مفهوم الحقل المغناطيسي. الاجابة عن أهم الأسئلة

الحقل المغناطيسي، هو الفضاء المحيط بمغناطيس أو تيار كهربائي، والذي تظهر فيه تأثيرات مغناطيسية، مثل جذب الحديد أو التأثير على البوصلة. يمكن تمثيل هذا الحقل بخطوط تُسمّى خطوط المجال المغناطيسي، وهي خطوط وهمية تُبيّن اتجاه وشدة الحقل. تخرج هذه الخطوط من القطب الشمالي للمغناطيس، وتتجه نحو القطب الجنوبي.

يُمكن إنتاج الحقل المغناطيسي بطريقتين:

• بواسطة مغناطيس دائم مثل الذي نستخدمه على الأبواب، أو في الأدوات المدرسية.

• أو بوساطة تيار كهربائي يمر في سلك، وهذا ما يُعرف بالحقل المغناطيسي الناتج عن الكهرباء.

الحقل المغناطيسي له أهمية كبيرة في حياتنا اليومية، حيث يُستخدم في تشغيل المحركات، المولدات، مكبرات الصوت، والعديد من الأجهزة الإلكترونية.

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال

I ـ مفاهيم عامة:

1 ـ تعريف المغناطيس:

 هو كل جسم يمتاز بخاصية جذب برادة الحديد، وله قطبان لا يمكن فصلهما، قطب شمالي وقطب جنوبي.

2 ـ المغانط الدائمة و المغانط المؤقتة:

ـ المغناطيس الدائم هو كل جسم يمتلك خاصية المغانط، (جذب برادة الحديد)، ويحافظ عليها. 

ـ المغناطيس المؤقت هو كل جسم يكتسب خاصية المغانط في ظروف معينة، أو تحت تأثير مغناطيس، ويفقد هذه الخاصية عند غياب هذه الظروف تدرجيا.

3 ـ قطبا المغناطيس:

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

4 ـ تعيين قطبا المغناطيس:

ـ عرف الابرة المغناطيسية ؟

الإبرة المغناطيسية:

 هي عبارة عن إبرة فولاذية ممغنطة، يمكنها الدوران حول محور. عندما تكون الإبرة المغناطيسية بعيدة عن كل التأثيرات المغناطيسية، مثل مغناطيس بجوارها، 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).

ـ كيف يمكن تعيين قطبا المغناطيس ؟

ـ 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.

II ـ مفهوم الحقل المغناطيسي:

1 ـ تعريف الحقل المغناطيسي:

هو حيز من الفضاء، بحيث يظهر فيه التأثير على برادة الحديد.

2 ـ التماثل مغناطيس ـ 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).

3 ـ خطوط الحقل المغناطيسي:

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

4 ـ شعاع الحقل المغناطيسي:

يتميز الحقل المغناطيسي في كل نقطة M من نقاطه بشعاع، يسمى شعاع الحقل المغناطيسي، يرمز له بـ : B، ووحدة طويلته التسلا يرمز لها بـ : T، يتميز بالخواص التالية:

* نقطة تطبيقه هي النقطة M المعتبرة.

* حامله منطبق على حامل الإبرة المغناطيسية الموضوعة في النقطة المعتبرة.

* جهته من جنوب نحو شمال الإبرة المغناطيسية (S → N).

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

5 ـ 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.

III ـ الحقل المغناطيسي الأرضي:

1 ـ إثبات  وجوده الغلاف المغناطيسي الأرضي:

إذا وضعنا إبرة مغناطيسية بعيدا عن أي تأثير مغناطيسي، 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. حيث أن الدراسة التجريبية للحقل المغناطيسي أثبتت أنه يمكن اعتبار الأرض  كمغناطيس ضخم. 

2 ـ مصدر الحقل المغناطيسي الأرضي:

   طبقا للنظرية الشائعة ينشأ المجال المغناطيسي للأرض، من النواة الداخلية للأرض. ولنشأة المجال المغناطيسي يجب توفر ثلاثة عوامل:

ـ أن توجد كمية كبيرة سائلة موصلة كهربائيا، وهذا الشرط متوفر في الأرض حيث توجد طبقة حديدية سائلة تعلو نواة الأرض. ومن حركة تلك الطبقة التي تكون بمثابة حامل للشحنة الكهربائية، ينشأ المجال المغناطيسي.

ـ  توفر مصدر لطاقة يعمل على تحريك الطبقة الموصلة السائلة. وتنشأ تلك الحركة من حرارة قلب الأرض، التي تقدر بنحو 6000 درجة مئوية، وهي الباقية منذ نشأة الأرض، وكذلك من الحرارة الناشئة من النشاط الاشعاعي لليورانيوم، والثوريوم، كما تتولد حرارة من عملية التبلور، التي تصاحب تصلب الغلاف الخارجي لنواة الأرض.

ـ دوران الكوكب، ويحدث عنها دوامات باطنية، مثلها مثل الدوامات التي تحدث في الغلاف الجوي للأرض، تحت تأثير قوة كوريوليس، وبتأثير تلك الحركة الدوامية في باطن الأرض، وما يصحبها من مجال مغناطيسي، تتأثر أيضا شدة المجال المغناطيسي على سطح الأرض.

3 ـ تغيرات الحقل المغناطيسي الأرضي:

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.

زاويتي الانحراف (D) و الميل (I):

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.

المركبة الشاقولية لشعاع الحقل المغناطيسي الأرضي B_v.

من الشكل:

1. $\tan i = \frac{B_v}{B_h}$
2. $\sin i = \frac{B_v}{B}$
   
3. $\cos i = \frac{B_h}{B}$

IV ـ الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار  كهربائي:

1 ـ تجربة أورستد:

أول من اكتشف تجريبيا أثر التيار الكهربائي على مغناطيس، هو العالم الدانماركي أورستد، في سنة 1820، حيث 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".

2 ـ تحديد جهة الحقل المغناطيسي الناتج عن تيار كهربائي:

ـ على ماذا تعتمد قاعدة انسان امبير ؟

 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.

ـ وضح 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،

3 ـ الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار مستقيم:

تجربة:

نأخذ سلكا نحاسيا مستقيما ونثبته في الموضع الشاقولي، حيث يخترق ورق مقوى أفقي، نذر كمية من برادة الحديد على الورق.

ـ عند غلق الدارة مع نقر خفيف على الورقة ماذا نلاحظ ؟

عند غلق 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.   

ـ أرسم شكلا يوضح ما تلاحظه ؟

ـ أذكر خصائص شعاع الحقل المغناطيسي في نقطة M من الحقل المغناطيسي؟

يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في نقطة M تبعد عن السلك بمقدار d بالخصائص التالية:

* حامله مماسي لخط الحقل المار من تلك النقطة.

* جهته تتعلق بجهة التيار وتحدد بالقواعد المذكورة سابقا.

* شدته تتعلق بشدة التيار I ، وبعد النقطة d عن السلك وفق العلاقة التالية:

$$B=\frac{{\mu }_0\cdot I}{2\pi d}$$

$$B = \frac{2 \times 10^{-7} \cdot I}{d}$$

4 ـ الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار دائري:

تجربة:

نقوم بلف سلك ناقل ليشكل حلقة تخترق ورق مقوى، ثم نذر كمية من برادة الحديد على الورق.

ـ عند غلق الدارة مع نقر خفيف على الورقة ماذا نلاحظ ؟

عند غلق الدارة مع نقر طفيف على الورق، نلاحظ أن برادة الحديد ترسم خطوط الحقل المغناطيسي، كما هو مبين في الشكل التالي:

ـ كيف يمكن تعيين جهة خطوط الحقل المغناطيسي؟

يمكن تعيين جهة خطوط الحقل المغناطيسي، بوضع إبرة مغناطيسية في نقطة منها، حيث نلاحظ أن الخطوط تدخل من الوجه الجنوبي، وتخرج من الوجه الشمالي للحلقة.

ـ بماذا يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في مركز حلقة نصف قطرها R ؟

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 I ونصف قطر R الحلقة وفق العلاقة التالية: 

$$B = 2\pi \cdot 10^{-7} \cdot \frac{I}{R}$$

ـ كيف تصبح عبارة شدة شعاع الحقل المغناطيسي المتولد في مركز وشيعة مسطحة ؟

إذا كانت وشيعة مسطحة تتكون من N حلقة، يتولد حولها حقل مغناطيسي خطوطه كما في الشكل.

تكون شدة الحقل المغناطيسي المتولد في مركز الوشيعة المسطحة متعلقة بالتيار I، ونصف قطر الو شيعة R.

وفق العلاقة التالية:

$$B = 2\pi \cdot 10^{-7} \cdot \frac{N \cdot I}{R}$$

5 ـ الحقل المغناطيسي المتولد عن تيار حلزوني:

تجربة:

نقوم بلف سلك ناقل ليأخذ شكلا حلزونيا يخترق ورقا مقوى، ونحقق الدارة مثلما هو مبين، ثم نذر كمية من برادة الحديد على الورق.

ـ عند غلق الدارة مع نقر خفيف على الورقة ماذا نلاحظ ؟

عند غلق الدارة مع نقر خفيف على الورق، نلاحظ أن برادة الحديد ترسم خطوط الحقل المغناطيسي، كما هو مبين في الشكل  التالي:

ـ بماذا يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في مركز حلزونية طولها L، وعدد حلقاتها N ؟

يتميز شعاع الحقل المغناطيسي في مركز حلزونية طولها L، وعدد حلقاتها N بالخصائص التالية:

* نقطة تأثيره مركز الوشيعة.

* حامله عمودي على مستوى الوشيعة.

* جهته تتعلق بجهة التيار وتحدد بالقواعد المذكورة سابقا.

* شدته تتعلق بشدة التيارI ، وطول الوشيعة L، وعدد حلقاتها N وفق العلاقة التالية:

$$B = 4\pi \cdot 10^{-7} \cdot \frac{N \cdot I}{L}$$

يمكن كتابة العلاقة السابقة كما يلي:

B = 4π.10^-7.n.I

يسمى n عدد الحلقات في المتر

نتيجة:

عندما يمر تيار كهربائي شدته I في 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.

V ـ تراكب حقول مغناطيسية:

تجربة:

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.

ـ ماذا تلاحظ  ؟

نلاحظ أن هذه الإبرة تدور وتستقر في وضعية، يصنع فيها محورها زاويتين متماثلتين (°45) مع محوري المغناطيسين.

ـ كيف تفسر الظاهرة المشاهدة ؟

في النقطة M مكان وجود الإبرة المغناطيسية، يولد المغناطيسين حقلين B₁ ، B₂ بحيث تتأثر الإبرة المغناطيسية بالحقل B الكلي، الناشئ عن الحقلين المذكورين، وتستقر بحيث ينطبق محورها على حامل الحقل.

تعميم:

في نقطة كيفية M من الفراغ، حيث يتراكم عدد من الحقول المغناطيسية، (ناتجة عن مغانط، أوعن تيار كهربائي، أو الحقل المغناطيسي الأرضي)، يكون الحقل الناشئ عن هذه الحقول هو المجموع الشعاعي لها. 

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF