مقدمة في المغناطيسية
الفصل الثاني — الحث الكهرومغناطيسي
فكرة الدرس
المغناطيسية ظاهرة تظهر في صورة قوى تجاذب أو تنافر بين الأقطاب المغناطيسية. وتحيط بالمغناطيس منطقة يمكن أن تظهر فيها آثار هذه القوى، وتسمى المجال المغناطيسي. نرمز إلى المجال المغناطيسي بالرمز B.
قطبا المغناطيس
للمغناطيس قطبان: قطب شمالي N وقطب جنوبي S.
تمثيل المجال المغناطيسي
نمثل المجال بخطوط تخيلية تسمى خطوط المجال المغناطيسي. يوضح الرسم اتجاهها حول مغناطيس مستقيم.
خصائص خطوط المجال
- تكوّن خطوط المجال مسارات مغلقة.
- لا تتقاطع؛ لأن المجال عند النقطة الواحدة له اتجاه محدد.
- تقاربها يدل على مجال أشد، وتكون أكثر تقاربًا قرب قطبي المغناطيس.
- اتجاه المماس لخط المجال عند نقطة يحدد اتجاه المجال عند تلك النقطة.
الكشف عن المجال ووحدته
تصطف إبرة البوصلة بمحاذاة المجال المغناطيسي عند موضعها؛ لذلك تساعدنا على الكشف عن اتجاهه. وللأرض مجال مغناطيسي يؤثر في إبرة البوصلة.
| الكمية الفيزيائية | الرمز | وحدة القياس |
|---|---|---|
| المجال المغناطيسي | B | التسلا (T) |
تُدرس قوانين القوة والفيض والحث في عناوينها المخصصة لاحقًا في هذا الفصل.
تحقق من فهمك
أظهر الأسئلة والإجابات
- ما اتجاه خطوط المجال خارج المغناطيس؟ من N إلى S.
- ماذا يدل تقارب خطوط المجال؟ يدل على أن المجال أشد.
- لماذا لا تتقاطع الخطوط؟ لأن اتجاه المجال عند النقطة الواحدة محدد.
- ماذا يحدث بين قطبين متماثلين؟ يتنافران.
- وماذا يحدث بين قطبين مختلفين؟ يتجاذبان.
تأثير المجالين الكهربائي والمغناطيسي في الجسيمات المشحونة
الفصل الثاني
الفكرة الرئيسة
تؤثر المجالات في الشحنات الكهربائية بقوى تختلف في اتجاهها وطريقة تأثيرها. فالقوة الكهربائية يمكن أن تؤثر في الشحنة حتى إذا كانت ساكنة، أما القوة المغناطيسية فتتعلق بحركة الشحنة واتجاه حركتها بالنسبة إلى المجال.
أولًا: القوة الكهربائية
إذا وُضعت شحنة كهربائية q في مجال كهربائي E، أثّر المجال فيها بقوة كهربائية:
- مقدار القوة: FE = qE.
- اتجاه القوة على شحنة موجبة يكون مع اتجاه المجال الكهربائي.
- اتجاه القوة على شحنة سالبة يكون عكس اتجاه المجال الكهربائي.
- تؤثر القوة الكهربائية في الشحنة سواء أكانت ساكنة أم متحركة.
- يمكن للقوة الكهربائية أن تغيّر سرعة الشحنة أو اتجاه حركتها، بحسب اتجاه القوة بالنسبة إلى حركتها.
ثانيًا: القوة المغناطيسية
عندما تتحرك شحنة كهربائية داخل مجال مغناطيسي، قد يؤثر فيها المجال بقوة مغناطيسية. يعتمد مقدار هذه القوة على مقدار الشحنة وسرعتها وشدة المجال والزاوية بين اتجاه السرعة واتجاه المجال:
حيث إن θ هي الزاوية بين متجه السرعة v والمجال المغناطيسي B.
- إذا كانت الشحنة ساكنة، فإن القوة المغناطيسية عليها تساوي صفرًا.
- إذا تحركت الشحنة موازية للمجال أو بعكس اتجاهه، تكون القوة صفرًا؛ لأن sin 0° = sin 180° = 0.
- إذا تحركت عموديًا على المجال، تكون القوة المغناطيسية أعظمية؛ لأن sin 90° = 1.
- اتجاه القوة عمودي على كلٍّ من اتجاه السرعة واتجاه المجال.
- القوة على الشحنة السالبة تكون عكس اتجاه القوة التي تؤثر في شحنة موجبة تتحرك بالطريقة نفسها.
حركة الشحنة في المجال المغناطيسي
إذا دخلت شحنة مجالًا مغناطيسيًا منتظمًا بسرعة عمودية على المجال، تكون القوة المغناطيسية عمودية على سرعتها باستمرار، فتغيّر اتجاه الحركة وتوفر القوة المركزية اللازمة للحركة الدائرية.
نصف قطر المسار الدائري يعتمد طرديًا على كتلة الجسيم وسرعته، وعكسيًا على مقدار شحنته وشدة المجال.
تمثل T الزمن الدوري للدوران عندما تكون السرعة عمودية على المجال. وإذا كانت للسرعة مركبة موازية للمجال، يكون المسار حلزونيًا.
عند وجود المجالين معًا
إذا وُجد مجال كهربائي ومجال مغناطيسي معًا، فإن محصلة القوة على الشحنة المتحركة هي:
يتحدد اتجاه المحصلة من جمع القوتين الكهربائية والمغناطيسية متجهيًا. وقد تتساوى القوتان وتتعاكسان، فلا تنحرف الشحنة.
مقارنة بين القوتين
| وجه المقارنة | القوة الكهربائية | القوة المغناطيسية |
|---|---|---|
| العلاقة | FE = qE | FB = qvB sin θ |
| تأثيرها في شحنة ساكنة | قد تؤثر فيها | لا تؤثر فيها |
| اتجاه القوة | مع المجال للموجبة، وعكسه للسالبة | عمودي على السرعة والمجال، وينعكس للشحنة السالبة |
| الأثر في مقدار السرعة | يمكن أن تغيّره | لا تغيّره إذا كان المجال المغناطيسي وحده |
الوحدات والرموز
| الكمية | الرمز | وحدة القياس |
|---|---|---|
| القوة | F | نيوتن (N) |
| الشحنة | q | كولوم (C) |
| شدة المجال الكهربائي | E | نيوتن لكل كولوم (N/C) |
| السرعة | v | متر لكل ثانية (m/s) |
| المجال المغناطيسي | B | تسلا (T) |
| نصف قطر المسار | r | متر (m) |