المجال المغناطيسي لتيار كهربي يمر في سلك مستقيم

Magnetic Flux due to a Current in a Straight Wire

إعداد / عماد الدين زغلول  emad@deyaa.org

مع تحيات مركز التطوير التكنولوجي بدمياط

 المجال المغناطيسي لتيار كهربائي مستمر يمر في سلك مستقيم

انقر بالماوس على السلك لترى خطوط المجال في البرنامج

التجربة العملية

الغرض من التجربة :

تخطيط المجال المغناطيسي لتيار كهربائي مستمر يمر في سلك مستقيم رأسي

الأدوات : ورق مقوى – بوصلة – سلك معزول – أميتر – مفتاح كهربائي – بطارية – برادة حديد – ريوستات

خطوات العمل :

1-    نصل دائرة كما بالشكل

2-    نرتب مجموعة البوصلات حول السلك ونلاحظ أنها تشير إلى اتجاه الزوال المغناطيسي الأرضي

3-    نغلق الدائرة حتى يمر تيار مناسب خلالها ونلاحظ اتجاه الأقطاب الشمالية للبوصلات

4-  نفتح الدائرة ونبعد البوصلات ثم ننثر برادة الحديد حول السلك – نقفل الدائرة ونطرق لوح الورق طرقا خفيفا

5-  نفتح الدائرة ونبعد برادة الحديد ثم نرتب البوصلات حول السلك ونغلق الدائرة ونلاحظ اتجاه الأقطاب الشمالية للبوصلات لمعرفة اتجاه خطوط المجال حول السلك

6-    نلاحظ أقطاب البطارية ونتعرف على تأثير اتجاه التيار على اتجاه المجال

7-    نطبق قاعدة اليد اليمنى أو البريمة لماكسويل لتحديد اتجاه المجال حول السلك

8-    نرسم شكلا للمجال المغناطيسي حول السلك

شكل المجال

 خطوط المجال عبارة عن دوائر مغلقة منتظمة متحدة المركز مركزها السلك ذاته وفي مستوى عمودي على السلك

تعيين اتجاه خطوط المجال حول الموصل :

1.    قاعدة قبضة اليد اليمنى : عندما تقبض اليد اليمنى على الموصل بحيث يشير الإبهام إلى اتجاه التيار الكهربائي فان اتجاه الأصابع الملتفة حول السلك يحدد اتجاه خطوط الفيض المغناطيسي .

2.    قاعدة البريمة اليمنى لماكسويل : إذا أدرت بريمة بحيث يشير اتجاه اندفاعها إلى اتجاه التيار فان اتجاه دوراتها يحدد اتجاه خطوط المجال المغناطيسي  ( تسمى أيضا هذه القاعدة – قاعدة اللولب اليميني اللف )   3.    باستخدام بوصلة مغناطيسية صغيرة : إذا وضعت بوصلة على لوح الورق المقوى الذي يخترقه      الموصل فان الاتجاه الذي يتخذه قطبها الشمالي يدل على اتجاه خطوط الفيض المغناطيسي   

تعيين شدة المجال المغناطيسي عند نقطة بالقرب من السلك

العوامل التي تتوقف عليها شدة المجال المغناطيسي هي :

1.    شدة التيار الكهربائي ( I  )  - - - - - - - -  تناسب طردي مع شدة المجال  (B αI)

2.    بعد النقطة عن السلك( d )  - - - - - - - - - تناسب طردي مع شدة المجال  (  B α1/d  )

الاستنتاج

ميو μ  ثابت السماحية ( النفاذية ) للفراغ = 4 π x 10-7  وبر / أمبير . متر   

إذا العلاقة في حالة سلك موضوع في الهواء تكتب على الصورة

عدد العوامل التي تتوقف عليها شدة المجال المغناطيسي لتيار كهربائي يمر في سلك مستقيم طويل واستنتج العلاقة بين هذه العوامل وشدة المجال
احسب شدة المجال المغناطيسي عند نقطة تبعد في الهواء 4cm عن سلك طويل يسري فيه تيار كهربائي شدته 3A
 

ملاحظات هامة

1 - الدوائر التي تمثل خطوط الفيض المغناطيسي تتزاحم بالقرب من السلك وتتباعد بتباعدها عنه ونستنتج من هذا أن شدة المجال المغناطيسي للتيار تزداد بالاقتراب من السلك وتقل بالابتعاد عنه

2 - بزيادة شدة التيار الكهربي في السلك وإعادة طرق لوح الورق المقوى يزداد تزاحم خطوط الفيض حول السلك حيث تصبح الدوائر أكثر ازدحاما ونستنتج من هذا ان شدة المجال تزداد بزيادة شدة التيار [ تناسب طردي ]

3 - تسمى العلاقة السابقة قانون أمبير الدائري Ampere's Circuital Law

معلومة إثرائية

الدوران المغناطيسي
هو حاصل ضرب شدة المجال المغناطيسي في طول محيط الدائرة حول الموصل

علل يتوقف الدوران المغناطيسي على شدة التيار فقط ؟
لأن شدة المجال تتناسب عكسيا مع البعد عن السلك وبالتالي يكون حاصل ضربهما مقدار ثابت

كيفية حساب الدوران المغناطيسي
 إذا كان المسار دائري
 إذا كان المسار غير منتظم حيث θ الزاوية بين و B
 يجب أن يكون المسار مغلق
ويجب أن يحتوي المسار بداخله على تيار كهربائي
قانون أمبير : مجموع مقادير الدوران المغناطيسي على أجزاء المسار المغلق المختلفة يتناسب طرديا مع شدة التيار داخل ذلك المسار

 


شدة المجال المغناطيسي داخل ملف حلزوني [ لولبي ]

التجربة العملية : تخطيط المجال المغناطيسي لتيار كهربائي يمر في ملف حلزوني
الأدوات : ورق مقوى – بوصلات – سلك معزول – أميتر – مفتاح كهربائي – بطارية – برادة حديد – ريوستات
خطوات التجربة
نصل دائرة كما بالرسم
    نضع البوصلة عند أحد طرفي الملف ثم نقفل الدائرة  
ونلاحظ البوصلة
 نحرك البوصلة داخل الملف على طول محوره ونلاحظ اتجاه قطبها الشمالي
 ننقل البوصلة إلى الطرف الثاني للملف ونكرر ما سبق - نعكس اتجاه التيار المار ونكرر ما سبق
 نفتح الدائرة وننثر برادة الحديد عند طرفي الملف وعلى طول محوره من الداخل وحول الملف ثم نغلق الدائرة ونطرق لوح الورق المقوى طرقا خفيفا ونرسم شكل المجال وندون الاستنتاجات

شكل المجال
داخل الملف : خطوط مستقيمة متوازية ( مجال منتظم )
خارج الملف يشبه المجال المغناطيسي لساق ممغنط  ويكون المجال ضعيفا جدا
اتجاه المجال : في الداخل من الجنوبي إلى الشمالي في الخارج من الشمالي إلى الجنوبي 
القاعدة المستخدمة : البريمة اليمنى لماكسويل ( اللولب يميني اللف ) إذا أدرنا رأس البريمة داخل الملف على
محوره في نفس اتجاه التيار في الملف يكون اتجاه تقدم البريمة هو نفس اتجاه خطوط المجال داخل الملف

تحديد قطبي الملف
طرف الملف الذي يكون فيه اتجاه التيار مع حركة عقارب الساعة يكون قطب جنوبي والطرف الآخر شمالي
قاعدة من الخبرة العملية : طرف الملف الذي يدخل إليه التيار تدخل إليه خطوط المجال ويكون جنوبي والعكس للطرف الآخر
حساب شدة المجال المغناطيسي داخل الملف

بما أن كثافة الفيض المغناطيسي عند أي نقطة على المحور داخل الملف اللولبي تتوقف على

1 - شدة التيار [ تناسب طردي ] B ά I

2 - عدد اللفات في وحدة الأطوال [ تناسب طردي ] B ά n  

       إذا B ά nI

B = μ n I

معلومة اثرائية
 نختار مسار مغلق مستطيل الشكل (abcd )
نقسم المسار إلى أربعة أجزاء
( ab + bc + cd + da ) ونحسب الدوران المغناطيسي على أجزاء ذلك المسار نجد أن
الدوران على da , bc يساوي صفرا لأن خطوط المجال عمودية عليهما cos 90 = 0
الدوران على الجزء cd = صفرا لأن B = 0 الدوران على الجزء ab = 

إذا الدوران المغناطيسي على أجزاء المسار abcd = الدوران على ab = 
من قانون أمبير [ مجموع التيار الكلي داخل المسار × ]
     ---------    حيث n عدد اللفات في وحدة الأطوال


بريمج جافا يوضح المجال المغناطيسي لتيار يمر في ملف حلزوني [ لولبي ]

 

www.deyaa.org     مدرس الفيزياء