المغناطيسية والكهرومغناطيسية

المجال المغناطيسي المتغير يمكن أن يحفز فرق جهد؛ الدائرة المكتملة يمكن حينها حمل تيار. التيار في مجال مغناطيسي يمكن أن يسبب حركة. كل محرك، ومولد، ومحطة توليد، ومكبر صوت موجود في هذا الموضوع. يشير هذا إلى فيزياء AQA GCSE 8463، موضوع 4.7 المغناطيسية والكهرومغناطيسية.

كيف يعالج الامتحان هذا الموضوع:

• الورقة 2 تحمل هذا الموضوع. $F = BIl$ ومعادلتي المحولين قد تُقدمان في ورقة المعادلات؛ تحقق من دورة الامتحان.
• قاعدة اليد اليسرى لفلمنج، المحركات، مكبرات الصوت، تأثير المولد، المولدات/الدينامو، الميكروفونات والمحولات للمستوى المتقدم فقط؛ وكل ما يلي 4.7.3 هو أيضاً لفيزياء فقط.
• يجب عليك رسم أنماط الحقول: المغناطيس الشريطي، السلك المستقيم، الملف الحلزوني.

• الأقطاب: حيث تكون القوة المغناطيسية strongest.

الأقطاب المتشابهة تتنافر؛ والأقطاب المختلفة تتجاذب — وهي قوة لا تلامس.

• المغناطيس الدائم ينتج مجاله الخاص. المغناطيس المستحث يصبح مغناطيسياً في مجال خارجي؛ المغناطيسية المستحثة تسبب الجذب للمغناطيس الذي أنتج ذلك المجال. يفقد معظم أو كل هذه المغناطيسية بسرعة عند إزالة المجال. الحديد الناعم يفقدها بسهولة؛ الفولاذ قد يحتفظ بالمزيد.
• المجال المغناطيسي هو المنطقة التي تؤثر فيها قوة على مغناطيس آخر أو مادة مغناطيسية (حديد، فولاذ، كوبالت، نيكل). المغناطيس يجذب المادة المغناطيسية غير المغناطيسية مبدئياً. مغناطيس دائم آخر يمكن أن يجذب أو ينافر، اعتماداً على أقطابه.
• المجال الأقوى عند الأقطاب؛ الاتجاه = القوة المؤثرة على قطب شمال في تلك النقطة. خطوط المجال تمتد من الشمال إلى الجنوب خارج المغناطيس؛ تتشكل حلقات مغلقة عائدة عبر المغناطيس.
• البوصلة هي قضيب مغناطيسي صغير؛ تشير على طول مجال الأرض — دليل على أن الأرض لها مجال مغناطيسي. يرتبط المجال بعمليات في النواة؛ القضيب المغناطيسي هو نموذج، وليس مغناطيساً حرفياً داخل الأرض.

رسم المجال: ضع بوصلة رسم صغيرة靠近 Magnet، حدد طرفي الإبرة، حدد الطرف الباحث عن الشمال، ثم حرك الطرف الآخر إلى علامة طرف الشمال السابقة. كرر العملية، صل بسلاضافة وأضف أسهم في اتجاه طرف الشمال؛ ابدأ مرة أخرى في مكان آخر لعدة خطوط. تظهر رقائق الحديد نمطاً لكن ليس اتجاهه.

السلك الحامل للتيار له مجال مغناطيسي حوله (دوائر متحدة المركز؛ قبضة اليد اليمنى — الإبهام مع التيار، الأصابع تدور مع المجال). المجال أقوى مع زيادة التيار وأضعف كلما ابتعدت عن السلك.

ثني السالك على شكل ملف حلزوني:

• حقول الحلقات تتجمع — الحقل الداخلي يكون قوي ومتجانس;
• خارجياً، الشكل يطابق حقل المغناطيس الشريطي;
• إضافة لب حديد تزيد القوة أكثر — وهذا يُسمى المغناطيس الكهربائي.

يمكن تشغيل وإيقاف المغناطيس الكهربائي وتغيير قوته بالتيار — ولهذا يتفوق على المغناطيس الدائم في مصانع القمامة والمفتاحات الكهربائية.

إظهار المجال: ضع بوصلة قرب سلك مستقيم، شغل التيار، لاحظ الانحراف، ثم عكس التيار ولاحظ اتجاه المجال المعكوس. قارن مواقع متساوية بتيارات مختلفة؛ افصل التيار قبل نقل الأجهزة.

نموذج الكهرمغناطيس (الفيزياء فقط): تيار تحكم صغير يثير ملفاً ذات نواة حديدية. يجذب قطعة حديد، مما يغلق تلامس دائرة الحمل منفصلة. عند إيقاف التشغيل، ترجع الزنبرك القطعة الحديدية. حدد ملف التحكم ودائرة الحمل بشكل منفصل؛ يعمل الفعل المغناطيسي على التلامس دون ربط الدائرتين معاً.

الموصل الحامل للتيار عبر مجال مغناطيسي يشعر بقوة (تأثير المحرك — المجال والمغناطيس والموصل يدفعون بعضهم البعض).

قاعدة اليد اليسرى لفلمنج: الإبهام = القوة، الإصبع الأول = المجال (من N إلى S)، الإصبع الثاني = التيار — جميعها متعامدة على بعضها.

• $F$ القوة بوحدة نيوتن؛ $B$ الكثافة المغناطيسية بوحدة تسلا، T؛ $I$ التيار بوحدة أمبير؛ $l$ طول الموصل داخل المجال، بوحدة متر.
• قوة أكبر مع: مجال أقوى (أكبر $B$)، تيار أكبر، موصل أطول في المجال. استخدم $F=BIl$ عندما يكون التيار في زاوية قائمة مع المجال؛ التيار الموازي لمجال منتظم له صفر تأثير محرك.

المحرك الكهربائي: ملف محمل بالتيار يدور داخل مجال لأن الجانبين يخضعان لقوتين في اتجاهين متعاكسين.

فرشات ثابتة تتلامس مع مبدل حلقي مقسم، الذي يبدل توصيلات الملف كل نصف دورة. يت reversal التيار في كل جانب فيزيائي للملف، مما يحافظ على تأثير الدوران في نفس الاتجاه. عندما تلتقي الفرشات بفواصل عازلة، ينخفض التيار والقوة المغناطيسية مؤقتاً إلى الصفر. القصور الذاتي يمكن أن يحمل ملفاً يدور بالفعل خلال هذه الحالة؛ ملف مفرد مثالي في نقطة ميتة لا يبدأ نفسه.

مكبر الصوت (الفيزياء فقط): تيار متناوب يمر عبر ملف في مجال يجعل الملف يهتز ذهابًا وإيابًا؛ يدفع المخروط الهواء مما يسبب تقلبات ضغط — موجات صوتية تتوافق ترددها مع الإشارة.

إذا قطع الموصل خطوط المجال المغناطيسي، أو تغير المجال المغناطيسي المرتبط به، يتم تحفيز فرق جهد؛ إذا كانت الدائرة مكتملة، يتدفق تيار — تأثير المولد.

• المجال الخاص بالتيار المُحرض يعارض التغير الذي تسببه.
• فرق جهد مُحرض أكبر عند: حركة أسرع، مجال أقوى، عدد أكبر من لفات السلك. عكس الاتجاه عند: عكس الحركة أو عكس قطبية المجال.

عند عدم استدامة فرق الجهد: يكون للمغناطيس والملف الساكنان ارتباط مجال متغير معدوم. لا تقطع الحركة الموازية لخطوط المجال المنتظمها. في المحول، يعطي التيار المستمر المستقر مجالاً ثابتاً بعد التبديل؛ أما النبضات المؤقتة للتبديل فهي تختلف عن التشغيل المستمر للتيار المتردد.

المولد المتناوب (مولد تيار متناوب): يدور ملف داخل المجال — يتغير اتجاه فرق الجهد المُحرض كل نصف دورة، لذا تكون منحنيات فرق الجهد-الزمن موجة متكررة تتقاطع مع الصفر.

دينامو (تيار مستمر): مبدل حلقي مشقوق يقلب الاتصالات كل نصف دورة، لذا يبقى الخرج على جانب واحد من الصفر (تيار مستمر نابض). عكس تسميات الأطراف يعكس الإشارة؛ التيار المستمر أحادي الاتجاه، وليس بالضرورة موجباً. يمكن أن يكون الجهاز الدوار الذي يُسمى “دينامو” في دراجة حقيقية محولاً متناوباً؛ استخدم بناءه المذكور.

الميكروفون: عكس مكبر الصوت — تتغير ضغوط الصوت وتحرك ملفاً في مجال مغناطيسي، مما يُولد فرق جهد متغير. في دائرة كاملة، هذا يقود تياراً متغيراً يواكب الصوت.

المحول: ملفان أولي وثانوي ملفوفان حول نواة حديدية (تسهّل المغنطة؛ لا حاجة للرقائق المعزلة).

تيار متناوب في الملف الأولي يولد مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا في النواة؛ هذا المجال المتغير يُحرض فرق جهد متناوب في الملف الثانوي.

• رفع الجهد: $V_s > V_p$ (لفات ثانوية أكثر). خفض الجهد: $V_s < V_p$.
• المعادلة الثانية هي القدرة الداخلة = القدرة الخارجة فقط للنموذج المثالي الكفء 100%؛ استخدمها لإيجاد التيار المسحوب من مصدر الإدخال.

مثال محلول. محول له 345 ملف ابتدائي و6000 ملف ثانوي؛ الإدخال هو 230 فولت.

مثال محلول (القدرة). افترض أن المحول كفء بنسبة 100% ويوفر تياراً قدره 50 مللي أمبير عند جهد 4000 فولت.

• القدرة الخارجة: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ واط.
• تيار الإدخال: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ أمبير.

قصة الشبكة الوطنية تغلق الحلقة: رفع الجهد قبل النقل (عند نفس القدرة المنقولة، يعني الجهد الأكبر تياراً أصغر؛ ونفس مقاومة الكابل تعني $P_{\rm loss}=I^2R$ أقل)، خفض الجهد للمنازل (راجع الموضوع 2.7).

• حدد قواعد الأقطاب؛ فرق بين المغناطيس الدائم والمغناطيس المستحث.
• ارسم أنماط المجال للمغناطيس الشريطي والسلك المستقيم والملف الحلزوني مع الاتجاهات؛ اشرح علاقة البوصلة بالأرض.
• (HT) استخدم قاعدة اليد اليسرى لفلمينغ و$F = BIl$؛ اشرح المحرك والمبدل.
• (الفيزياء فقط، HT) حدد شروط تأثير المولد والحقل المستحث المعارضة؛ فرق بين منحنيات المولد المتردد والدينامو؛ اشرح الميكروفون.
• (الفيزياء فقط، HT) استخدم كلتا معادلتي المحول؛ اشرح الحث المتبادل بين الملفات ومزايا الشبكة.