التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس

الفيزياء — الصف الثالث الثانوي

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس

1. المجال المغناطيسي لسلك مستقيم يحمل تياراً

يتولد حول السلك المستقيم خطوط فيض مغناطيسي على هيئة دوائر متحدة المركز مركزها محور السلك، وتتزاحم بالقرب من السلك وتتباعد كلما ابتعدنا عنه وفق قانون أمبير الدائري: B = μ I / (2 π d).
تتوقف كثافة الفيض عند نقطة على شدة التيار والبعد العمودي عنه ونفاذية الوسط، فهي تتناسب طردياً مع I وعكسياً مع d.
وتقاس B بوحدة التسلا (T)، وهي الفيض المغناطيسي العمودي على وحدة المساحات.
لتحديد اتجاه المجال نستخدم قاعدة اليد اليمنى لأمبير نمسك السلك باليد اليمنى بحيث يشير الإبهام إلى اتجاه التيار، فتدل باقي الأصابع على اتجاه دوران خطوط الفيض.
عند وجود سلكين متوازيين يمر فيهما تياران يتراكب المجالان.
إذا كان التياران في اتجاه واحد فإن المجال بينهما متعاكس فيحدث طرح، وخارجهما جمع.
أما إذا كانا في اتجاهين متضادين فالمجال بينهما متوافق فيحدث جمع، وخارجهما طرح.

نقطة التعادل هي النقطة التي تنعدم عندها المحصلة، وشرطها I1 / d1 = I2 / d2.
فإذا كان التياران في اتجاه واحد تقع النقطة بين السلكين أقرب إلى السلك الأضعف تياراً، وإذا كانا متضادين تقع خارجهما بالقرب من السلك الأضعف.
وإذا تساوى التياران في اتجاهين متضادين فلا توجد نقطة تعادل.
مثال سلكان متوازيان تفصلهما 30 cm، تياراهما 2 A و4 A في اتجاه واحد. إذا كان بعد النقطة عن السلك الأول d فإن 2 / d = 4 / (30 – d)، ومنه d = 10 cm. أما إذا كان التياران متضادين فتقع النقطة على بعد 30 cm خارج السلك الأول، من جهته البعيدة عن الثاني.

الشكل (1)←تخطيط خطوط الفيض المغناطيسي لسلك مستقيم وتطبيق قاعدة اليد اليمنى لأمبير: 1. المجال المغناطيسي لسلك مستقيم يحمل تياراً

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس · 1 / 4

2. المجال المغناطيسي للملف الدائري والملف اللولبي

في الملف الدائري تشبه خطوط الفيض عند المركز خطوطاً مستقيمة موازية لمحور الملف (B = μ N I / 2r)، بينما في الملف اللولبي يكون المجال داخل تجويف الملف منتظماً وموازياً لمحوره تماماً (B = μ N I / L = μ n I).
يتجه المجال عند مركز الملف الدائري حسب قاعدة عقارب الساعة إذا كان التيار على الوجه يدور مع عقارب الساعة فهذا الوجه قطب جنوبي، وإذا كان عكس عقارب الساعة فهو قطب شمالي.
يعتمد المجال على عدد اللفات ونصف القطر.
فإذا أعيد لف سلك ثابت الطول ليتضاعف عدد لفاته، يقل نصف القطر تبعاً لذلك، فتتناسب كثافة الفيض عند المركز مع مربع عدد اللفات (B ∝ N2)، أي تصبح أربعة أمثالها.
الملف اللولبي يشبه قضيباً مغناطيسياً طويلاً تخرج خطوطه من أحد طرفيه وتعود إلى الطرف الآخر من الخارج، ويكون المجال داخل تجويفه منتظماً وموازياً لمحوره.

الشكل (2): خطوط المجال المغناطيسي للملف الدائري والملف اللولبي والقطبية المغناطيسية

إذا أُبعدت لفات ملف دائري حتى يصبح لولبياً بنفس عدد اللفات والتيار، فإن النسبة بين المجال عند مركز الدائري والمجال داخل اللولبي تساوي L / (2r).
ملاحظة امتحانية إذا لُف السلك لفاً مزدوجاً بحيث يمر التيار في الفرعين باتجاهين متعاكسين، يلغي كل فرع مجال الآخر، وهذا أساس صنع المقاومات عديمة الحث.

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس · 2 / 4

3. القوة المغناطيسية وعزم الازدواج

عند وضع سلك يحمل تياراً في مجال مغناطيسي خارجي، تؤثر عليه قوة مغناطيسية متعامدة على اتجاه السلك والمجال تحسب من: F = B I L sin(θ) ويحدد اتجاهها بقاعدة فليمنج لليد اليسرى.
تكون القوة أكبر ما يمكن عندما يكون السلك عمودياً على المجال، وتنعدم عندما يكون موازياً له، فالزاوية θ بين السلك والمجال هي التي تحدد القيمة.
وتطبيق قاعدة فليمنج: نضع الإبهام والسبابة والوسطى متعامدة، فإذا أشارت السبابة للمجال والوسطى للتيار، يشير الإبهام إلى القوة وحركة السلك.
القوة ناتجة عن تراكب مجالين مجال السلك والمجال الخارجي. فعلى أحد جانبي السلك يتفق المجالان في الاتجاه فتزداد الكثافة، وعلى الجانب الآخر يتعاكسان فتضعف، فيتحرك السلك من منطقة الكثافة الأعلى إلى الأقل.

الشكل (3): القوة المغناطيسية وقاعدة فليمنج لليد اليسرى (تعامد القوة والمجال والتيار)

القوة بين سلكين متوازيين تنشأ لأن كل سلك يقع في مجال الآخر، وتعطى بالعلاقة F = μ I1 I2 L / (2πd).
فإذا كان التياران في اتجاه واحد تكون القوة تجاذباً، وإذا كانا متضادين تكون تنافراً، وتتساوى القوتان في المقدار وتتعاكسان في الاتجاه.
مثال سلك كتلة وحدة أطواله 20 g/m معلق أفقياً في مجال 0.2 T عمودي عليه، ويتزن إذا كانت القوة المغناطيسية لأعلى مساوية للوزن: B I = (m / L) g، ومنه I = 0.020 × 10 / 0.2 = 1 A.

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس · 3 / 4

4. أجهزة القياس التناظرية (الجلفانومتر، الأميتر، الفولتميتر، والأوميتر)

يعتمد الجلفانومتر الحساس ذو الملف المتحرك على عزم الازدواج المغناطيسي المؤثر على ملف قابل للدوران في مجال مغناطيسي قطري منتظم (أنصاف أقطار)، مما يجعل تدريجه منتظماً وعزم الازدواج ثابتاً في أي زاوية.
عند مرور تيار في ملف مستطيل قابل للدوران داخل مجال، يكون عزم الازدواج τ = B I A N sin θ، حيث θ الزاوية بين العمودي على مستوى الملف والمجال.
ويكون العزم أكبر ما يمكن عندما يوازي مستوى الملف المجال، وينعدم عندما يكون عمودياً عليه.
أما عزم ثنائي القطب md = I A N فهو خاصية للملف لا تتغير بدورانه.
تبقى قيمة العزم ثابتة عند كل زاوية انحراف، فيكون تدريج الجلفانومتر منتظماً ويتناسب الانحراف مع التيار.
والملفان الزنبركيان يوصلان التيار، ويعطيان عزماً مضاداً يثبت المؤشر، ويعيدانه إلى الصفر عند قطع التيار.

وجه المقارنة	الفكرة الأساسية	مثال	كلمات مفتاحية
الأميتر	يوصل مجزئ تيار Rs صغير على التوازي مع الجلفانومتر ليمر فيه معظم التيار فتكون Rs = Ig Rg / (I – Ig) وتقل المقاومة الكلية للجهاز	—	يوصلمجزئتيارصغير
الفولتميتر	يوصل مضاعف جهد Rm كبير على التوالي فتكون Rm = (V – Vg) / Ig حيث Vg = Ig Rg فتصبح مقاومته الكلية كبيرة ولا يسحب تياراً يذكر	—	يوصلمضاعفكبيرالتوالي
الأوميتر		مؤشر يصل إلى نهاية التدريج عند 400 μA فإذا انحرف إلى ربع التدريج عند Rx = 7500 Ω تكون مقاومته الكلية 2500 Ω وقوة دافعة البطارية 1.0 V وينحرف إلى سدس التدريج عند Rx = 12500 Ω	تدريجهعكسيوغيرمنتظم

الشكل (4)←التركيب الداخلي للجلفانومتر ذي الملف المتحرك وخطوط الفيض القطرية: 4. أجهزة القياس التناظرية (الجلفانومتر، الأميتر، الفولتميتر، والأوميتر)

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس · 4 / 4

المناهج الدراسية

الفيزياء — الصف الثالث الثانوي

الوحدة الأولى: الكهربية التيارية

الوحدة الثانية: مقدمة في الفيزياء الحديثة

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس

التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس

1. المجال المغناطيسي لسلك مستقيم يحمل تياراً

2. المجال المغناطيسي للملف الدائري والملف اللولبي

3. القوة المغناطيسية وعزم الازدواج

4. أجهزة القياس التناظرية (الجلفانومتر، الأميتر، الفولتميتر، والأوميتر)

أحسنت! أنهيت هذا الدرس