شاید تصور کنید تنها آهن ربا ها میدان مغناطیسی تولید میکنند، اما این تصور کاملا درست نیست. دانشمندان کشف کردند که هرگاه بارهای الکتریکی حرکت کنند، در فضای اطراف خود میدان مغناطیسی به وجود میآورند. بنابراین سیم حامل جریان نیز میتواند همانند یک منبع میدان مغناطیسی عمل کند و بر قطب نما یا سایر مواد مغناطیسی اثر بگذارد.
انواع میدان مغناطیسی ناشی از جریان الکتریکی
در فیزیک یازدهم سه نوع میدان مغناطیسی مهم بررسی میشود:
- میدان مغناطیسی اطراف سیم راست حامل جریان
- میدان مغناطیسی اطراف حلقه حامل جریان
- میدان مغناطیسی داخل پیچه (سیملوله)
در این مطلب از مدرسه رفلاین، تمرکز ما روی بررسی میدان مغناطیسی اطراف سیم راست حامل جریان است. در ادامه ضمن آشنایی با شکل خطوط میدان و روش تعیین جهت آن، مهم ترین نکات امتحانی و مثال های کاربردی این مبحث را بررسی خواهیم کرد.
نکات امتحانی تعیین جهت میدان مغناطیسی در نقاط مختلف اطراف سیم راست حامل جریان:
هرگاه جریان الکتریکی از یک سیم مستقیم عبور کند، در اطراف آن میدان مغناطیسی ایجاد میشود. خطوط میدان در اطراف سیم راست، به صورت دایره های هم مرکز هستند که مرکز آن ها روی سیم قرار دارد.
عوامل مؤثر بر شدت میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان:
- شدت جریان الکتریکی: با افزایش شدت جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی قوی تر میشود. (رابطه مستقیم)
- فاصله از سیم: هر چه از سیم فاصله بگیریم، میدان مغناطیسی ضعیف تر میشود. (نسبت عکس)
تعیین جهت میدان مغناطیسی اطراف سیم راست حامل جریان با قاعده دست راست:
قبل از اینکه به نحوه پیدا کردن جهت میدان بپردازیم لازم است با نماد های متداول که در فیزیک برای نمایش جهت ها استفاده میشود آشنا شویم.
با توجه به نحوه نمایش سیم در شکل ها، در ادامه مسائل این بخش را به دو دسته کلی تقسیم میکنیم:
حالت اول: سیم در صفحه کاغذ قرار دارد
در این حالت سیم را به صورت یک خط راست در صفحه رسم میکنند و جهت جریان با یک پیکان مشخص میشود.
برای تعیین جهت میدان در این حالت، از قاعده دست راست استفاده میکنیم:
- انگشت شست در جهت جریان (I)
- چهار انگشت در جهت میدان (B)
برای روشن شدن قانون دست راست به شکلهای زیر توجه کنید:
توجه!
دانش آموزان معمولا جهت میدان را در دو طرف سیم باهم اشتباه میگیرند. بهتر است همیشه ابتدا شست را در جهت جریان قرار دهید و سپس جهت انگشتان را بررسی کنید. توجه داشته باشید که در دو طرف سیم، جهت میدان عکس یکدیگر میباشد.
نکته مهم امتحانی!
از آنجایی که عقربه قطب نما همیشه در راستای میدان مغناطیسی قرار میگیرد، طراح سوال میتواند جهت میدان را با قرار دادن قطب نما در جلو یا پشت سیم به ما نشان دهد و از ما جهت جریان را بخواهد و یا برعکس؛ با تعیین جهت جریان در سیم از ما بخواهد قطب N و S قطب نما را مشخص کنیم.
به دلیل اهمیت موضوع در ادامه هر یک از حالت های ذکر شده را به صورت جداگانه بررسی میکنیم.
الف) قطب نما در جلوی سیم
در شکل زیر یک قطب نما در جلوی سیم قرار گرفته است (در قسمت قطب نما سیم دیده نمیشود). با توجه به جهت قطب N، متوجه میشویم که میدان مغناطیسی در جلوی سیم به سمت راست است. حالا با استفاده از قاعده دست راست به راحتی درمییابیم که جریان رو به بالا میباشد.
ب) قطب نما در پشت سیم
اگر قطب نما به پشت سیم منتقل شود (در قسمت قطب نما سیم دیده میشود)، با توجه به اینکه جهت قطب N به سمت راست است؛ متوجه میشویم که میدان مغناطیسی در پشت سیم به سمت راست خواهد بود. پس با قانون دست راست باید چهار انگشت ما در پشت سیم به سمت راست قرار بگیرد و به این ترتیب جهت جریان رو به پایین میباشد.
توجه!
قطب شمال (N) عقربه قطب نما، همواره جهت میدان مغناطیسی را نشان میدهد.
حالت دوم: سیم عمود بر صفحه کاغذ است
در این حالت سیم از صفحه خارج میشود یا به داخل صفحه میرود و با نماد های زیر نمایش داده میشود:
(در این حالت هم برای تعیین جهت میدان از قانون دست راست استفاده میکنیم.)
یادآوری: همواره بردار شدت میدان بر خط میدان مماس است.
توجه!
معمولا جهت جریان را فقط با نمادهایی که در بالا اشاره شد (درون سو و برون سو) به ما میدهند و از ما جهت میدان خواسته میشود.
برای مشخص کردن بردار میدان در یک نقطه اطراف سیم عمود بر صفحه (درون سو یا برون سو)، از سیم خط چینی را به نقطه مورد نظر رسم کرده و بردار میدان مغناطیسی (B) را بر خط چین به صورت عمود رسم میکنیم. در نهایت برای تعیین جهت میدان از قاعده دست راست استفاده میکنیم.
مثال 1
در شکل های زیر جهت میدان را در نقاط نشان داده شده مشخص کنید.
حل مثال 1
مثال 2
دو سیم حامل جریان های مساوی مطابق شکل زیر بر محور های مختصات منطبق اند. جهت میدان مغناطیسی خالص را در نقطه A تعیین کنید. (امتحان نهایی رشته تجربی- 1403)
حل مثال 2
نکته مهم این سوال: زیرا نقطه A به سیم (1) نزدیکتر است.
مثال 3
در شکل زیر میدان مغناطیسی حاصل از هر یک از 4 سیم در نقطه O برابر B است. میدان مغناطیسی برآیند در نقطه O چند برابر B است؟
حل مثال 3
مثال 4
کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا پس از بستن کلید K، عقربه قطب نما که روی سیم قرار دارد، در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت شروع به چرخش کند؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید. (پرسش کتاب درسی)
حل مثال 4
وقتی کلید K باز است و هنوز جریانی در سیم برقرار نیست عقربه مغناطیسی شمال و جنوب مغناطیسی را نشان میدهد. همانطور که در سوال گفته و در شکل هم مشخص است عقربه روی سیم قرار گرفته است (ما سیم را نمیبینیم)، پس میدان جلوی سیم را به ما نشان میدهد.
با بستن کلید K، جریان در سیم برقرار شده و اطراف سیم صاف میدان مغناطیسی ایجاد میشود و قطب N عقربه جهت آن را به ما نشان میدهد.
میدانیم در سیم صاف، 4 انگشت در جهت قطب N عقربه میباشد و انگشت شست جهت جریان را نشان میدهد. با قانون دست راست به راحتی متوجه میشویم که جهت جریان به سمت پایین است و از آن جایی که جریان به سر منفی باتری وارد میشود و از سر مثبت خارج میشود، باید باتری A را انتخاب کنیم.
اشتباهات رایج!
- اشتباه گرفتن جلو و پشت سیم.
- اشتباه گرفتن علامت های درون سو و برون سو.
- فراموش کردن اینکه قطب N قطب نما، جهت میدان را نشان میدهد.
- استفاده از دست چپ در قانون دست راست.
