الفكرة الأساسية
عندما تتحرك شحنة كهربائية داخل مجال مغناطيسي فإنها تتأثر بقوة مغناطيسية. وبما أن التيار الكهربائي في السلك هو حركة منظمة للشحنات، فإن السلك نفسه يتأثر بقوة إذا وُضع داخل مجال مغناطيسي.
هذه الفكرة تبدو بسيطة، لكنها مهمة جدًا؛ لأنها تفسر عمل المحركات الكهربائية، والسماعات، وبعض أجهزة القياس الكهربائية.
متى تظهر القوة المغناطيسية على السلك؟
تظهر القوة المغناطيسية بوضوح عندما يتحقق شرطان:
- أن يمر تيار كهربائي في السلك.
- أن يكون السلك داخل مجال مغناطيسي، أو أن يقطع خطوط المجال المغناطيسي.
إذا لم يمر تيار في السلك، فلن تظهر القوة المغناطيسية المرتبطة بالتيار. وإذا كان السلك موازيًا تمامًا للمجال المغناطيسي، فإن القوة تصبح صفرًا.
القانون الأساسي
مقدار القوة المغناطيسية المؤثرة في سلك مستقيم طوله \( L \) يمر فيه تيار \( I \) داخل مجال مغناطيسي منتظم شدته \( B \) هو:
\( F = BIL\sin\theta \)
حيث:
- \( F \): القوة المغناطيسية، وتقاس بالنيوتن \( N \).
- \( B \): شدة المجال المغناطيسي، وتقاس بالتسلا \( T \).
- \( I \): شدة التيار الكهربائي، وتقاس بالأمبير \( A \).
- \( L \): طول الجزء من السلك الموجود داخل المجال، ويقاس بالمتر \( m \).
- \( \theta \): الزاوية بين اتجاه التيار واتجاه المجال المغناطيسي.
ملاحظات مهمة على القانون
- إذا كان السلك عموديًا على المجال، فإن \( \theta = 90^\circ \)، وبالتالي \( \sin 90^\circ = 1 \)، فيصبح القانون: \( F = BIL \).
- إذا كان السلك موازيًا للمجال، فإن \( \theta = 0^\circ \)، وبالتالي \( \sin 0^\circ = 0 \)، فتكون القوة صفرًا.
- القوة تكون عمودية على اتجاه التيار وعمودية على اتجاه المجال في الوقت نفسه.
مثال محلول 1: سلك عمودي على المجال
سلك طوله \( 0.40 m \) يمر فيه تيار مقداره \( 3 A \)، وموضوع عموديًا داخل مجال مغناطيسي شدته \( 0.50 T \). احسب القوة المؤثرة في السلك.
نستخدم القانون:
\( F = BIL\sin\theta \)
بما أن السلك عمودي على المجال، فإن:
\( \sin 90^\circ = 1 \)
إذن:
\( F = 0.50 \times 3 \times 0.40 \times 1 \)
\( F = 0.60 N \)
إذن القوة المغناطيسية تساوي \( 0.60 N \).
مثال محلول 2: سلك يصنع زاوية مع المجال
سلك طوله \( 0.20 m \) يمر فيه تيار \( 5 A \)، وموضوع في مجال مغناطيسي شدته \( 0.30 T \). إذا كانت الزاوية بين التيار والمجال \( 30^\circ \)، فاحسب مقدار القوة.
نكتب:
\( F = BIL\sin\theta \)
\( F = 0.30 \times 5 \times 0.20 \times \sin 30^\circ \)
وبما أن:
\( \sin 30^\circ = 0.5 \)
إذن:
\( F = 0.30 \times 5 \times 0.20 \times 0.5 \)
\( F = 0.15 N \)
كيف نحدد اتجاه القوة؟
يحدد اتجاه القوة باستخدام قاعدة اليد اليمنى. في الصورة التعليمية البسيطة يمكن تذكرها بهذه الطريقة:
- اجعل أصابع يدك اليمنى تشير إلى اتجاه التيار.
- اجعل اتجاه انحناء الأصابع نحو اتجاه المجال المغناطيسي.
- يشير الإبهام إلى اتجاه القوة المغناطيسية.
هذه القاعدة مهمة جدًا في الأسئلة التي تطلب اتجاه القوة، وليس مقدارها فقط.
ما العلاقة بين القوة على السلك والقوة على الشحنة؟
القوة على شحنة متحركة داخل مجال مغناطيسي تعطى بالعلاقة:
\( F = qvB\sin\theta \)
أما القوة على سلك يحمل تيارًا فتعطى بالعلاقة:
\( F = BIL\sin\theta \)
والعلاقة بينهما منطقية؛ لأن التيار في السلك عبارة عن حركة عدد كبير من الشحنات داخل الموصل.
تطبيقات حياتية
- المحرك الكهربائي: يعتمد على قوة مغناطيسية تؤثر في أسلاك أو ملفات يمر فيها تيار، فتدور الملفات.
- السماعات: يتحرك ملف صغير داخل مجال مغناطيسي، فيتحرك الغشاء وينتج الصوت.
- أجهزة القياس: تستخدم القوة أو العزم الناتج عن مرور تيار في ملف داخل مجال مغناطيسي.
أخطاء شائعة
- استخدام طول السلك كله، مع أن المطلوب هو طول الجزء الموجود داخل المجال فقط.
- نسيان تحويل السنتيمتر إلى متر.
- نسيان العامل \( \sin\theta \).
- الاعتقاد أن القوة تكون في اتجاه التيار، وهذا خطأ؛ لأنها تكون عمودية على التيار والمجال.
- الخلط بين المجال الذي يصنعه السلك والمجال الخارجي الذي يؤثر في السلك.
خلاصة
السلك الذي يمر فيه تيار داخل مجال مغناطيسي يتأثر بقوة مقدارها \( F = BIL\sin\theta \). تكون القوة أكبر ما يمكن عند التعامد بين السلك والمجال، وتنعدم عند التوازي. وفهم اتجاه هذه القوة يحتاج إلى قاعدة اليد اليمنى.
