت نیرو هم برعکس می شود.
اندازه ی نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
نیرویی که میدان مغناطیسی به یک سیم مستقیم حامل جریان وارد می کند به چهار عامل بستگی دارد:
برای تعریف یکای تسلا می توانیم از رابطه فوق استفاده کنیم. به این صورت که اگر طول یک متر از سیمی مستقیم و طویل را که حامل جریان یک آمپر است را عمود بر میدان مغناطیسی یکنواخت B قرار دهیم (شکل زیر) زاویه حاده بین جهت میدان و جریان قائمه شده و نیروی بیشینه یک نیوتن بدست آید ، در این حالت بزرگی میدان مغناطیسی برابر یک نیوتن بر متر آمپر – یا یک تسلا – است.
پس می گوییم:
تسلا بزرگی میدان مغناطیسی است که در آن ، بر یک متر از سیمی مستقیم که حامل جریان یک آمپر است و در راستای عمود بر بردار میدان قرار دارد ، نیرویی به بزرگی یک نیوتن وارد شود .
دوباره یادآوری می کنم که تسلا ، یکای خیلی بزرگی است به همین دلیل در کاربردهای عملی از یکای کوچک تری به نام گوس استفاده می شود .
سوال : بزرگ ترین و کوچک ترین نیرویی که بر یک سیم حامل جریان در یک میدان مغناطیسی وارد می شود چقدر است؟
پاسخ: بزرگ ترین و کوچک ترین نیرو به ازای بزرگ ترین و کوچک ترین سینوس بدست می آیند.
برای زاویه ۹۰ درجه ، بیشترین مقدار نیرو بدست می آید:
برای زاویه صفر و ۱۸۰ درجه که سینوس آن ها صفر است کم ترین مقدار نیرو بدست می آید.
حالت اول: زاویه صفر
زاویه صفر به معنی هم جهت بودن میدان و جریان است.
حالت دوم: زاویه ۱۸۰ درجه
زاویه ۱۸۰ درجه به معنی این است که میدان و جریان در دو سوی مخالف همند.
نتیجه: برای این که بر سیم حامل جریان واقع در میدان بیشترین نیروی ممکن وارد شود باید جریان و میدان بر هم عمود باشند این در حالی است که اگر میدان و جریان موازی یا پاد موازی باشند ، میدان عملا نیرویی بر سیم وارد نمی کند.
مثال : یک سیم مستقیم حامل جریان الکتریکی در میدان مغناطیسی به بزرگی ۰/۰۴mT در راستایی قرار دارد که با جهت میدان ، زاویه ی ۳۰ درجه می سازد . اگر جریان در سیم ۵A باشد ، نیروی مغناطیسی وارد بر یک متر از این سیم را محاسبه کنید.
مثال : در قسمتی از دیوار خانه ای یک سیم مستقیم ۲/۵ متری قرار دارد که در لحظه های معینی ، حامل جریان ۵A از شرق به غرب است. بزرگی میدان مغناطیسی زمین ۰/۵۵ گوس و جهت آن از جنوب به شمال است . نیروی مغناطیسی وارد بر این سیم با توجه به شرایط ذکر شده ، چقدر است ؟
جزوه فیزیک الکتریسیته و مغناطیس – درس چهارم: ذره در میدان
ذره ی باردار متحرک در میدان مغناطیسی
آزمایش ها نشان می دهند وقتی یک ذره دارای بار الکتریکی درون میدان مغناطیسی حرکت می کند از طرف میدان به آن نیرویی وارد می شود که جهت این نیرو از قاعده دست راست بدست می آید.
برای بدست آوردن جهت این نیرو کافی است مطابق شکل زیر عمل کنیم. برای یک بار مثبت ،چهار انگشت دست راست را در جهت بردار سرعت و انتهای دست را در جهت میدان می گیریم ، طوری که وقتی انگشت ها را می بندیم بردار سرعت به بردار میدان الکتریکی نزدیک شود. در این حالت جهت انگشت شست جهت نیروی وارد بر ذره بار دار را نشان دهد.
اگر ذره دارای بار الکتریکی منفی بود باز هم مطابق همین قاعده عمل می کنیم با این تفاوت که این دفعه جهت نیرو عکس جهت انگشت شست است.
هر دو مورد را در شکل زیر می توانید ببینید.
می توانیم نشان دهیم بردار نیروی وارد بر ذره ای که در میدان مغناطیسی حرکت می کند از رابطه زیر بدست می آید:
این رابطه نشان می دهد بردار نیرو از حاصل ضرب اسکالر بار q در حاصل ضرب برداری دو بردار سرعت و میدان بدست می آید.
بزرگی بردار نیرو هم از رابطه زیر قابل محاسبه است. در واقع این نیرو چیزی نیست جز اندازه حاصل ضرب برداری فوق.
کمیت ها و یکاهای استاندارد آن ها را می توانید ببینید.
پرسش : با استفاده از رابطه ای که بدست آوردیم ، از تصویرهای زیر چه چیزی می فهمید ؟
طبق رابطه فوق وقتی بار عمود بر راستای میدان حرکت می کند ، زاویه بین این دو بردار ۹۰ درجه شده و نیرویی که بر آن وارد می شود بیشینه خواهد بود. از طرف دیگر تصویر ب نشان می دهد وقتی ذره موازی یا پادموازی با میدان حرکت می کند بر آن نیرویی وارد نمی شود.
موضوع دیگری که باید متذکر شویم این است که میدان مغناطیسی فقط بر بارهای متحرک نیرو وارد می کند. برای بار ساکن بردار سرعت ، بردار صفر می شود و نیرویی بر بار الکتریکی وارد نمی شود.
وجود اندازه بار یعنی q خود نشان دهنده این است که میدان مغناطیسی فقط بر ذرات باردار نیرو وارد می کند. یعنی اگر مثلا دو ذره غبار که یکی باردار و دیگری بودن باردار است وارد میدان شود آن ذره ای که باردار است در اثر نیروی میدان منحرف می شود اما برای ذره بی بار اتفاق خاصی نمی افتد.
فیلم اموزشی فیزیک ۳ – درس پنجم : میدان در اطراف سیم حامل جریان
میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان
منظور از چنین سیمی یک سیم مستقیم بسیار بلند است.
اورستد کشف کرد که با عبور جریان الکتریکی از یک سیم رسانا ، در اطراف سیم ، میدان مغناطیسی ایجاد می شود .
آزمایش اورستد
وسیله های لازم : باتری – سیم مسی نسبتا ضخیم – صفحه مقوایی – عقربه ی مغناطیسی – قطب نما – سیم رابط
روش آزمایش: قطعه ای از یک سیم مسی نسبتا ضخیم را از یک صفحه مقوایی مطابق شکل زیر عبور داده و مداری می بندیم. کلید را بسته تا جریان در آن برقرار گردد.
اگر عقربه مغناطیسی را در اطراف سیم مسی ضخیم روی مقوا قرار دهیم شاهد وضعیت زیر خواهیم بود. یعنی اگر جهت جریان از پایین به بالا باشد عقربه مغناطیسی به گونه ای جهت گیری می کند که قطب شمال آن همواره روی دایره های پاساعتگرد قرار می گیرد.
در ادامه جهت جریان عبوری را عکس کرده و دوباره آزمایش فوق را برای عقربه مغناطیسی امتحان می کنیم. مشاهده می کنیم این بار جهت عقربه مغناطیسی همواره ساعتگرد است.
این آزمایش ساده پیامی مهم دارد و آن این که در اطراف سیم مستقیم حامل جریان یک میدان مغناطیسی وجود دارد. جهت این میدان به جهت جریان عبوری از سیم وابسته است.
سوال : جهت میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان را چگونه تعیین کنیم ؟
پاسخ : به کمک قانون دست راست.
مطابق شکل زیر انگشت شست دست راست را در جهت جریان می گیریم. جهت بسته شدن انگشتان ، جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد.
میدان مغناطیسی حاصل از یک سیم مستقیم و دراز حامل جریان که در محیط خلاء یا هوا قرار گرفته ، به ۲ عامل بستگی دارد .
جریان الکتریکی (I) : هر چه جریان عبوری از سیم بیشتر باشد ، میدان حاصل از سیم قوی تر است.
فاصله از سیم (R) : هر چه فاصله ی عمودی از سیم حامل جریان کم تر باشد ، میدان حاصل از سیم بزرگ تر است و بالعکس .
در رابطه فوق I جریان الکتریکی بر حسب آمپر ، R فاصله عمودی از سیم بر حسب متر و B میدان مغناطیسی بر حسب تسلا است. ضریب نامبرده ( بخوانید میو صفر ) تراوایی مغناطیسی خلا نامیده می شود.
سوال : تراوایی مغناطیسی چیست؟
پاسخ : رفتار مواد مختلف نسبت به عبور خاصیت میدان مغناطیسی است. تراوایی مغناطیسی برای محیط خلا (و با تقریب خوب هوا) برابر مقدار بالا است که در مسائل معمولا داده می شود. تراوایی مغناطیسی بقیه محیط ها از این مقدار بیشتر است.
گاهی در تست های کنکور رشته تجربی و کنکور رشته ریاضی از این گونه مسائل مطرح می شود.
حالا تعدادی از نمونه سوالات سوم تجربی و ریاضی و فیزیک یازدهم را حل می کنیم.
مثال : اندازه ی میدان مغناطیسی ناشی از جریان ۲۰A را که از سیمی دراز و مستقیم می گذرد ، در نقطه ی P به فاصله ی ۱۰cm از سیم حساب کنید .
مثال : سیم مستقیم بلندی حامل جریان ۱A است . بزرگی میدان مغناطیسی حاصل از این جریان در چه فاصله ای از سیم برابر B=0.5G (حدود میدان مغناطیسی زمین) می شود؟
فیلم اموزشی فیزیک ۳ – درس ششم: میدان حاصل از پیچه حامل جریان
رشته مهندسی برق – میدان مغناطیسی پیچه ی حامل جریان
به سادگی می توان نشان داد یک حلقه حامل جریان هم دارای میدان مغناطیسی است. جالب تر این که خطوط میدان مغناطیسی حاصل از یک حلقه شباهت زیادی به خطوط میدان مغناطیسی آهنربا دارد.
در شکل زیر می توانید خطوط میدان مغناطیسی حاصل از یک حلقه دایروی شکل را که در یک مدار قرار گرفته و از آن جریان I می گذرد را ببینید.
در حلقه ی حامل جریان:
میدان در داخل حلقه قوی تر است چون تراکم خطوط میدان بیشتر است .
در نقاط روی محور حلقه ، میدان موازی محور است.
سوال : در یک سیم حلقه حامل جریان ، جهت میدان مغناطیسی را چگونه تعیین کنیم؟
پاسخ : به کمک قانون دست راست.
درست مثل مورد سیم مستقیم حامل جریان عمل می کنیم. انگشت شست دست راست را در جهت جریان می گیریم. در این حالت جهت بسته شدن چهار انگشت جهت میدان مغناطیسی را نشان می دهد.
می توان نشان داد بزرگی میدان مغناطیسی در مرکز یک حلقه دایره ای – مثل شکل زیر – که از آن جریان I می گذرد از رابطه زیر دست می آید.
فرمول میدان مغناطیسی حاصل از یک سیم مستقیم حامل جریان و فرمول میدان مغناطیسی در مرکز یک حلقه حامل جریان ، شباهت زیادی به هم دارد.
همان طور که گفتیم خطوط میدان در حلقه ی حامل جریان ، بسیار شبیه خطوط میدان در آهنربای میله ای است.
پیچه : هر گاه یک سیم را به صورت تعدادی حلقه ی جریان متصل در بیاوریم، به این مجموعه حلقه ، پیچه می گوییم.
میدان مغناطیسی حاصل از یک پیچه در مرکز هندسی آن از رابطه ی زیر بدست می آید :
در واقع میدان حاصل از یک حلقه را در تعداد حلقه ها ضرب کره ایم.
مثال : از پیچه ی مسطحی به شعاع ۶/۳cm که از ۲۰۰۰ دور سیم نازک درست شده است ، جریان ۲۰mA می گذرد. میدان مغناطیسی را در مرکز پیچه بدست آورید.
فیزیک سوم ریاضی – درس هفتم : میدان مغناطیسی درون سیملوله
میدان مغناطیسی درون سیملوله
سیملوله همان طور که از اسمش پیدا است عبارت است از یک سیم رسانای پوشش دار بلند که به صورت تعدادی حلقه سیم چسبیده به هم در آمده و یک لوله را تشکیل داده اند.
آزمایش نشان می دهد وقتی از یک سیملوله جریانی می گذرد درون و بیرون آن میدانی ایجاد می شود. میدان درون سیملوله – دور از لبه ها – تقریبا یکنواخت است.
خطوط میدان ، درون سیملوله بسیار متراکم تر از خطوط میدان در خارج آن است . یعنی میدان در داخل سیملوله قوی تر از میدان در بیرون سیلوله است .
برای تعیین جهت میدان درون سیملوله از قانون دست راست کمک می گیریم .
به این صورت که انگشت شستمان را در جهت جریان می گیریم . جهت بسته شدن ۴ انگشت دیگر جهت میدان را نشان می دهد .
میدان مغناطیسی درون سیملوله از رابطه زیر بدست می آید:
مثال : سیملوله ای به طول ۱۵cm و شعاع ۰.۷۵cm دارای ۶۰۰ حلقه سیم نزدیک به هم است. اگر از سیملوله جریان ۸۰۰mA بگذرد ، بزرگی میدان مغناطیسی را در نقطه ای نزدیک به مرکز سیملوله پیدا کنید.
مثال : سیملوله ای چنان طراحی شده است که میدان مغناطیسی در مرکز آن ۲۷۰G باشد ، شعاع این سیملوله ۱.۴cm و طول آن ۴۰cm است . اگر بخواهیم جریان بیشینه ای که از آن می گذرد ۱.۲ آمپر باشد کم ترین تعداد دورهای آن در واحد طول باید چقدر باشد؟
سیملوله ی با هسته ی آهنی – آهنربای الکتریکی
اگر یک میله ی آهنی را درون یک سیملوله قرار دهیم میله آهنربا می شود. یعنی در آن خاصیت آهنربایی القا می شود. در این حالت به میله ، هسته ی سیملوله می گویند.
این اساس کار آهنربای الکتریکی است. یعنی برای ساخت آهنرباهای الکتریکی از یک سیملوله حامل جریان استفاده می کنیم. در این آهنرباها به محض برقرار شدن جریان ، هسته آهنی آهنربا شده و به محض قطع جریان خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهد.
جالب است بدانید از این موضوع در ساخت جرثقیل های مغناطیسی غول پیکر برای حمل ضایعات و قطعات فلزی آهنی استفاده می شود.
هر چه تعداد دورهای سیملوله در واحد طول (n) و جریانی که از هسته می گذرد (I) بیشتر باشد ، آهنربای الکتریکی قوی تر خواهد بود.
در زیر می توانید فرمول میدان مغناطیسی حاصل از حلقه دایروی شکل ، پیچه ، سیم مستقیم حامل جریان و سیملوله را ببینید.
درس هشتم : نیروی بین سیم های موازی حامل جریان
نیروی بین سیم های موازی حامل جریان
نشان دادیم در اطراف یک سیم مستقیم حامل جریان ، میدان مغناطیسی وجود دارد. از طرف دیگر می دانیم در یک سیم حامل جریان ، الکترونها که ذرات باردار منفی هستند با سرعت سوق ، در حال حرکتند. بنابراین وقتی دو سیم حامل جریان در مجاورت هم قرار می گیرند بنا به دلیلی که گفتیم بر هم نیرو وارد می کنند.
می خواهیم اندازه و جهت این نیروها را در دو حالت بدست آوریم.
الف : دو سیم موازی حامل جریان های همسو
در اطراف یک سیم حامل جریان ، میدان مغناطیسی وجود دارد. بنابراین اگر یک سیم حامل جریان در اطراف آن قرار بگیرد ، سیم اول به آن نیرو وارد می کند.
در بالا طول سیم مورد نظر را یک متر در نظر گرفتیم. این یعنی این که این رابطه نیروی وارد بر هر متر از سیم را به ما می دهد.
اگر از قاعده دست راست برای بارهای متحرک استفاده کنیم متوجه می شویم که سیم ۱ دارد سیم ۲ را می رباید.
طبق قانون سوم نیوتن ، سیم ۲ هم همین نیرو را در جهت مخالف وارد می کند.
نتیجه : هر گاه از دو سیم مستقیم که در مجاورت هم و در میدان هم قرار دارند جریان هایی در یک جهت بگذرد، این دو سیم همدیگر را می ربایند.
ب : دو سیم موازی حامل جریان در سوهای مخالف
در صورتی که دو سیم ، حامل جریان مختلف الجهت باشند تنها چیزی که تغییر می کند جهت نیرو ها است. به کمک قاعده دست راست و با استدلال به وسیله قانون سوم نیوتن ، نتیجه می گیریم سیم ها همدیگر را دفع می کنند.
نتیجه : جریان های موجود در دو سیم دراز موازی ، چه هم جهت باشند و چه مختلف الجهت ، بزرگی نیرویی که بر هم وارد می کنند از رابطه ی فوق بدست می آید.
اگر جریان ها هم جهت باشند سیم ها همدیگر را جذب و اگر جریان ها مختلف الجهت باشند سیم ها همدیگر را دفع می کنند.
تعریف یکای جریان
جالب است بدانید که یکای جریان (آمپر) را به کمک همین رابطه اخیر تعریف می کنند. فرض می کنیم دو سیم در فاصله یک متر از هم قرار گرفته باشند و از هر کدام جریان یک آمپر بگذرد.
مثال : از دو سیم نازک ، مستقیم و موازی و بسیار بلند که در فاصله ی ۲۰cm از هم قرار دارند جریان های ۱A و ۲A در یک جهت عبور می کند. نیرویی که هر کدام از این سیم ها به یک متر از سیم دیگر وارد می کند چند نیوتن است ؟
فیزیک سوم تجربی – درس نهم : خواص مغناطیسی مواد
خواص مغناطیسی مواد
تعداد زیادی از مواد کمابیش خاصیت مغناطیسی دارند. یعنی با ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف آنها ، به نوعی در مقابل آن موضع گیری می کنند. خاصیت مغناطیسی مواد با هم متفاوت است و مواد مختلف به میدان مغناطیسی پاسخ های متفاوتی می دهند.
منشاء خاصیت مغناطیسی مواد ناشی از این ۲ حرکت است :
دوران الکترون به دور هسته
دوران الکترون حول محور خودش
هر کدام از این حرکت ها به منزله حرکت بار و ایجاد جریان و در نتیجه ایجاد میدان مغناطیسی است.
اگر اتم یک زوج الکترون داشته باشد که در یک جهت بچرخند ، آهنربای قوی تری را بوجود می آورند. اما اگر این زوج الکترون در جهت های مخالف یکدیگر بچرخند خاصیت مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند .
چند مفهوم مهم
مواد مغناطیسی : موادی هستند که اتم ها یا مولکول های سازنده ی آن ها ، خاصیت مغناطیسی دارند .
دوقطبی مغناطیسی : کوچک ترین ذرات تشکیل دهنده ی آهنرباها (اتم ها – مولکول ها) هستند و دارای قطب های N و S می باشند .
مواد پارامغناطیس : در یک ماده ی پارامغناطیسی ، دوقطبی های مغناطیسی ، سمت گیری مشخص و منظمی ندارند ، و در جهت های کاتوره ای قرار دارند .
این مواد خاصیت مغناطیسی ندارند. در تصویر زیر می توانید نحوه جهت گیری دوقطبی های مغناطیسی را در یک ماده پارامغناطیس ببینید.
اگر مواد پارامغناطیس را درون یک میدان مغناطیسی قرار دهیم ، این دوقطبی های کوچک در راستای میدان منظم می شوند. هر چه میدان قوی تر باشد سمت گیری دوقطبی ها شدیدتر است. در این حالت ماده پارامغناطیس خاصیت مغناطیسی موقت پیدا می کند. (شکل زیر)
اما اگر ماده را از میدان دور کنیم دوقطبی های مغناطیسی به وضعیت اولیه ی خودشان برمی گردند .
چند ماده ی پارامغناطیس : اورانیم ، پلاتین ، آلومینیوم ، سدیم ، اکسیژن ، اکسید نیتروژن
مواد فرومغناطیس : در برخی از مواد مغناطیسی دوقطبی های مغناطیسی کوچک خودبخود با دوقطبی های مجاور خود هم خط می شوند . به این گونه مواد فرومغناطیس می گویند. عامل این موضوع برهمکنش های قوی بین دو قطبی های مغناطیسی هستند که حتی در عدم حضور میدان هم عمل می کنند.
حوزه ی مغناطیسی : بخش هایی درون مواد فرومغناطیسی هستند که تمام دوقطبی های آن ها با هم ، هم جهتند ، طوری که جهت دو قطبی های هر بخش با بخش های دیگر متفاوت است .
وقتی ماده ی فرومغناطیسی را در میدان مغناطیسی قرار می دهیم ، حوزه هایی که با میدان هم سوتر هستند رشد هم سوتر هستند رشد می کنند و حجمشان زیاد می شود.
یعنی مرز بین حوزه ها جابجا می شود و در نهایت ماده خاصیت آهنربایی پیدا می کند. شکل زیر یک ماده فرومغناطیس را در عدم حضور و در حضور میدان مغناطیسی نشان می دهد.
مواد فرومغناطیس به دو دسته تقسیم می شوند: مواد فرومغناطیس نرم – مواد فرومغناطیس سخت
مواد فرومغناطیسی نرم
موادی هستند که به راحتی آهنربا می شوند و به راحتی خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهند. مثل آهن خالص ، نیکل خالص ، کبالت خالص.
این مواد به سرعت آهنربا می شوند و با از بین رفتن میدان ، به سرعت خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهند. یعنی در حضور میدان ، حوزه ها به سرعت بزرگ می شوند و با حذف میدان ، حوزه ها به سرعت کوچک می شوند.
از این مواد برای ساخت آهنربای الکتریکی یا آهنرباهای غیر دائم استفاده می شود .
مواد فرومغناطیسی سخت
موادی هستند که به سختی آهنربا می شوند و به سختی خاصیت آهنربایی خود را از دست می دهند.
مثل فولاد ، آلیاژهای کبالت ، سایر آلیاژهای آهن
در این مواد حجم حوزه ها به سختی تغییر می کند. برای افزایش حجم حوزه ها به میدان های مغناطیسی خارجی قوی تری نیاز داریم . در این گونه مواد سمت گیری دوقطبی های مغناطیسی حوزه ها پس از حذف میدان خارجی به سهولت تغییر نمی کند.
این مواد برای ساخت آهنربای الکتریکی قوی دائمی مناسبند. روش ساخت آهنربا این است که فرومغناطیس های سخت را درون میدان های مغناطیسی قوی قرار می دهند.
نمونه سوال فیزیک ۳ الکتریسیته و مغناطیس با جواب – فیلم جواب پرسش های فیزیک سوم تجربی
نمونه سوال فیزیک ۳ الکتریسیته و مغناطیس با جواب – فیلم حل مسائل فیزیک ۳ تجربی و ریاضی
