العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية
من أهم الأفكار في الفيزياء أن التيار الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا. وهذا يعني أن المغناطيسية لا تأتي فقط من المغناطيسات الدائمة، بل يمكن إنتاجها بمرور تيار في سلك.
هذه الفكرة هي أساس عمل المغانط الكهربائية والمحركات والمولدات وأجهزة كثيرة.
المجال حول مغناطيس قضيب
حول مغناطيس القضيب تخرج خطوط المجال من القطب الشمالي وتدخل في القطب الجنوبي خارج المغناطيس. تكون الخطوط أكثر ازدحامًا قرب القطبين، لذلك يكون المجال أقوى قرب الأطراف.
إذا وضعت برادة حديد حول مغناطيس، فإنها تنتظم تقريبًا على شكل خطوط المجال، وهذا يعطي صورة بصرية جميلة للمجال. لكن لا تجعل الصورة تخدعك؛ الخطوط تمثيل تخيلي للمجال وليست أسلاكًا حقيقية مخفية.
المجال حول سلك مستقيم يمر فيه تيار
عندما يمر تيار في سلك مستقيم طويل، يتكون حوله مجال مغناطيسي على شكل دوائر متحدة المركز حول السلك. اتجاه المجال يعتمد على اتجاه التيار.
قاعدة اليد اليمنى للسلك المستقيم
لتحديد اتجاه المجال حول سلك مستقيم:
- وجه إبهام اليد اليمنى في اتجاه التيار الاصطلاحي.
- اتجاه التفاف الأصابع حول السلك يمثل اتجاه خطوط المجال المغناطيسي.
إذا كان التيار خارجًا من الصفحة، تكون خطوط المجال عكس اتجاه عقارب الساعة. وإذا كان داخلًا إلى الصفحة، تكون خطوط المجال مع اتجاه عقارب الساعة.
رموز داخل الصفحة وخارجها
- الرمز \( \odot \) يدل غالبًا على اتجاه خارج من الصفحة، كأنك ترى رأس سهم قادمًا نحوك.
- الرمز \( \otimes \) يدل على اتجاه داخل الصفحة، كأنك ترى ذيل سهم مبتعدًا عنك.
شدة المجال حول سلك طويل مستقيم
شدة المجال المغناطيسي حول سلك طويل مستقيم تعطى بالعلاقة:
\( B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} \)
حيث:
- \( B \): شدة المجال المغناطيسي بالتسلا.
- \( \mu_0 \): نفاذية الفراغ.
- \( I \): التيار بالأمبير.
- \( r \): البعد عن السلك بالمتر.
تخبرنا العلاقة أن المجال يزداد بزيادة التيار، ويقل بزيادة البعد عن السلك.
مثال مفاهيمي
إذا تضاعف التيار في السلك وبقيت المسافة ثابتة، فإن المجال يتضاعف. وإذا تضاعفت المسافة عن السلك وبقي التيار ثابتًا، فإن المجال ينخفض إلى النصف.
مثال حسابي
سلك طويل يمر فيه تيار \( 5 A \). إذا كانت نقطة تبعد \( 0.10 m \) عن السلك، فإن المجال:
\( B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} \)
وباستخدام \( \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \):
\( B = \frac{4\pi \times 10^{-7} \times 5}{2\pi \times 0.10} \)
\( B = 1.0 \times 10^{-5} T \)
المجال حول ملف
عند لف السلك على شكل ملف ومرور تيار فيه، تتجمع تأثيرات الحلقات فينشأ مجال يشبه مجال مغناطيس قضيب. لذلك يمكن صنع مغناطيس كهربائي من ملف وسلك وبطارية، خاصة عند وضع قلب حديدي داخل الملف.
أخطاء شائعة
- رسم المجال حول السلك كخطوط مستقيمة بدل دوائر.
- استخدام اليد اليسرى بدل اليمنى عند تطبيق القاعدة في النظام التقليدي.
- الخلط بين اتجاه التيار واتجاه المجال؛ الإبهام للتيار والأصابع للمجال.
- نسيان أن المجال يقل كلما ابتعدنا عن السلك.
- الاعتقاد أن السلك يحتاج إلى أن يكون مغناطيسًا حتى يولد مجالًا؛ التيار نفسه يكفي.
خلاصة
المغناطيس يولد مجالًا منظمًا حوله، والتيار في السلك يولد أيضًا مجالًا مغناطيسيًا دائريًا حول السلك. اتجاه المجال حول السلك يحدد بقاعدة اليد اليمنى، وشدته تزداد مع التيار وتقل مع المسافة. هنا تبدأ الكهرباء والمغناطيسية بإظهار أنهما في الحقيقة وجهان لقصة واحدة.
