iMadrassa

مفهوم الحقل المغناطيسي

I مفاهيم عامة
1 تعريف المغناطيس
  • المغناطيس هو كل جسم يمتاز بخاصية جذب برادة الحديد  وله قطبان لايمكن فصلهما قطب شمالي وقطب جنوبي.
  • يمتاز المغناطيس مهما كان شكله ( الشكل 1 ) بمنطقتين تتمركز فيهما برادة الحديد عند تقريبه منها نسمي هاتين المنطقتين قطبي المغناطيس ( الشكل 2 ) .
2 المغانط الدائمة والمغانط المؤقتة
  •  المغناطيس الدائم هو كل جسم يمتلك خاصية المغانط ( جذب برادة الحديد ) ويحافظ عليها .
  •  المغناطيس المؤقت هو كل جسم يكتسب خاصية المغانط في ظروف معينة أو تحت تأثير مغناطيس ويفقد هذه الخاصية عند غياب هذه الظروف تدرجيا.
3 قطبا المغناطيس

للمغناطيس قطبين من نوعين مختلفين شمالي (N) وجنوبي (S) و لايمكن فصلهما عن بعضهما البعض ، حيث أن قطبين من نفس النوع يتنافران وقطبين من نوعين مختلفين يتجاذبان .

4 تعيين قطبي المغناطيس
  • الإبرة المغناطيسية عبارة عن إبرة فولاذية ممغنطة يمكنها الدوران حول محور .
  • عندما تكون الإبرة المغناطيسية بعيدة عن كل التأثيرات المغناطيسية ، مثل مغناطيس بجواها أو قطعة حديدية ، أو تيار كهربائي فإن الإبرة تأخذ وضعا موازيا تقريبا للخط الجغرافي     ( شمال - جنوب )  لذا اصطلح تسمية قطبها الموجه نحو الشمال بالقطب الشمالي (N) والآخر قطبها الجنوبي (S) ( الشكل 1 ).
  • عند وضع إبرة مغناطيسية أمام مغناطيس تأخذ الإبرة وضعا تكون فيه مع المغناطيس في نفس الحامل ، كما يتجه دوما وجهها الشمالي إلى القطب الجنوبي للمغناطيس ، وعليه يمكن تحديد قطبي مغناطيس من خلال الإبرة المغناطيسية حيث يتجه القطب الجنوبي للإبرة إلى القطب الشمالي للقضيب المغناطيسي ( الشكل 2 ) .
II مفهوم الحقل المغناطيسي

الحقل المغناطيسي هو حيز من الفضاء بحيث تتجلى فيه التأثير على برادة الحديد  .للحقل المغناطيسي ثلاثة مصادر أساسية :

  • مغناطيس طبيعي.
  • تيار كهربائي .
  • الأرض (حقل مغناطيسي أرضي) .

نكشف  عن وجود حقل مغناطيسي في منطقة ما بواسطة إبرة مغناطيسية أين تأخذ وضع مستقر معين ، بمعنى لو نحرك إبرة مغناطيسية في حالة توازن تعود إلى وضع توازنها الأصلي .

نقرب من إبرة مغناطيسية حرة الحركة وقابلة للدوران حول محورها قضيبا  مغناطيسيا ، نلاحظ أن الإبرة المغناطيسية تتحرك و تدور حول محورها محاولة الاقتراب من المغناطيس ، يدل هذا على أن الإبرة المغناطيسية موجودة ضمن حقل مغناطيسي .

نجعل تيارا كهربائيا يجتاز سلكا ناقلا موازيا لمحور إبرة مغناطيسية بعد استقرارها بحيث تكون حركة الحركة و قابلة للدوران حول محورها ، نلاحظ حالا انحراف هذه الإبرة في جهة معينة ، مما يدل على أن الإبرة المغناطيسية موجودة ضمن حقل مغناطيسي .

نضع مغناطيس فوق قطعة فلين تسبح على سطح الماء ونتركها حرة ، نلاحظ أن قطعة الفلين تدور بزاوية معينة حتى يصبح المغناطيس في اتجاه الشمال فتستقر في هذه الوضعية ، يدل هذا على أن الإبرة المغناطيسية موجودة ضمن حقل مغناطيسي .

1 التماثل (مغناطيس وشيعة)

لوحظ تجريبيا أن وشيعة دائرية خفيفة يجتازها تيار كهربائي تسلك تماما سلوك مغناطيسي فهي تتميز بوجه جنوبي ووجه شمالي ، كما أنها تتفاعل مع الوشائع الأخرى والمغانط مثلما تتفاعل المغانط فيما بينها (تجاذب ، تنافر) .

2 خطوط الحقل المغناطيسي

عند ذر برادة الحديد على سطح يحتوي تحته مغناطيسا، نلاحظ توزيع حبيبات البرادة فق خطوط وهمية تربط بين القطبين تسمى خطوط الحقل المغناطيسي أو طيف الحقل المغناطيسي ، وشكل هذه الخطوط يتغير بتغير مصدر الحقل المغناطيس .

يمثل (الشكل 1) خطوط حقل مغناطيسي متولد عن قضيب مغناطيسي ويمثل (الشكل 2) خطوط حقل مغناطيسي متولد عن قضيب مغناطيسي على شكل حرف U .

لخطوط الحقل المغناطيسي جهة تكون بشكل تدخل فيه من القطب الجنوبي للمغناطيس وتخرج من القطب الشمالي له، أي جهتها من القطب الشمالي (N) للمغناطيس إلى القطب الجنوبي (S) له.

3 شعاع الحقل المغناطيسي

 يتميز الحقل المغناطيسي في كل نقطة

من نقاطه بشعاع يسمى شعاع الحقل المغناطيسي يرمز له  بـ :  
  ووحدة طويلته التسلا يرمز لها بـ :
، يتميز بالخواص التالية :

  • نقطة تطبيقه هي النقطة
    المعتبرة .
  • حامله منطبق على حامل الإبرة المغناطيسية الموضوعة في النقطة المعتبرة .
  • جهته من الجنوب نحو شمال الإبرة المغناطيسية 
    .

شعاع الحقل المغناطيسي يكون مماسي لخط الحقل المغناطيسي في كل نقطة من نقاطه ، كما أن جهته هي جهة الحقل المغناطيسي

4 الحقل المغناطيسي المنتظم

يكون الحقل المغناطيسي منتظما، عندما تكون خطوطه متوازية، وعندها تنطبق أشعة الحقل المغناطيسي على خطوطه ويكون لها نفس الشدة في جميع النقاط.

بين فكي مغناطيس على شكل حرف U يكون الحقل المغناطيسي

III الحقل المغناطيسي الأرضي
  • إذا وضعنا إبرة مغناطيسية بعيدا عن أي تأثير مغناطيس أو تيار كهربائي ، نلاحظ أن الإبرة تأخذ وضعا مستقرا وإذا قمنا بتحريكها تعود إلى وضعها الأصلي ، هذا يدل أن الإبرة المغناطيسية موجودة ضمن حقل مغناطيسي ، هذا الحقل المغناطيسي ناتج عن الأرض يسمى الحقل المغناطيسي الأرضي .
  • الدراسة التجريبية للحقل المغناطيسي أدت إلى أنه يمكن اعتبار الأرض  كمغناطيس ضخم  .
  •  تتغير شدة الحقل المغناطيسي الأرضي من بقعة لأخرى على كوكب الأرض حسب موضعها الجغرافي ولكن يمكن اعتبار شدة الحقل المغناطيسي الأرضي في تلك المنطقة منتظما بتقريب معقول وهذا ما نلاحظه عند وضع عدد من البوصلات موزعة في منطقة ، فتبدو كلها متوازية .
1 زاوية الانحراف

أثبتت الدراسات أن الإبرة المغناطيسية في الحقل المغناطيسي الأرضي لا تتجه تماما نحو القطب الشمالي الجغرافي بل تنحرف عنه بزاوية d وتميل مع الأفق بزاوية i ، كما تكون ضمن مستوي يدعى مستوى الزوال المغناطيسي ( الشكل ).

المركبة الشاقولية  لشعاع الحقل المغناطيسي الارضى 

  •  زاوية الانحراف المغناطيسي   déclinaison  magnétique     d
  •  زاوية الميل المغناطيسي  inclinaison  magnétique     i
  •  مستوى الزوال المغناطيسي     Méridien  magnétique
  •  مستوى الزوال الجغرافي         Méridien  géographique

 من الشكل  

   ;
  ; 

درس الحقل المغناطيسي الأرضي بدقة وتم تحديد قيمة زاويتي الميل والانحراف في جميع مناطق الأرض  ودونت في جداول و خرائط وهي تميز بكل دقة الموقع الجغرافي لكل بقعة من كوكب الأرض وتستعمل خاصة في الملاحة البحرية والجوية .

  • قيم B , d , i  في بعض المناطق :

الموقع

d(° )

I(° )

B(nT)

الجزائر

5

50

40000

باريس

5

64

47000

القطب الشمالي

0

90

56000

  • يشكل الحقل المغناطيسي الأرضي غلافا واقيا حيث أنه يحمي الأرض من تأثيرات الإشعاع الكوني الضار الوارد من الفضاء الخارجي خاصة الشمسية منها فهو ذو أهمية كبيرة على إمكانية الحياة على كوكب الأرض.
  • يقع حاليا القطب الشمالي المغناطيسي في شمال كندا تقريبا والقطب الجنوبي في جنوب المحيط الهندي .
  • يبقى تأثير المجال المغناطيسي معتبرا في منطقة واسعة من الفضاء أبعادها المتغيرة خلال الزمن تقدر بحوالي عشرة أضعاف نصف قطر الأرض من جهة الشمس وآلاف المرات نصف قطرها من الجهة المعاكسة .
  •  لم يتوصل الإنسان إلى اكتشاف أعماق الأرض ، لذا لجأ إلى وضع فرضيات لتفسير خواصها المغناطيسية ، حيث افترض أن جوف الأرض يتشكل من نواة ( اللب ) معدنية نصف قطرها يساوي حوالي
      ، وهي مكونة أساسا من الحديد ، جوفها الداخلي صلب محاط بطبقة خارجية مائعة ( سائلة ) . ينشأ الحقل المغناطيسي عندما تتحرك هاتان الطبقتان من اللب حول بعضهما البعض .
  • أظهرت قياسات الحقل المغناطيسي الأرضي التي أجريت في مختلف نقاط الأرض منذ منتصف القرن السادس عشر تغير في شدته ، جهته في نفس المكان . كما أثبتت الدراسات الجيولوجية  المتعلقة بحمم البراكين ذات المغنطة الحديدية أن الحقل المغناطيسي الأرضي غير شدته عدة مرات خلال العصور السابقة .
IV الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار كهربائي
تجربة أورستد
  • أول من اكتشف تجريبيا أثر التيار الكهربائي على مغناطيس هو العالم الدانماركي أورستد في سنة 1820 الذي لاحظ انحراف بوصلة كانت موضوعة بجوار سلك ناقل إثر مرور تيار كهربائي فيه .
  • و بعد إعادته للتجربة والتأكد من أن سبب الانحراف يعود فقط لمرور التيار، توصل إلى النتيجة التالية:

"يمكن للحقل المغناطيسي أن ينشأ عن مرور تيار كهربائي بناقل ، حيث أن إبرة مغناطيسية متوازنة موجودة بجوار الناقل يمكنها أن تنحرف يمينا وشمالا ،كما أن جهة ومقدار الانحراف تتعلق بجهة وشدة التيار الكهربائي المار بالناقل "

1 تحديد جهة الحقل المغناطيسي الناتج عن تيار كهربائي

هناك عدة طرق لتحديد جهة الحقل المغناطيسي أهمها:

أ قاعدة رجل أمبير

تعتمد هذه القاعدة على تخيل رجل مستلق على السلك حيث يدخل التيار من رجليه ويخرج من رأسه وهو ينظر إلى النقطة المعتبرة ويمد يده اليسرى عموديا على جسده مشيرا بها إلى جهة الحقل

ب قاعدة اليد اليمنى

نضع اليد اليمنى مفتوحة أمام السلك بحيث يشير الإبهام لجهة التيار ثم نضم الأصابع الأخرى لغلق اليد على السلك فتنغلق مشيرة لجهة الحقل ( الشكل ) .

ت قاعدة ماكسويل ( البرغي)

تعتمد هذه الطريقة على يرغي نتخيله يدور في جهة التيار ، لتكون جهة انتقاله هي   جهة شعاع الحقل المغناطيسي .

ث تحديد وجهي وشيعة

يمكن تحديد وجهي وشيعة من خلال تحديد جهة شعاع الحقل المغناطيسي بالطرق السابقة ، حيث تكون جهة شعاع الحقل المغناطيسي من القطب الجنوبي (S) للوشيعة إلى القطب الشمالي لها (N) . وعليه تخرج خطوط الحقل من الوجه شمالي وتدخل من الوجه جنوبي ، أي أن داخل الوشيعة خطوط الحقل موجهة من الوجه الجنوبي نحو الوجه الشمالي والعكس خارجه .

2 الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار مستقيم
  • نأخذ سلكا نحاسيا مستقيما ونثبته في الموضع الشاقولي ( الشكل 1 ) حيث يخترق ورق مقوى أفقي ، ثم نحقق الدارة مثلما هو مبين في الشكل نذر كمية من برادة الحديد على الورق .
  • عندغلق الدارة مع نقر خفيف على الورقة نلاحظ أن برادة الحديد ترسم على الورقة خطوط الحقل المغناطيسي  المتولد عن التيار المار ، حيث تكون على شكل دوائر متمركزة حول الناقل  
  • عندما يمر تيار كهربائي شدته
    سلكا مستقيما طويلا ( الشكل ) يتولد حوله حقل مغناطيسي خطوطه دائرية  مركزها على السلك ومحمولة في مستويات عمودية على السلك.

يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في نقطة

تبعد عن السلك بمقدار
بالخصائص التالية :

  • حامله مماسي لخط الحقل المار من تلك النقطة .
  • جهته تتعلق بجهة التيار وتحدد بالقواعد المذكورة سابقا .
  • شدته تتعلق بشدة التيار
    وبعد النقطة
    عن السلك وفق العلاقة التالية: 
3 الحقل المتولد عن تيار حلقي

نقوم بلف سلك ناقل ليشكل حلقة تخترق ورق مقوى ونحقق الدارة مثلما مبين في ( الشكل 1) ، ثم نذر كمية من برادة الحديد على الورق .

عند غلق الدارة مع نقر طفيف على الورق نلاحظ أن برادة الحديد ترسم خطوط الحقل المغناطيسي كما هو مبين في الشكل 2، ويمكن تعيين جهة هذه الخطوط بوضع إبرة مغناطيسية في نقطة منها ، حيث نلاحظ أن الخطوط تدخل من الوجه الجنوبي وتخرج من الوجه الشمالي للحلقة .

عندما يعبر تيار كهربائي شدته

سلكا دائريا يتولد حوله حقل مغناطيسي خطوطه كما في (الشكل 1) .

يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في مركز حلقة نصف قطرها R بالخصائص التالية:

  •  نقطة تأثيره مركز الحلقة.
  • حامله عمودي على مستوى الحلقة .
  • جهته تتعلق بجهة التيار وتحدد بالقواعد المذكورة سابقا .
  •  شدته تتعلق بشدة التيار
    ونصف قطر
    الحلقة وفق العلاقة التالية:

وبالمثل إذا كانت وشيعة مسطحة تتكون من

حلقة يتولد حولها حقل مغناطيسي خطوطه كما في الشكل المقابل ( شكل 2 ) .

  • تكون شدة الحقل المغناطيسي المتولد في مركز الوشيعة المسطحة متعلقة بالتيار
    ونصف قطر الو شيعة
    وفق العلاقة التالية :
  • يمكن كتابة العلاقة السابقة كما يلي :
      يسمى
    عدد الحلقات في المتر .
4 الحقل المتولد عن تيار حلزوني
  • نقوم بلف سلك ناقل ليأخذ شكلا حلزونيا يخترق ورقا مقوى ونحقق الدارة مثلما هو مبين في (الشكل 1) ، ثم نذر كمية من برادة الحديد على الورق .
  • عند غلق الدارة مع نقر خفيف على الورق نلاحظ أن برادة الحديد ترسم خطوط الحقل المغناطيسي كما هو مبين في ( الشكل 2)

عندما يمر تيار كهربائي شدته 

  وشيعة طويلة ( حلزونية ) يتولد عندها حقل مغناطيسي طيفه خارج الوشيعة يشبه تماما طيف قضيب مغناطيسي وداخل الوشيعة عبارة عن خطوط متوازية فتكتسب الوشيعة الخصائص  المغناطيسية التي يمتاز بها القضيب المغناطيسي . نستنتج من ذلك أن الوشيعة التي يعبرها تيار تكافؤ قضيبا مغناطيسيا ويكافئ وجها الوشيعة قطبا المغناطيس . فيكون لها قطب شمالي وآخر جنوبي .

يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في مركز حلقة  بطولها

وعدد حلقاتها
بالخصائص التالية :

  •  نقطة تأثيره مركز الوشيعة .
  •  حامله عمودي على مستوى الوشيعة .
  • جهته تتعلق بجهة التيار وتحدد بالقواعد المذكورة سابقا .
  • شدته تتعلق بشدة التيار
      وطول الوشيعة
    وعدد حلقاتها
    وفق العلاقة التالية :
  • يمكن كتابة العلاقة السابقة كما يلي :
      يسمى
    عدد الحلقات في المتر .

الفرق بين الوشيعة المسطحة والوشيعة الطويلة يكمن في العلاقة بين طول الوشيعة

ونصف قطرها
حيث إذا كان 
  يقال عن الوشيعة أنها مسطحة ، بينما إذا كان
  يقال عن الوشيعة أنها طويلة .

V تراكب حقلين مغناطيسيين

 نضع مغناطيسين متماثلين على طاولة بالقرب من بعضها بحيث يتعامد محوراهما كما في الشكل ثم نضع بينهما  وعلى نفس البعد إبرة مغناطيسية قابلة للدوران حول محورها .
 نلاحظ أن هذه الإبرة تدور وتستقر في وضعية يصنع فيها محورها زاويتين متماثلتين (°45) مع محوري المغناطيسين .

في النقطة 

مكان وجود الإبرة المغناطيسية يولد المغناطيسين حقلين 
  بحيث تتأثر الإبرة المغناطيسية بالحقل 
الكلي الناشئ عن الحقلين المذكورين حيث : 
  وتستقر بحيث ينطبق محورها على حامل الحقل 
.

في نقطة كيفية

  من الفراغ حيث يتراكم عدد من الحقول المغناطيسية 
,
,
  ..... (ناتجة  عن مغانط  أو عن تيار كهربائي أو الحقل المغناطيسي الأرضي ) يكون الحقل الناشئ عن هذه الحقول هو المجموع   الشعاعي لها أي :


قم بالدخول للإطلاع على المزيد من المحتوى

لتتمكن من الوصول إلى جميع الدروس والتمارين والمسابقات والفيديوهات وتصفح الموقع براحة قم بالدخول أو بتسجيل حساب مجانا.



قم بالدخول للإطلاع على المزيد من المحتوى

لتتمكن من الوصول إلى جميع الدروس والتمارين والمسابقات والفيديوهات وتصفح الموقع براحة قم بالدخول أو بتسجيل حساب مجانا.